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发动机热负荷的处理

发动机热负荷的处理

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发动机热负荷的处理

在发动机设计中,处理热负荷问题所包含的工作内容主要是:  通过分析,明确发动机主要机件在工作中承受热负荷的性质及大小,弄清这些机件在工作中可能出现的可靠性、耐久性问题的实质;针对具体热负荷问题的性质及其可靠性问题的实质,在实际运行的发动机或实验用模型上进行必要的机件温度测量,同时配合进行必要的传热和温度场计算分析,掌握关键部位的温度状况;由降低热负荷和避免机件失效两个方面综合分析具体机件的结构形状和材料性能,参考已有的可靠性较好的发动机结构材料,提出结构设计和材质处理的具体方案;在内燃机的实际运行条件下或相应的模拟试验条件下,充分考验上述结构设计和材质处理的合理性,作为产品设计或改进的依据。  在发动机的机件设计或可靠性问题处理中不一定必须包括上述各项的全部内容,但是,其中的主要部分一般都是必个可少的。

1发动机机件热负荷的分析方法

(1)三种热负荷的分析
  由于发动机工作中主要受热机件承受的热负荷性质可以分为三种,即稳定热负荷、低频热负荷和高频热负荷,因此其分析方法也有所不同。
  对于稳定热负荷,首先是把热负荷来源的燃气温度和燃气侧放热系数看成是稳定的平均等效燃气温度了《和平均等效放热系数5x,然后利用前述稳态传热过程方程进fj分析求解。
  对于低频热负荷,主要是由于机件的热惯性。可能造成机件在发动机过渡过程中产生高于稳定热负荷的高温和温差,冈此,可以在分析其稳定热负荷的基础上,利用不稳定传热过程计算法算出其表面最高温度及温差,考虑为一种附加的热负荷。
  对于高频热负荷,主要是把它看成是一种只对机件燃气侧表层有影响的热负荷,可以利用一维波动传热方程进行求解;在工程上也可以只分析估算壁面温度波动的最大幅值及影响深度。
  (2)受热零件的温度测量
  直接测量发动机受热机件工作时的温度分布和温度变化常常是机件热负荷分析必不可少的手段,也是机件温度场解析的实践基础。
  在稳定热负荷分析中,测量受热零件温度的最常用办法是在零件的测温部位埋设微型热电偶。对于缸盖、缸套等固定零件,这种方法测量精度较高而且技术难度较小。一些研究者还发展了移动式热偶的测量技术,如图9—60所示,在被测位置壁内插入热偶,热偶头部的节点外圆作成与壁内的钻孔紧密滑配,同时热偶节点可以在钻孔内调节滑动;这样,当热偶滑动时就可测出沿壁面法线不同深度处的壁内温度(图9—60)。根据图内不同位置的温度就可得到零件的最高温度、温度分布以及通过壁面的热流密度。
  对于活塞、气门等运动件,运动件上所埋设的热电偶导线必须经过专门设计的机构连续引出或间断接触引出。在采用间断引出方式时(图9—62),需要在热偶引线与测量仪表之间加一组电容积累线路;当热偶线路中的运动接点与固定接点接触时,热偶电势给电容充电,当运动接点与固定接点脱离时,电容上的已充电位仍能保留一段很短时间,结果就使测量仪表能稳定地指示出热偶的电势值。这些方法都使运动件的温度测量增加了复杂性。同时测点的数目也受到了限制。
  另有一种测量零件在稳定运行中最高温度的方法是所谓“硬度法”。是利用零件材料的硬度在经过高温工作后要发生永久变化的原理来实现的。如果在发动机运行前先记录了被测零件表面或制剖面多处的材料硬度,然后在零件装机并以一定的高负荷运转一段时间后,再拆机复测这些部位的硬度,则可根据事先作好的标准曲线,查出这种高负荷下零件表面或剖面内的最高工作温度。“硬度法”测温也可利用专门材料制造的硬度塞进行,如果在测温前先将这种硬度塞埋入到零件的测温部位上,则可根据硬度塞在发动机运行前后的硬度变化得知这些部位的最高工作温度,这种方法实行起来也比较方便。
