韓艷艷

(奇瑞汽車股份有限公司 動力總成技術中心,安徽 蕪湖　241009)

引言

發(fā)動機由多系統(tǒng)部件和多工作過程組成，任何一個部件或系統(tǒng)的改變都會對其他系統(tǒng)造成影響。整個發(fā)動機高性能的穩(wěn)定輸出，是各系統(tǒng)相互匹配、平衡的結果[1-2]。發(fā)動機熱管理為一項系統(tǒng)工程，其研究的基本方法和手段為系統(tǒng)熱流體分析。

增壓直噴發(fā)動機高功率密度、高性能、高排溫、排氣增壓后置及預催緊耦合式布置，與傳統(tǒng)非增壓發(fā)動機相比，排氣側溫度場熱源零部件顯著增加。同時比傳統(tǒng)非增壓發(fā)動機排溫升高近200 ℃。針對熱源高溫零部件對氣門室罩蓋帶來的燒結問題，本研究基于Hpermesh、Flowmaster、CCM+等商業(yè)軟件建立模擬分析平臺[3-4]。從隔熱罩的形狀結構及氣門室罩蓋的材料等方面進行研究，通過仿真分析和試驗驗證，最終解決氣門室罩蓋燒結問題。

1　問題描述及建立模型

1.1　故障分析

圖1　氣門室罩蓋臺架試驗燒結圖

某款增壓發(fā)動機在臺架試驗過程中發(fā)現(xiàn)氣門室罩蓋嚴重燒結，如圖1所示。

經(jīng)過對氣門室罩蓋燒結問題進行分析，發(fā)現(xiàn)燒結主要是由兩方面因素導致：

1)氣門室罩蓋為排氣歧管及增壓器相鄰零部件，且排氣歧管及增壓器表面溫度達到700 ℃，對罩蓋產(chǎn)生強烈的熱輻射[5]影響。

2)此處區(qū)域的空氣溫度達到200 ℃左右，氣門室罩蓋同時受到高溫空氣的熱傳導影響。

1.2　整機模型搭建

整機模擬計算模型如圖2所示。

a)幾何模型　　　　　　　　　b)網(wǎng)格模型圖2　整機模型

為了更真實地模擬發(fā)動機狀態(tài)，與整機相關的模型均保留，尤其對排氣側的排氣歧管、增壓系統(tǒng)、預催以及隔熱罩等均與實物狀態(tài)保持一致，并對模型屬性進行分類處理。

具體模型分類如下：

1)計算模型：氣門室罩蓋。

2)熱輻射模型：排氣歧管、增壓器中間體及熱端、預催上端錐、預催本體、預催下端錐。

3)本體模型：缸蓋、缸體、框架、油底殼、正時罩蓋、進氣系統(tǒng)等。

4)熱保護模型：增壓器隔熱罩、預催上下隔熱罩、排氣歧管上下隔熱罩。

1.3　計算模型的處理

計算模型處理步驟為：

借鑒韓艷艷[6]等人的方法對于計算模型處理步驟如下：

1)獲得PROE三維模型，然后將模型轉化為IGS格式后導入到Hypermesh軟件中。

2)在Hypermesh中，采用手動修補破面，刪除多余模型表面，簡化模型表面，分類劃分面網(wǎng)格，然后以nas格式導出，如圖2中網(wǎng)格模型所示。

3)將第二步得到的nas網(wǎng)格導入到CCM+中，進行包面并修補處理，以提升面網(wǎng)格質量，最后以ntl格式導入到熱輻射計算軟件中。對熱輻射計算軟件邊界參數(shù)設置如表1所示。

表1　熱輻射模型溫度值

2　仿真分析及方案對比選擇

2.1　仿真模型再現(xiàn)故障問題

仿真計算結果顯示，氣門室罩蓋的工作環(huán)境較為惡劣，溫度場風險較高，中尾部最高溫度區(qū)域達235 ℃，遠遠超過材料的最高耐溫130 ℃的限值，且與發(fā)動機臺架試驗所發(fā)現(xiàn)的氣門室罩蓋中尾部區(qū)域燒蝕現(xiàn)象一致。仿真結果見圖3、圖4和表2。

圖3　氣門室罩蓋溫度場仿真局部圖

圖4　發(fā)動機計算結果模型

部件名稱采用材料計算高溫區(qū)域大致溫度/℃材料允許溫度/℃氣門室罩蓋中尾部塑料(PA66)235～278-40～130

2.2　問題解決方案及仿真分析

為了規(guī)避氣門室罩蓋高溫風險，通過分析分別采用以下幾個方案進行優(yōu)化設計。

方案1：對增壓器隔熱罩形狀進行優(yōu)化；

方案2：增加氣門室罩蓋隔熱罩；

方案3：提高氣門室罩蓋材料耐溫限值。

2.2.1對增壓器隔熱罩形狀進行優(yōu)化(方案1)

原增壓器隔熱罩與缸蓋之間的間隙較大，導致熱氣通過間隙上竄對氣門室罩蓋進行熱傳導，因此對增壓器隔熱罩形狀進行重新優(yōu)化，縮小此處間隙。優(yōu)化后模型及仿真結果如圖5和表3所示。

