曹藝隆,王貴新,俞謙,趙嘉琪,朱甲梁
(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)
對(duì)于車(chē)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī),提高其功率密度一直是其主要的研究方向,這使得柴油機(jī)活塞的工作條件不斷惡化。氣缸壓力與往復(fù)慣性力不僅使其承受較大的機(jī)械負(fù)荷,周期變化的燃燒溫度和自身較大的溫度差異還使其承受巨大的熱負(fù)荷。
早期活塞溫度場(chǎng)的研究主要是通過(guò)對(duì)活塞模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,進(jìn)而評(píng)估其熱疲勞特性。1985年,張南林等將K48E型柴油機(jī)活塞模型視為軸對(duì)稱(chēng)模型,應(yīng)用邊界元法對(duì)活塞進(jìn)行了溫度場(chǎng)計(jì)算。2001年,丁宏偉應(yīng)用有限元分析軟件得到了活塞表面各部分的溫度分布。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)活塞溫度場(chǎng)的分析模型更為復(fù)雜,計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。2016年,李闖對(duì)某型柴油機(jī)活塞利用數(shù)值模擬方法,研究了具有9種不同形狀油腔的活塞溫度場(chǎng)分布。2017年,高鵬飛采用子結(jié)構(gòu)法對(duì)活塞溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析,得到了更精細(xì)的活塞溫度場(chǎng)。但通過(guò)計(jì)算分析得到活塞溫度場(chǎng)的方法存在局限性,燃燒室內(nèi)的渦流與活塞的振蕩冷卻很難得到計(jì)算模擬,同時(shí),計(jì)算結(jié)果也缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)活塞溫度場(chǎng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究方法主要方法有硬度塞法、熱電偶法、熱敏電阻、紅外熱像法、易熔合金法等。目前,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究一般在實(shí)機(jī)上進(jìn)行。Sihling等對(duì)四氣門(mén)高速外增壓柴油機(jī)氣缸蓋燃燒室的瞬時(shí)表面溫度變化進(jìn)行了測(cè)量,實(shí)測(cè)的局部平均瞬時(shí)換熱系數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果有很好的一致性。2014年,Enomoto等采用薄膜熱電偶測(cè)量了自然吸氣直噴式柴油機(jī)燃燒室的瞬時(shí)溫度,得到了各測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)熱流密度。但實(shí)機(jī)測(cè)量一直存在實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)成本較高、實(shí)驗(yàn)干擾大等問(wèn)題。
為了解決數(shù)值仿真和實(shí)機(jī)測(cè)試中面臨的問(wèn)題,本文詳細(xì)敘述了用于活塞溫度場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性,可以實(shí)現(xiàn)110mm缸徑以?xún)?nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度場(chǎng)測(cè)試,是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞正向研發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備。
實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的核心是保證活塞的換熱條件與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)一致。對(duì)于傳熱部分,采用乙炔火焰加熱,并產(chǎn)生一定程度的渦流。對(duì)于散熱部分,實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)活塞通過(guò)振蕩冷卻進(jìn)行散熱,需要對(duì)冷卻油與冷卻水的流量進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),達(dá)到相同的對(duì)流換熱系數(shù)。
為了滿(mǎn)足基本布局的要求,給出了三種設(shè)計(jì)方案,按照其控制方式,分為自動(dòng)控制方案、半自動(dòng)控制方案、手動(dòng)控制方案。通過(guò)對(duì)三種方案的對(duì)比分析,確定最終設(shè)計(jì)方案。
1.2.1 自動(dòng)方案
圖1 自動(dòng)方案結(jié)構(gòu)
自動(dòng)控制方案由直線運(yùn)動(dòng)模塊、角度控制模塊、進(jìn)給控制模塊、排溫與排氣模塊、冷卻水套與機(jī)架組成,該設(shè)計(jì)中所有運(yùn)動(dòng)件的控制均由程序自動(dòng)控制,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)到的數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)反饋到中央處理器,處理器通過(guò)閉環(huán)控制維持燃燒溫度的穩(wěn)定。
1.2.2 半自動(dòng)方案
半自動(dòng)方案的實(shí)驗(yàn)臺(tái)在自動(dòng)方案的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了控制,取消了一部分運(yùn)動(dòng)件;為了便于安裝和調(diào)節(jié),加大了結(jié)構(gòu)尺寸,考慮到排溫的要求,設(shè)計(jì)了排氣筒用于排煙。相比自動(dòng)方案的開(kāi)放式的燃燒室,半自動(dòng)方案的乙炔燃燒室四周封閉,僅通過(guò)煙囪與外界相連,該結(jié)構(gòu)保留了火焰與活塞表面距離調(diào)節(jié)的功能,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 半自動(dòng)方案結(jié)構(gòu)
