李徐東，吳宇波，李朝陽

(上海新動(dòng)力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

天然氣由于燃燒污染小、儲(chǔ)量豐富等特點(diǎn)，被認(rèn)為是傳統(tǒng)汽車燃料的替代品之一，美國、德國、日本等國家都相繼制訂了天然氣動(dòng)力應(yīng)用的發(fā)展規(guī)劃。針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性[1]、稀薄燃燒技術(shù)和天然氣噴射技術(shù)[2]等，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量理論和試驗(yàn)研究。

目前，市場上大部分天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是在現(xiàn)有柴油機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，而氣缸蓋作為柴油機(jī)的易損部件[3]，在周期性熱機(jī)械負(fù)荷作用下，氣缸蓋內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)裂紋，裂紋向外表面擴(kuò)展最終導(dǎo)致缸蓋失效[4-6]。吳飛等[7-8]通過仿真模擬氣缸蓋溫度場，探究氣缸蓋火力面的熱負(fù)荷分布，為發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)耦合分析提供了傳熱邊界條件。Grieb等[9]研究了柴油機(jī)上不同材料氣缸蓋的熱機(jī)械壽命預(yù)測模型。大部分文獻(xiàn)只針對(duì)柴油機(jī)氣缸蓋失效進(jìn)行探究，而對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋試驗(yàn)研究較少。

由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒溫度較柴油機(jī)更高，氣缸蓋會(huì)承受更大的熱負(fù)荷，一般的可靠性試驗(yàn)方法無法充分評(píng)估天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的開裂風(fēng)險(xiǎn)[10]。為此，本文在某型號(hào)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上加裝熱電偶傳感器，分析冷熱沖擊耐久循環(huán)工況中氣缸蓋溫度場的變化，以期為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋冷熱沖擊耐久考核提供有效參考。

1 冷熱沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，對(duì)于乘用車、商用車的水冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)一般都采用《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 19055—2003)中的可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行零部件耐久考核[10]?？煽啃栽囼?yàn)方法包括負(fù)荷試驗(yàn)和冷熱沖擊試驗(yàn)，冷熱沖擊試驗(yàn)是考核發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的重要方法，受到各大汽車廠商的重視[11]。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

冷熱沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，其中實(shí)線表示油門全開。單個(gè)循環(huán)時(shí)間為6 min，共分為4個(gè)階段。第1階段，發(fā)動(dòng)機(jī)通過自行加熱，達(dá)到規(guī)定的冷卻水出口溫度tp(一般為發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠自行規(guī)定的溫度)，并達(dá)到最大凈功率轉(zhuǎn)速np，此時(shí)油門全開；第2階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至怠速ni，此時(shí)不加載負(fù)荷，持續(xù)15 s，期間冷卻水出口溫度自然上升；第3階段，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)15 s；第4階段，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，不加載負(fù)荷，轉(zhuǎn)速快速拉升到np或者高怠速nhi，直到單個(gè)循環(huán)結(jié)束。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊工況示意圖

在上述冷熱沖擊試驗(yàn)中，第1階段(熱沖擊)以冷卻水出口溫度作為判定條件，由于氣缸蓋沒有經(jīng)過充分的加熱，第2階段和第3階段的怠速和停機(jī)使得第4階段(冷沖擊)相對(duì)柔和，冷熱沖擊效果下降，因此本文通過改變試驗(yàn)工況中的冷卻水溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，分析不同的冷熱沖擊工況下氣缸蓋關(guān)鍵位置的溫度變化。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)采用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是基于某柴油機(jī)平臺(tái)開發(fā)的，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋材料為HT 280，在關(guān)鍵位置打孔安裝熱電偶傳感器，共設(shè)置18個(gè)測點(diǎn)，如圖2所示。其中：1號(hào)、15號(hào)測點(diǎn)在第1缸和第6缸火花塞孔附近，5號(hào)、14號(hào)測點(diǎn)在第2缸和第3缸排氣閥座附近，3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、12號(hào)和17號(hào)測點(diǎn)分別在第1缸至第6缸的進(jìn)、排氣門橋間，9號(hào)、13號(hào)和18號(hào)測點(diǎn)分別在第3缸、第4缸和第6缸2個(gè)進(jìn)氣門橋間，2號(hào)、7號(hào)、11號(hào)和16號(hào)測點(diǎn)分別在第1缸、第3缸、第4缸和第6缸2個(gè)排氣門橋間，測點(diǎn)到火力面垂直高度為5 mm。熱電偶型號(hào)為KX191A-K-INC-1000-1.5，測量溫度范圍為-40～1 100 ℃，通過ETAS ES 620溫度模塊進(jìn)行溫度信號(hào)采集，采樣頻率為1 Hz。