圖5　優(yōu)化后增壓器隔熱罩及仿真結果

測量點名稱試驗值/℃原方案/℃方案1/℃氣門室罩蓋222235218

圖6　氣門室罩蓋隔熱罩方案1

由計算可以看出，優(yōu)化增壓器隔熱罩外形結構解決了氣門室罩蓋中部高溫熱損害問題，但氣門室罩蓋尾部區(qū)域(即增壓器隔熱罩無法覆蓋區(qū)域)的溫度場風險依然存在。因此僅僅通過優(yōu)化增壓器隔熱罩單方因素無法完全規(guī)避氣門室罩蓋溫度場風險。

2.2.2增加氣門室罩蓋隔熱罩(方案2)

對氣門室罩蓋隔熱罩進行三種方案設計。

氣門室罩蓋隔熱罩方案1:

針對氣門室罩蓋高溫區(qū)域設計貼片式隔熱罩，并進行溫度場仿真計算，如圖6所示，通過仿真計算的結果顯示，氣門室罩蓋尾部區(qū)域的溫度值在150 ℃以下，但是氣門室罩蓋下部區(qū)域溫度在150 ℃以上仍然存在溫度風險。分析原因，主要是由于隔熱罩與氣門室罩蓋均為硬質材料，由于零部件設計要求及相關NVH要求，無法使得隔熱罩完全貼在氣門室罩蓋表面，在隔熱罩與氣門室罩蓋中間存在5 mm間隙，導致熱氣從間隙中間上竄，在此處區(qū)域形成熱結果。

氣門室罩蓋隔熱罩方案2:

此方案是在排氣墊片上集成隔熱罩對罩蓋進行保護，此方案既可以阻斷增壓器對氣門室罩蓋的熱輻射，又可以完全阻斷熱氣上升對罩蓋的熱影響。設計及計算結果如圖7所示。溫度場仿真結果顯示，氣門室罩蓋最高區(qū)域溫度為140 ℃，完全滿足材料耐溫限值要求。但由于隔熱罩與排氣歧管墊片采用組合方式，對工藝要求較高，同時存在對排氣歧管墊片的影響，雖然隔熱效果較好，但工藝風險和排氣漏氣風險較大。

氣門室罩蓋隔熱罩方案3:

結合氣門室罩蓋隔熱罩方案1、2的設計思路，綜合考慮方案1、2的優(yōu)缺點，對氣門室罩蓋隔熱罩進行設計，并進行溫度場仿真計算，如圖8所示。溫度場仿真結果顯示，氣門室罩蓋最高區(qū)域溫度為150 ℃，正好滿足材料耐溫限值要求。

圖7　氣門室罩蓋隔熱罩方案2

圖8　氣門室罩蓋隔熱罩方案3

氣門室罩蓋隔熱罩三種方案對比:

通過仿真計算顯示，三種隔熱罩方案中方案1隔熱效果最差，雖然規(guī)避了氣門室在罩蓋絕大區(qū)域的溫度風險，但仍然有小部分區(qū)域的溫度仿真值較高達到210 ℃。方案2和方案3隔熱效果相差不大，均能完全規(guī)避氣門室罩蓋的溫度風險。具體對比如表4所示。

表4　氣門室罩蓋隔熱罩仿真計算結果對比

同時通過其他維度對三種方案進行對比，對比如表5所示。

表5　三種氣門室罩蓋隔熱罩綜合對比

通過對工藝、成本、影響、風險和隔熱效果五個維度對比，可以看出方案3最優(yōu)。因此選擇氣門室隔熱罩方案3進行樣件制作并進行發(fā)動機臺架溫度場試驗驗證。

2.2.3提高氣門室罩蓋材料耐溫限值(方案3)

由上面分析計算可以看出，單獨采用方案1優(yōu)化增壓器隔熱罩和單獨采用方案2增加氣門室罩蓋隔熱罩，均不能完全規(guī)避氣門室罩蓋的溫度風險，因此需要提高材料的耐溫限值。經(jīng)過與氣門室罩蓋供應商溝通，通過改變PA66材料的具體成分比例，提高了氣門室罩蓋材料的耐溫限值，方案3已經(jīng)在其他零部件上推廣使用，成本增加甚微。提高耐溫限值的對比如表6所示。

表6　材料優(yōu)化前后耐溫限值對比

2.3　規(guī)避氣門室罩蓋溫度風險方案選擇

通過分析，方案2中的氣門室罩蓋隔熱罩方案2和方案3綜合運用在仿真計算時可以規(guī)避溫度場風險。因此進行發(fā)動機臺架溫度場試驗驗證該優(yōu)化方案。

3　發(fā)動機臺架溫度場試驗驗證

進行發(fā)動機臺架溫度場試驗驗證，試驗結果如表7所示 。

表7　氣門室罩蓋臺架試驗結果

由試驗結果可以看出，通過仿真對比選擇的方案能夠很好的規(guī)避氣門室罩蓋溫度風險。

4　結論

采用Hpermesh和CCM+軟件對發(fā)動機氣門室罩蓋燒蝕問題進行了很好的模擬再現(xiàn)，通過仿真對多方案進行對比選擇，從多角度分析問題的解決方法和途徑，找到最優(yōu)組合方案，并通過試驗驗證。仿真分析一方面可避免多方案試驗驗證，節(jié)省試驗資源，另一方面可大大節(jié)省解決問題的時間。

參考文獻：

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[6]韓艷艷.發(fā)動機排氣側溫度場研究[D].北京：清華大學，2015