  在低频热负荷分析中,测量受热零件的温度也完全可以采用埋设热电偶的方法。但是,为了要得到发动机过渡过程中零件各处的温度变化,需要将热电偶产生的毫伏电势用引线导出,然后通过连续采样电位计记录或通过采样、模数转换线路输入计算机储存。由于零件在过渡过程中的温度变化经历时间比微型热电偶本身的温度变化时间常数(τ=0.01~0.03s)大很多,因此,这种方法不会使温度测值产生很大的误差。
  在高频热负荷分析中,测量受热零件的表面温度波动目前应用最广的是薄膜热电偶法,即将热电偶的热节点作成距离很近而且厚度很薄(一般是1—5μm)的金属膜,并将此膜镀附在被测零件上形成与零件一体而且热惯性极小的热节点,以便尽可能真实地反映被测表面的瞬时温度。目前这种薄膜热电偶有些已经商品化,作成可以在许多地方应用的测温塞,测温时只要在被测表面钻孔埋入测温塞使与被测表面齐平,就可由引线上输出被测表面的温度波动数抿。图9—63示出两种薄膜热电偶的典型结构;其中单线结构的优点是测温塞本体就形成热偶的一极,因此作为热偶节点的表面镀层不需要与测温表面另行绝缘,制造起来比较方便,但使用单线测温塞时要注意必须使测温塞本体的材料与被测零件表面的材料一致,否则会产生测量误差;双线结构则正好相反,制造镀层时要先作到与镀附表面绝缘,但在使用中就不必限于被测件与测温塞本体的材料必须一致。
  (3)受热件的工作温度和温度场解析
  目前应用的受热件温度解析方法可以分为数值模拟法(有限元法、有限差分法等)及物理模拟法(导电模拟法)两大类,但不论用什么方法进行模拟计算都要首先确定其解析计算的边界条件,也就是说确定计算边界上的温度T、换热系数α以及局部热流密度q值。但是,在实际计算中并不一定需要事先给定边界上的全部T,α和q的数值,而是可以用几种不同的方式给定边界条件。以最简单零件缸套的温度场计算为例,第一类边界条件:给出缸套的燃气侧表面温度Tw1和冷却介质侧表面温度Tw2的分布情况;第二类边界条件:给出缸套燃气侧表面和冷却介质侧表面的局部热流密度q的分布;第三类边界条件:给出缸套内侧的燃气温度Tg,换热系数αg和外侧的冷却介质温度Tc,换热系数αc。
  在实际计算中,为了使计算结果更加符合实际,通常都是以一些实测的温度度数据为依据,给出计算的边界条件。例如,对于发动机缸套的稳态温度场模拟计算,可先用热电偶测出缸套内外壁面若干关键点的表面温度,再用中间插入拟合的办法得到整个缸套内外表面的温度分布,然后以此作为第一类边界条件计算缸套剖面内的温度分布。
  在进行受热零件稳态温度场的数值计算中,常用的方法是有限元法和有限差分。在零件内部导热计算方面,有限元法更为方便,因为它更容易适应复杂的零件几何形状,而且在继续计算热应力时可以沿用同样的网格划分;而有限差分法在计算零件周围流体边界层的对流换热时更为方便。因此,在具体如何选择传热和温度场计算方法时,可根据计算目的和计算内容选择适当的方法,也包括有限元法和有限差分法结合运用的方法。
  零件稳态温度场电模拟法的原理是以稳态导电过程模拟稳态的导热过程,即以电位差模拟温度差,以电阻模拟热阻,以电流模拟热流的方法。具体进行时,可利用具有一定电阻的导电固体或液体作成与测温零件几何相似的模型,然后在模型边界上用外加电阻模拟传热过程中的燃气边界层热阻、冷却介质边界层热阻以及零件间的接触热阻。这时,如果在模型的边界上加上相当于模拟燃气温度Tg的电压和模拟冷却介质温度Tc的电压,则模型中各处的电位就相当于零件中各点的温度Tw,而模型中通过的电流即相当于零件结构中各处的热流。图9—64示出一求解活塞剖面内温度场的电模拟装置。
  与数值模拟相比,电模拟方法的计算精度较差,但在选择复杂零件结构形状的初步温度场分析中有改变结构方便的优点,因此目前在设计工作中也还有应用。

