基于热-流-固耦合的发动机活塞组件热疲劳实验台设计研究

2022-06-15曹艺隆王贵新俞谦赵嘉琪朱甲梁

中国设备工程 2022年11期

曹艺隆，王贵新，俞谦，赵嘉琪，朱甲梁

（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

对于车用柴油发动机，提高其功率密度一直是其主要的研究方向，这使得柴油机活塞的工作条件不断恶化。气缸压力与往复惯性力不仅使其承受较大的机械负荷，周期变化的燃烧温度和自身较大的温度差异还使其承受巨大的热负荷。

早期活塞温度场的研究主要是通过对活塞模型进行稳态计算，进而评估其热疲劳特性。1985年，张南林等将K48E型柴油机活塞模型视为轴对称模型，应用边界元法对活塞进行了温度场计算。2001年，丁宏伟应用有限元分析软件得到了活塞表面各部分的温度分布。随着计算机技术的发展，对活塞温度场的分析模型更为复杂，计算结果更准确。2016年，李闯对某型柴油机活塞利用数值模拟方法，研究了具有9种不同形状油腔的活塞温度场分布。2017年，高鹏飞采用子结构法对活塞温度场进行了有限元分析，得到了更精细的活塞温度场。但通过计算分析得到活塞温度场的方法存在局限性，燃烧室内的涡流与活塞的振荡冷却很难得到计算模拟，同时，计算结果也缺乏实验验证。对活塞温度场测量的实验研究方法主要方法有硬度塞法、热电偶法、热敏电阻、红外热像法、易熔合金法等。目前，对发动机活塞温度场的实验研究一般在实机上进行。Sihling等对四气门高速外增压柴油机气缸盖燃烧室的瞬时表面温度变化进行了测量，实测的局部平均瞬时换热系数与理论计算结果有很好的一致性。2014年，Enomoto等采用薄膜热电偶测量了自然吸气直喷式柴油机燃烧室的瞬时温度，得到了各测点的瞬时热流密度。但实机测量一直存在实验过程复杂、实验成本较高、实验干扰大等问题。

为了解决数值仿真和实机测试中面临的问题，本文详细叙述了用于活塞温度场测试实验台设计。实验台采用模块化设计，具有较强的任务适应性，可以实现110mm缸径以内的发动机活塞温度场测试，是发动机活塞正向研发过程中的关键设备。

1 实验台方案的确定

1.1 基本布局要求

实验台设计的核心是保证活塞的换热条件与实际发动机一致。对于传热部分，采用乙炔火焰加热，并产生一定程度的涡流。对于散热部分，实际发动机活塞通过振荡冷却进行散热，需要对冷却油与冷却水的流量进行连续调节，达到相同的对流换热系数。

1.2 方案可行性对比

为了满足基本布局的要求，给出了三种设计方案，按照其控制方式，分为自动控制方案、半自动控制方案、手动控制方案。通过对三种方案的对比分析，确定最终设计方案。

1.2.1 自动方案

图1 自动方案结构

自动控制方案由直线运动模块、角度控制模块、进给控制模块、排温与排气模块、冷却水套与机架组成，该设计中所有运动件的控制均由程序自动控制，实验过程中检测到的数据将实时反馈到中央处理器，处理器通过闭环控制维持燃烧温度的稳定。

1.2.2 半自动方案

半自动方案的实验台在自动方案的基础上简化了控制，取消了一部分运动件；为了便于安装和调节，加大了结构尺寸，考虑到排温的要求，设计了排气筒用于排烟。相比自动方案的开放式的燃烧室，半自动方案的乙炔燃烧室四周封闭，仅通过烟囱与外界相连，该结构保留了火焰与活塞表面距离调节的功能，其结构如图2所示。

图2 半自动方案结构

1.2.3 手动方案

手动方案取消了全部由电机与相应的控制系统，模块的运动依靠齿轮传动，角度控制采取手动调节。燃烧室沿用了自动方案的开放式设计，但结构尺寸有所扩大，这一方面考虑到人工调控需要足够的空间，另一方面，需要防止手轮等位置温度过高。其结构如图3所示。

图3 手动方案结构

1.3 方案的最终确定

自动方案最主要的优点在于自动化程度较高，控制快速精准。实验台高度仅875mm，长度、宽度仅400mm，整体结构非常紧凑。由于火焰喷嘴设计有三个可以调控的自由度，只要活塞直径不变，可以完成不同工况下的活塞温度场实验，具备较好的任务扩展性能。其缺点在于较高的控制难度，要调控好数量较多的电机和电磁阀需要增多自动控制模块的接口，导致成本较高；同时，整机散热上存在一定的问题，长时间实验将导致电机热负荷也较大，影响程序控制。

半自动方案相比自动方案，降低了控制难度，同时，还保持了较好的控制调节能力。由于半自动方案提升了实验台体积，加大了安装和调试空间，提升了人机交互性能。同时，该方案排温效果也更好。由于设计了排温机构，避免了排气高温对实验台机体的过度加热，故在实验过程中可以提升加热温度，提高热负荷的加载范围。