圖2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意圖

2 氣缸蓋溫度場分析

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下氣缸蓋溫度場分析

冷熱沖擊試驗(yàn)中冷卻水出口溫度決定了熱沖擊階段的時(shí)間，為了研究不同的冷卻水出口溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋溫度的影響，選取冷卻水出口溫度為95 ℃和103 ℃時(shí)，測量穩(wěn)態(tài)工況下氣缸蓋的各測點(diǎn)溫度變化情況，如圖3和圖4所示。

圖3 冷卻水出口溫度為95 ℃時(shí)各測點(diǎn)溫度

圖4 冷卻水出口溫度為103 ℃時(shí)各測點(diǎn)溫度

由圖3和圖4可知，2種冷卻水出口溫度下氣缸蓋各測點(diǎn)在額定點(diǎn)1 900 r/min的溫度均高于扭矩點(diǎn)1 400 r/min的溫度，且隨著轉(zhuǎn)速下降氣缸蓋溫度呈逐漸下降趨勢。如圖5所示，通過對(duì)比2種冷卻水出口溫度下氣缸蓋在額定點(diǎn)的溫度差異可知，相同測點(diǎn)之間溫度相差在4～8 K。在不同氣缸的相同測點(diǎn)位置溫度分布趨勢相同，火花塞孔附近溫度最高，其次是2個(gè)排氣門橋間，而2個(gè)進(jìn)氣門橋間溫度最低，其中第6缸火花塞孔附近溫度與進(jìn)氣門橋間的溫差達(dá)到了80 K，因此氣缸蓋內(nèi)火花塞孔附近熱應(yīng)力最大，在評(píng)估氣缸蓋開裂風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意火花塞孔附近的缸蓋狀態(tài)。

圖5 2種冷卻水出口溫度下氣缸蓋各測點(diǎn)溫度的對(duì)比

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)額定點(diǎn)氣缸蓋溫度高于扭矩點(diǎn)氣缸蓋溫度，且冷卻水出口溫度較高時(shí)，氣缸蓋的各個(gè)測點(diǎn)溫度達(dá)到最大值，因此在設(shè)計(jì)冷熱工況的熱沖擊階段使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到額定點(diǎn)，并且在合理范圍內(nèi)提高冷卻水出口溫度可以達(dá)到最佳的熱沖擊效果。

2.2 不同冷沖擊工況對(duì)氣缸蓋溫度場的影響

由上文可知，不同缸內(nèi)相同位置的測點(diǎn)具有相同的溫度分布趨勢，因此以發(fā)動(dòng)機(jī)第1缸為例，探究標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況，改變冷沖擊階段的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻水出口溫度等條件在低怠速和高怠速工況下進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，觀察氣缸蓋溫度場的變化規(guī)律。

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)的氣缸蓋溫度場分析

標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況見表2，其中工況1(熱沖擊階段)冷卻水出口溫度設(shè)定為103 ℃，工況1到工況2、工況2到工況3的轉(zhuǎn)換在5 s內(nèi)完成，工況3到工況4的轉(zhuǎn)換在15 s內(nèi)完成。

表2 標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況

測點(diǎn)溫度趨勢圖如圖6所示。在工況1(熱沖擊階段)隨著冷卻水出口溫度的升高上述測點(diǎn)溫度逐漸升高，最高可以達(dá)到260 ℃左右，在工況2、工況3下冷卻水出口溫度緩慢上升，但測點(diǎn)溫度下降較快，測點(diǎn)的最低溫度在135～140 ℃，在工況4(冷沖擊階段)，測點(diǎn)溫度在160～170 ℃。由圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況下溫差可以達(dá)到100～150 K，在冷沖擊階段測點(diǎn)溫度緩慢上升。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的測點(diǎn)溫度變化

2.2.2低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)的氣缸蓋溫度場分析

標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況是以冷卻水出口溫度、循環(huán)時(shí)間作為判別條件，熱冷沖擊階段持續(xù)時(shí)間較短，而中間怠速和停機(jī)工況會(huì)使冷沖擊效果降低，因此基于標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)，提出了低怠速和高怠速冷熱沖擊循環(huán)工況，其中低怠速冷熱沖擊循環(huán)工況見表3。

