王 龍,王憲成

(陸軍裝甲兵學(xué)院車(chē)輛工程系，北京 100072)

0 引言

噴油器作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)中的重要部件，主要作用是將高壓燃油進(jìn)行霧化后噴入燃燒室內(nèi)，與缸內(nèi)空氣混合燃燒。燃油霧化質(zhì)量的好壞，直接影響缸內(nèi)燃燒，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能劣化，進(jìn)而產(chǎn)生磨損，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。通過(guò)噴油器的技術(shù)狀況對(duì)缸套磨損的研究，其流程如圖1。

圖1 噴油器技術(shù)狀況影響缸套磨損研究流程圖

目前，研究發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的方法，一是試驗(yàn)分析，即通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)變化規(guī)律，如進(jìn)行噴霧特性試驗(yàn)，得到噴油器積碳前后的噴霧特性變化規(guī)律，通過(guò)控制變量進(jìn)行磨損試驗(yàn)，研究外界因素的影響等；二是仿真研究，基于仿真軟件對(duì)一些復(fù)雜過(guò)程建立近似模型，如模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程，計(jì)算燃燒放熱和壁面溫度等，常用的仿真軟件有發(fā)動(dòng)機(jī)流體動(dòng)力仿真軟件CONVERGE、發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程模擬軟件GT-POWER及汽車(chē)仿真軟件AVL等。

1 積碳的形成及對(duì)噴霧特性的影響

廣西大學(xué)談軍華描述了積碳的產(chǎn)生原因，其形成主要受嘴端溫度和壓力、噴油器結(jié)構(gòu)、燃料性質(zhì)等條件的影響[1]。目前對(duì)于噴油器積碳獲取，一是模擬營(yíng)造積碳的生成條件，通過(guò)試驗(yàn)手段人工制造，如上海交通大學(xué)李洋基于Dibble燃燒器溫度場(chǎng)穩(wěn)定的特性，設(shè)計(jì)了一種可控噴油量的積碳生成裝置，最快可在3小時(shí)觀察到積碳的出現(xiàn)[2]；天津農(nóng)學(xué)院宋承艷基于MAX6675測(cè)量電路設(shè)計(jì)了積碳形成模擬裝置，可有效模擬噴油器的實(shí)際工作狀態(tài)，裝置生成的積碳成分與實(shí)際成分相似[3]。二是使用長(zhǎng)期運(yùn)行的噴油器直接研究，陸軍裝甲兵學(xué)院趙文柱使用Olympus光學(xué)電子顯微鏡觀察到噴孔積碳可分為孔口內(nèi)部和外部?jī)煞N積碳形式，并建立孔內(nèi)流動(dòng)模型和噴霧模型，仿真研究了積碳形式對(duì)孔內(nèi)流速與噴霧形態(tài)的影響[4]；天津大學(xué)周建偉對(duì)積碳進(jìn)行處理后觀察了結(jié)構(gòu)分布，利用X-Max80型能譜分析儀分析了積碳的主要元素成分與含量[5]。

積碳對(duì)燃油供給的影響，主要表現(xiàn)在燃油的噴霧特性上，其評(píng)價(jià)參數(shù)主要有噴霧貫穿距、噴霧錐角和霧化質(zhì)量。由于噴霧貫穿距和噴霧錐角易于在試驗(yàn)中測(cè)量和提取，因此，目前國(guó)內(nèi)對(duì)柴油機(jī)噴霧特性的研究普遍采用這二者作為研究對(duì)象。一般的研究，通常采用高速攝像機(jī)等設(shè)備對(duì)噴霧狀態(tài)進(jìn)行拍攝，通過(guò)圖像處理技術(shù)得到噴霧特性。天津大學(xué)裴毅強(qiáng)[6]、張小雨[7]，陸軍裝甲兵學(xué)院王憲成[8]，廣西大學(xué)宛仕棖[9]等都是基于此方法研究了噴油器積碳對(duì)噴霧特性的變化規(guī)律。

2 噴霧質(zhì)量對(duì)缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的影響

噴霧質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響缸內(nèi)燃燒的效果。陸軍裝甲兵學(xué)院王憲成使用CONVERGE軟件仿真發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧燃燒模型，研究了積碳對(duì)燃燒過(guò)程中的燃空當(dāng)量比、溫度分布、燃燒放熱、缸壓的變化，模型最大誤差為3.2%[10]；趙文柱在單缸柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行積碳和未積碳噴油器的對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究[11]；天津大學(xué)史俊杰通過(guò)試驗(yàn)研究了噴油器不同擠研程度的霧化效果，并對(duì)燃燒放熱率峰值和壓力進(jìn)行了分析[12]；吉林大學(xué)江濤基于FIRE仿真軟件研究了高壓噴射狀態(tài)下的噴霧特性和燃燒過(guò)程中放熱量與壓力的結(jié)果[13]。

3 燃燒狀態(tài)對(duì)缸套磨損的影響

在氣缸內(nèi)，混合氣體燃燒產(chǎn)生的壓力通過(guò)曲軸連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，由于缸套、活塞環(huán)等組件長(zhǎng)期處于高溫高壓的惡劣工作條件下，因此極易產(chǎn)生磨損，當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就需要大修或報(bào)廢。陸軍裝甲兵學(xué)院李奇采用NovaNanoSEM450/650型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察運(yùn)行500h后的缸套和活塞環(huán)表面形貌，分析了缸套上、中、下三個(gè)位置存在的多種磨損類型，并推斷出形成機(jī)理[14]；北京理工大學(xué)楊振宇總結(jié)了缸套-活塞環(huán)摩擦副相互作用的6個(gè)主要因素[15]；上海交通大學(xué)孟祥慧經(jīng)試驗(yàn)研究，缸套-活塞環(huán)摩擦副產(chǎn)生的磨損，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的主要原因[16]；上饒師范學(xué)院何星針對(duì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)磨損在不解體情況下困難的問(wèn)題，通過(guò)建立磨損模型研究了環(huán)境條件和發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)磨損的影響，模型誤差4.2%[17]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中，工況變化的多樣性較為復(fù)雜，因此對(duì)于缸套-活塞環(huán)的磨損研究，一般是從穩(wěn)定載荷下的磨損開(kāi)始的，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)一步研究真實(shí)條件下的磨損量。劉峰璧基于粗糙面間的表面磨損，推導(dǎo)出輪廓概率密度計(jì)算方法，并建立二體磨損動(dòng)態(tài)模型[18]。

陸軍裝甲兵學(xué)院王憲成建立了動(dòng)載荷磨損計(jì)算模型，采用低階響應(yīng)面法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)求解相關(guān)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)證，表面粗糙度誤差最大為4.52%，磨損質(zhì)量誤差最大為6.15%[20]。

4 結(jié)論

目前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的研究較為廣泛，通過(guò)試驗(yàn)和仿真建模結(jié)合的方法進(jìn)行研究，可以有效地建立各因素之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)變量的影響規(guī)律，得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。下一步的研究，通過(guò)改變其他影響變量對(duì)模型進(jìn)行修正，建立高精度的實(shí)車(chē)運(yùn)行條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損模型。