手动方案的特点在于结构简单、控制方便，由于取消了价格较高的电机等自动化设备，使得其制造加工成本较低。其缺点在于，实验过程中无法实现快速有效的控制，同时，开放式燃烧室在缺乏连续调节的情况下将无法保证传热散热能够更为稳定。

综上所述，从成本、研制难度以及实验精度3方面考虑，选择半自动方案为详细设计的最终方案。

2 方案详细设计

实验台包括4个模块，其中2个模块为功能模块，另两个模块为电控扩展模块。功能模块是保证实验台正常工作的基础，不可替换；扩展模块用于存放实验现场的一些实验设备。其整体结构如图4所示。

图4 实验台整体结构

2.1 台架结构设计

2.1.1 燃烧室台架设计

为了便于调整活塞观察燃烧效果以及测试设备的安装，燃烧室的部分零件可通过台架上的抬升机构对位置进行调整，其结构如图5所示。

图5 燃烧室台架结构

2.1.2 活塞支撑台架设计

由于活塞安装到实验台中后，还需要与冷却油路的油管、热电偶的导线相连，故需要考虑管路以及线路的布置。为了满足以上需求，在台架上设计滚珠丝杠直线运动模组用以对活塞的推入与拔出，其结构如图6所示。

图6 活塞支撑台架结构

其中，提升板与两个滚珠丝杠直线运动模块连接，活塞放置在机构上端。当提升板向下运动时，活塞从燃烧室内部拔出，只需要拆除活塞与活塞支撑管的连接螺钉即可完成活塞的更换。

2.2 冷却系统设计

冷却系统的技术指标参考实机工作过程中的活塞缸套的工作条件，再结合普通液压系统元器件的要求进行参数设定，如表1所示。

表1 冷却系统参数

进口及出口加温度传感器；进口加流量传感器；传感器需接入PLC，便于实时显示数据，工作条件设定如表2所示。

表2 冷却系统参数

油泵将冷却油泵入活塞，其转速可以调整，油泵出口通过泄压阀调定油路压力，再通过节流阀调定流速。实验过程中，流速和压力可以通过PLC系统控制，温度通过传感器采集，实验人员只需调整冷却油流量保持出口温度稳定即可。对于液压源，油泵采用变频电机驱动齿轮泵供油；溢流阀额定压力2.5MPa。此外，油液需要有过滤功能，需要配置吸油过滤器；为了对冷却油进行冷却，油路需要增加回油冷却器。对于缸套冷却，其原理和活塞冷却相同，也需要单独的泵站用于泵水，对回水管路依然需要冷却水塔进行冷却。

2.3 燃气系统设计

燃气系统包括气瓶、燃气管、燃烧仓、控制元件与传感器元件组成。制器选用西门子S7-200SMAR小型PLC，输入采用直流漏型接法，输出采用直流继电器接法，输出接中间继电器。

燃烧仓在点火时，加热启停控制继电器用于控制火焰监测器加电，点火时程控闭合，点火失败、异常熄火、停炉熄火和超温熄火时程控断开。火焰监测器加电后，按时序给高能点火器加电，控制高能点火枪点火；按时序使控制继电器闭合，燃气电磁阀开通，向燃烧仓供燃气；同时，根据炉火状态信号，控制着火继电器、熄火继电器相应动作。火焰探测器用于实时检测炉火状态，向火焰监测器提供炉火状态信号。热电偶模块选用EM231，PLC控制器利用热电偶信号送达的信号测定燃烧仓内温度。

3 燃烧室温度场仿真

燃烧室承受较高的热负荷，实验台可以提供的最高燃烧温度可达3000℃，这对燃烧室材料的选择提出了极高的要求。为了校核燃烧室结构的耐热性能，依据各零件的温度合理选择材料，需要对燃烧室进行温度场计算。燃烧室内温度分布与燃烧室内气体流动有关，因此，需要考虑流场对温度场的影响，这需要对燃烧室进行流固耦合的仿真计算。

CFD计算采用实验台极限工况计算，既气流入口温度设定为最大燃烧温度，入口速度设定为喷嘴能提供的最大喷射速度。对于该实验台，燃料在喷嘴内部就已经混合燃烧，对于乙炔与氧气的混合火焰燃烧温度最高为3000℃，喷口流速最大为3m/s。流场和温度场仿真结果如图7、8所示。

图7 燃烧室内流场

如图7所示，由于火焰喷嘴采用了偏置布置，燃烧室内部出现了绕燃烧室轴线旋转的气流。在发动机气缸内，为了促进燃料与空气的混合，会产生进去涡流，在实验台上，可以通过调节喷嘴流速达到相似的涡流强度。图8可见最高温度为2701K，位置在火焰进口处，燃烧室靠近火焰喷嘴处温度均大于1000℃，故燃烧室必须选择耐热材料，均采用陶瓷制作。燃气温度可以调节，3000℃为该实验台燃烧温度的极限工况，实际燃烧温度需要根据活塞工作状况进行确定，一般情况下，为保证活塞上表面温度稳定在500K左右，燃烧温度需要控制在1200℃左右，防止过高温度对活塞以及活塞上布置的传感器产生破坏。