1.2.3 手動(dòng)方案
手動(dòng)方案取消了全部由電機(jī)與相應(yīng)的控制系統(tǒng),模塊的運(yùn)動(dòng)依靠齒輪傳動(dòng),角度控制采取手動(dòng)調(diào)節(jié)。燃燒室沿用了自動(dòng)方案的開(kāi)放式設(shè)計(jì),但結(jié)構(gòu)尺寸有所擴(kuò)大,這一方面考慮到人工調(diào)控需要足夠的空間,另一方面,需要防止手輪等位置溫度過(guò)高。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 手動(dòng)方案結(jié)構(gòu)
自動(dòng)方案最主要的優(yōu)點(diǎn)在于自動(dòng)化程度較高,控制快速精準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)高度僅875mm,長(zhǎng)度、寬度僅400mm,整體結(jié)構(gòu)非常緊湊。由于火焰噴嘴設(shè)計(jì)有三個(gè)可以調(diào)控的自由度,只要活塞直徑不變,可以完成不同工況下的活塞溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn),具備較好的任務(wù)擴(kuò)展性能。其缺點(diǎn)在于較高的控制難度,要調(diào)控好數(shù)量較多的電機(jī)和電磁閥需要增多自動(dòng)控制模塊的接口,導(dǎo)致成本較高;同時(shí),整機(jī)散熱上存在一定的問(wèn)題,長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)將導(dǎo)致電機(jī)熱負(fù)荷也較大,影響程序控制。
半自動(dòng)方案相比自動(dòng)方案,降低了控制難度,同時(shí),還保持了較好的控制調(diào)節(jié)能力。由于半自動(dòng)方案提升了實(shí)驗(yàn)臺(tái)體積,加大了安裝和調(diào)試空間,提升了人機(jī)交互性能。同時(shí),該方案排溫效果也更好。由于設(shè)計(jì)了排溫機(jī)構(gòu),避免了排氣高溫對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)機(jī)體的過(guò)度加熱,故在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以提升加熱溫度,提高熱負(fù)荷的加載范圍。
手動(dòng)方案的特點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便,由于取消了價(jià)格較高的電機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備,使得其制造加工成本較低。其缺點(diǎn)在于,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速有效的控制,同時(shí),開(kāi)放式燃燒室在缺乏連續(xù)調(diào)節(jié)的情況下將無(wú)法保證傳熱散熱能夠更為穩(wěn)定。
綜上所述,從成本、研制難度以及實(shí)驗(yàn)精度3方面考慮,選擇半自動(dòng)方案為詳細(xì)設(shè)計(jì)的最終方案。
實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括4個(gè)模塊,其中2個(gè)模塊為功能模塊,另兩個(gè)模塊為電控?cái)U(kuò)展模塊。功能模塊是保證實(shí)驗(yàn)臺(tái)正常工作的基礎(chǔ),不可替換;擴(kuò)展模塊用于存放實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)
2.1.1 燃燒室臺(tái)架設(shè)計(jì)
為了便于調(diào)整活塞觀察燃燒效果以及測(cè)試設(shè)備的安裝,燃燒室的部分零件可通過(guò)臺(tái)架上的抬升機(jī)構(gòu)對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 燃燒室臺(tái)架結(jié)構(gòu)
2.1.2 活塞支撐臺(tái)架設(shè)計(jì)
由于活塞安裝到實(shí)驗(yàn)臺(tái)中后,還需要與冷卻油路的油管、熱電偶的導(dǎo)線相連,故需要考慮管路以及線路的布置。為了滿(mǎn)足以上需求,在臺(tái)架上設(shè)計(jì)滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)模組用以對(duì)活塞的推入與拔出,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 活塞支撐臺(tái)架結(jié)構(gòu)
其中,提升板與兩個(gè)滾珠絲杠直線運(yùn)動(dòng)模塊連接,活塞放置在機(jī)構(gòu)上端。當(dāng)提升板向下運(yùn)動(dòng)時(shí),活塞從燃燒室內(nèi)部拔出,只需要拆除活塞與活塞支撐管的連接螺釘即可完成活塞的更換。
冷卻系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)參考實(shí)機(jī)工作過(guò)程中的活塞缸套的工作條件,再結(jié)合普通液壓系統(tǒng)元器件的要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,如表1所示。
表1 冷卻系統(tǒng)參數(shù)
進(jìn)口及出口加溫度傳感器;進(jìn)口加流量傳感器;傳感器需接入PLC,便于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù),工作條件設(shè)定如表2所示。
表2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)