2主要受热件的结构设计和结构处理

要使发动机中承受热负荷机件有必要的可靠性和耐久性,基本出发点不外乎两条:—是在保证发动机性能要求的前提下尽量减少机件承受热负荷的程度;二是在热负荷客观存在的前提下尽量提高机件的承受能力。但在具体措施上可以分为三个方面来考虑;在发动机性能指标上:充分考虑热负荷的存在,不盲目追求不必要的高指标;在机件结构设计上:周密考虑热负荷的产生和热负荷的承受问题,选择适当的结构形状;在零件材料选择上:尽可能选择能承受较大的工作温度和热应力而价格又不过分昂贵的材料。
  (1)关于确定发动机的性能指标
  在发动机整体性能指标的确定和调整方面,如果以最常用的单位活塞面积功率Ne/D2作为热负荷的衡量指标,则由于 Ne/D2∝pecm/τ平均有效压力pe和活塞平均速度cm就代表了发动机的热负荷。换言之,高压缩比的发动机和增压强化的发动机热负荷就比较大;二行程的发动机热负荷就较大;高转速强化的发动机热负荷也较大。此外。气缸尺寸较大的发动机机件存在热负荷的问题也较多,原因是同样工作容积具有的气缸散热表面较小,通过缸壁的热流就会较大,最高温度就会较高,再加上缸壁厚度较大,内外壁面温差也可能较大。总之,对于高压缩比的汽油机、增压的发动机、高转速的汽油机,二行程发动机以及尺寸较大的高速柴油机,在确定发动机的性能指标时都要充分考虑机件的热负荷问题,同时对发动机的主要受热件采取措施加强冷却,或适当选用耐热材料。
  (2)发动机受热件的结构设汁
  对于结构设计中的热负荷问题,可以按照减少热负荷程度以及提高热负荷承受能力两方面综合考虑。
  在减少热负荷程度方面,主要的出发点是减少机件的受热而改善过热区的散热。由于热负荷的重要来源是高温燃气,因此首先要减少零件对高温燃气的直接接触表面,避免结构上的凸出表面和造成气流流速较高的表面。例如,对于活塞顶部,应避免不必要的突出和过尖的燃烧室凹坑喉部尖角;对于缸盖底面,不要把火花塞或喷嘴等设计得突出缸盖底面很多;缸盖零件内的排气道长度也应尽可能设计较短。其次,在零件机械强度允许的情况下,壁的厚度应作得较薄,因为在同样受热或同样热流量的情况下,较厚的缸壁会造成较大的热阻,从而形成较大的壁内外表面温差,形成较大的热负荷。例如,对于缸筒和缸盖底板,壁厚都不希望作得很厚,甚至有意将缸盖底板中心过热区的壁厚局部减薄;对于非油冷活塞顶部一般设计较厚,那是为了有足够的导热截面以改善顶部到环部的散热。此外,应该看到,增强机件高温区的局部冷却是一个降低机件热负荷的有效措施。例如,对于在较高热负荷下工作的活塞组件常采用活塞内表面喷油冷却或油腔冷却,有些发动机的缸盖底板上安排有冷却水通道,使冷却水直接喷向最热的中央三角区。总之,减小受热表面,避免凸出的受热部,降低整机的冷却散热量而加强局部过热区的冷却,就是减少发动机机件热负荷的主要方法。
  在提高热负荷承受能力方面,总的设想是希望所设计的零件结构在一定的温差作用下产生较小的热应力和热变形。但是,对于具体的发动机受热零件,减低热应力和减少热变形并非永远一致而且常常可能是互相矛盾的。因为,根据典型形状零件的结构热应力分析可知,零件中热应力的大小不仅与零件本身的工作温度和温差有关,而且与零件受热部分在温度和温差作用下变形的自由程度有关。例如,在图9—65(a)所示的缸盖底板热应力分析简化模型中,如果底板中心受热后在断面中产生了如图中所示的温度升高,而缸盖四壁及其顶板等其他部分温度基本不变,则底板中央将因膨胀而产生热压应力,这可能使缸盖底板在长期工作中产生高温蠕变,然后在冷却中转化为拉应力而形成开裂(图9—66)。因此,如果能在底板表面切开一道弹性槽,以增加底板受热澎胀的自由程度,就有可能减少底板中的热压应力,从而避免底板的开裂。又如,在图9—65(b)所示的活塞顶热应力分析简化模型中,如果活塞顶的上表面受热后温度明显高于下表面,则在顶部四周结构较厚刚度较大的情况下,顶部不可能自由弯曲而只能横向膨胀,这时将在活塞顶上下表面产生拉压热应力,这在小型高速发动机上,由于热应力的绝对数值较小。可能不会引起严重的不可靠问题,但对缸径较大的大型柴油机,则可能出现活塞顶开裂等现象,因此,大型发动机的活塞顶往往单独作成一个盘形的受热零件,这不但便于选用更好的耐热材料制造零件中的高温部分,而巳使活塞顶受热时有更多的自由变形的余地,以减少工作中的热应力。总之,在提高零件的热负荷承受能力方面,需要根据受热零件的具体结构以及受热后的温度分布进行分析,然后采用适当的措施解决问题。
  (3)发动机零件的高温耐热材料
  在发动机机件热负荷无法降低的情况下,除了采用某些结构措施可能解决一部分温度过高和热应力过大的问题外,常用的解决办法还是要选择适当的耐温材料来制造零件。根据典型发动机受热零件的工作条件,制造这些零件的材料应具备以下的耐热性能:
  活塞铝台金:在250—300℃间机械强度下降不多,不易开裂,不易烧损;热膨胀系数不太大,否则热变形大,热应力高。
  活塞环合金铸铁:在200—250℃长期工作无水久变形,否则会造成弹性消失。
  进气门合金钢:在350—400℃工作强度下降不多,否则可能开裂。
  排气门合金钢:在800—1200℃工作强度下降不多,否则可能开裂;此外应具有较好的高温抗氧化能力。
  燃烧室镶块合金钢:在700—1000℃的工作条件下有必要的强度及抗氧化能力。
  气缸盖合金铸铁:在300—350℃长期工作不产生过大的高温蠕变,否则易产生热疲劳开裂。
  近年来,陶瓷材料在发动机受热件中的应用受到了很大的重视。用陶瓷材料制造受热零件的最大优点是材料的高温强度很好,而且一般都具有较大的热阻和较小的热膨胀系数。由热应力产生的原理可知,零件中热应力的大小与膨胀系数成正比,即:
  σ∝β/E (9-29)
  其中 σ:热应力(N/mm2)
  β:膨胀系数(1/K)
  E:弹性模数(N/mm2)
  因此,陶瓷材料在发动机受热件中的应用有很好的前景。单纯从提高零件耐热性和可靠性的角度看,陶瓷燃烧室镶块和陶瓷进、排气门看来是最有可能在生产上实际应用的陶瓷零件;再由低散热发动机的角度看,陶瓷活塞顶、排气道的陶瓷衬管以及喷涂陶瓷的缸套等零件也有较大希望在生产中应用,但目前陶瓷零什质量的稳定性还较差。生产成本还较高,作到能够批量生产还需要解决不少难题。