表3 低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況

當(dāng)冷卻水出口溫度達(dá)到103 ℃以后，繼續(xù)保持高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷狀態(tài)直到氣缸蓋溫度穩(wěn)定之后，取消原來工況2、工況3的怠速及停機(jī)工況，將冷卻水溫度立即變?yōu)?0 ℃進(jìn)行低怠速冷卻，直到氣缸蓋冷卻到最低溫度并保持一段時(shí)間。該工況下各測點(diǎn)的溫度變化趨勢如圖7所示。

圖7 低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的測點(diǎn)溫度變化

從圖7可知，在氣缸蓋的溫度穩(wěn)定后立即開始降溫后，測點(diǎn)溫度下降較快，最低溫度在60 ℃左右，測點(diǎn)的最高溫度與最低溫度之間的溫差可達(dá)180～220 K，與標(biāo)準(zhǔn)的冷熱沖擊工況相比，低怠速冷熱沖擊工況的冷沖擊效果明顯。

2.2.3高怠速冷熱沖擊試驗(yàn)的氣缸蓋溫度場分析

高怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況見表4，相比低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況，高怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況在冷卻階段發(fā)動(dòng)機(jī)保持高轉(zhuǎn)速，冷卻水出口溫度設(shè)置為30 ℃。

表4 高怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況

該工況下各測點(diǎn)的溫度變化如圖8所示。對(duì)比低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況可知，冷卻水出口溫度切換時(shí)測點(diǎn)溫度下降較快，當(dāng)測點(diǎn)溫度穩(wěn)定后維持在120～140 ℃，最大溫差只有100～150 K。

圖8 高怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的測點(diǎn)溫度變化

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的氣缸蓋溫差只有100～150 K，并且狀態(tài)維持時(shí)間較短，而高怠速冷沖擊試驗(yàn)工況的冷沖擊效果比標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊工況要好，但其氣缸蓋溫差仍然較小，而低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)工況的冷沖擊冷卻效果明顯，并且氣缸蓋溫差可達(dá)180～220 K，這種溫差對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋冷熱沖擊考核是比較合理的。

因此，低怠速冷熱沖擊試驗(yàn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)和高怠速冷熱沖擊試驗(yàn)更具考核意義，可以通過增大熱沖擊階段冷卻水出口溫度或減小冷沖擊階段的冷卻水出口溫度來得到更大的冷熱沖擊溫差。綜合考慮試驗(yàn)循環(huán)時(shí)間，氣缸蓋在熱沖擊、冷沖擊后的穩(wěn)定時(shí)間為20～30 s，本文提出了建議工況，見表5。

表5 冷熱沖擊試驗(yàn)建議工況

3 結(jié)論

本文通過在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上安裝熱電偶，研究了冷熱沖擊試驗(yàn)工況下氣缸蓋的溫度變化，并改變冷卻水出口溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，提出了低怠速冷熱沖擊工況和高怠速冷熱沖擊工況，分析這2種工況下氣缸蓋的溫度變化差異，最終提出了比較合理的冷熱沖擊工況參數(shù)。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在額定點(diǎn)工況下，火花塞孔附近溫度最高，進(jìn)氣門橋間的溫度最低，在評(píng)估氣缸蓋的開裂風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意火花塞孔附近的缸蓋狀態(tài)；冷卻水出口溫度在103 ℃時(shí)氣缸蓋溫度較高，冷卻水出口溫度與氣缸蓋溫度呈正相關(guān)，因此在合理范圍內(nèi)，增加冷卻水出口溫度可以提高冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的熱沖擊效果。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況下，1個(gè)循環(huán)內(nèi)氣缸蓋最大溫差在100～150 K，并且維持時(shí)間較短；在取消了標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的怠速和停機(jī)工況后，高怠速冷沖擊工況雖然冷沖擊效果相比標(biāo)準(zhǔn)冷熱沖擊試驗(yàn)工況更好，但氣缸蓋溫差仍較??；低怠速冷熱沖擊工況冷沖擊冷卻效果明顯，并且氣缸蓋的溫差可達(dá)180～220 K，此時(shí)的溫差對(duì)于氣缸蓋冷熱沖擊考核是比較合理的，綜合分析后提出了冷熱沖擊試驗(yàn)的建議工況。