油泵將冷卻油泵入活塞,其轉(zhuǎn)速可以調(diào)整,油泵出口通過(guò)泄壓閥調(diào)定油路壓力,再通過(guò)節(jié)流閥調(diào)定流速。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,流速和壓力可以通過(guò)PLC系統(tǒng)控制,溫度通過(guò)傳感器采集,實(shí)驗(yàn)人員只需調(diào)整冷卻油流量保持出口溫度穩(wěn)定即可。對(duì)于液壓源,油泵采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵供油;溢流閥額定壓力2.5MPa。此外,油液需要有過(guò)濾功能,需要配置吸油過(guò)濾器;為了對(duì)冷卻油進(jìn)行冷卻,油路需要增加回油冷卻器。對(duì)于缸套冷卻,其原理和活塞冷卻相同,也需要單獨(dú)的泵站用于泵水,對(duì)回水管路依然需要冷卻水塔進(jìn)行冷卻。
燃?xì)庀到y(tǒng)包括氣瓶、燃?xì)夤?、燃燒倉(cāng)、控制元件與傳感器元件組成。制器選用西門(mén)子S7-200SMAR小型PLC,輸入采用直流漏型接法,輸出采用直流繼電器接法,輸出接中間繼電器。
燃燒倉(cāng)在點(diǎn)火時(shí),加熱啟??刂评^電器用于控制火焰監(jiān)測(cè)器加電,點(diǎn)火時(shí)程控閉合,點(diǎn)火失敗、異常熄火、停爐熄火和超溫熄火時(shí)程控?cái)嚅_(kāi)?;鹧姹O(jiān)測(cè)器加電后,按時(shí)序給高能點(diǎn)火器加電,控制高能點(diǎn)火槍點(diǎn)火;按時(shí)序使控制繼電器閉合,燃?xì)怆姶砰y開(kāi)通,向燃燒倉(cāng)供燃?xì)猓煌瑫r(shí),根據(jù)爐火狀態(tài)信號(hào),控制著火繼電器、熄火繼電器相應(yīng)動(dòng)作?;鹧嫣綔y(cè)器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)爐火狀態(tài),向火焰監(jiān)測(cè)器提供爐火狀態(tài)信號(hào)。熱電偶模塊選用EM231,PLC控制器利用熱電偶信號(hào)送達(dá)的信號(hào)測(cè)定燃燒倉(cāng)內(nèi)溫度。
燃燒室承受較高的熱負(fù)荷,實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以提供的最高燃燒溫度可達(dá)3000℃,這對(duì)燃燒室材料的選擇提出了極高的要求。為了校核燃燒室結(jié)構(gòu)的耐熱性能,依據(jù)各零件的溫度合理選擇材料,需要對(duì)燃燒室進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算。燃燒室內(nèi)溫度分布與燃燒室內(nèi)氣體流動(dòng)有關(guān),因此,需要考慮流場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響,這需要對(duì)燃燒室進(jìn)行流固耦合的仿真計(jì)算。
CFD計(jì)算采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)極限工況計(jì)算,既氣流入口溫度設(shè)定為最大燃燒溫度,入口速度設(shè)定為噴嘴能提供的最大噴射速度。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)臺(tái),燃料在噴嘴內(nèi)部就已經(jīng)混合燃燒,對(duì)于乙炔與氧氣的混合火焰燃燒溫度最高為3000℃,噴口流速最大為3m/s。流場(chǎng)和溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖7、8所示。
圖7 燃燒室內(nèi)流場(chǎng)
如圖7所示,由于火焰噴嘴采用了偏置布置,燃燒室內(nèi)部出現(xiàn)了繞燃燒室軸線旋轉(zhuǎn)的氣流。在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi),為了促進(jìn)燃料與空氣的混合,會(huì)產(chǎn)生進(jìn)去渦流,在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,可以通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴流速達(dá)到相似的渦流強(qiáng)度。圖8可見(jiàn)最高溫度為2701K,位置在火焰進(jìn)口處,燃燒室靠近火焰噴嘴處溫度均大于1000℃,故燃燒室必須選擇耐熱材料,均采用陶瓷制作。燃?xì)鉁囟瓤梢哉{(diào)節(jié),3000℃為該實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燒溫度的極限工況,實(shí)際燃燒溫度需要根據(jù)活塞工作狀況進(jìn)行確定,一般情況下,為保證活塞上表面溫度穩(wěn)定在500K左右,燃燒溫度需要控制在1200℃左右,防止過(guò)高溫度對(duì)活塞以及活塞上布置的傳感器產(chǎn)生破壞。
圖8 燃燒室固體域表面溫度場(chǎng)
本文詳細(xì)敘述了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì),并利用流固耦合仿真,確定了燃燒室材料,驗(yàn)證了燃燒室渦流的效果,得出如下結(jié)論:
該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以滿(mǎn)足活塞熱疲勞實(shí)驗(yàn)的要求,利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行實(shí)機(jī)外發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的實(shí)驗(yàn)分析。
利用偏置噴嘴可以在燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生繞燃燒室軸線旋轉(zhuǎn)的渦流,可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)機(jī)的氣體流動(dòng)狀態(tài)。
燃燒室與火焰接觸的零件應(yīng)該用陶瓷制作。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)處于極限工況,以最大燃燒溫度實(shí)驗(yàn)時(shí),燃燒室材料不產(chǎn)生融化等失效現(xiàn)象,在整個(gè)工況范圍內(nèi),燃燒室均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。