3发动机及其主要机件热负荷承受能力的考验

尽管发动机受热机件的热负荷分析给这些肌件的设计打下了良好的基础并提供了多方面的依据,但是,为了保证这些机件在使用下可靠和耐久,对于产品发动机及其主要机件的热负荷承受能力以及在使用条件下的工作可靠性,必须进行系统的综合考验。按照考验进行方式的不同可分为:使用运行条件下的综合试验(即装车进行道路试验),发动机台架可靠性试验,发动机台架热冲击试验以及受热零件的单件模拟热冲击试验等。
  可以说,台架可靠性试验是用持续长时间的全速全负荷试验来考核零件对稳定热负荷和表层高频热负荷的承受能力,热冲击试验则用宋考察岁件对工况变化所产;生的低频热负荷的承受能力,道路试验是综合性的考核。有时为了能快速评价某一零件的热负荷承受能力,还进行一些专门的模拟热冲击试验。
  图9—67示出模拟发动机缸盖底板中心区热负荷的试验装置。试验中用具有双孔的圆盘模拟缸盖底板,用气体喷灯模拟缸内燃气和高温排气对缸盖的加热;在圆盘四周用水冷却而同时使喷灯对圆盘的加热是断续作用的过程中,圆盘内部将产生类似缸盖底板中的热应力变化,因此这种模型可以用来比较分析不同结构形状和不同材料的缸盖底板的热负荷承受能力。
  利用这种模拟装置进行零件热冲击试验的优点是方法简便、易于控制,但是,缺点是其热负荷状况与实际发动机的使用状况相差很远,因此,只能用于改变结构和变更材相时的单项对比,绝对不能代替发动机的整机耐久试验和热冲击试验。

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