氣門室罩蓋高溫?zé)g的仿真分析及改進(jìn)

韓艷艷

(奇瑞汽車股份有限公司 動(dòng)力總成技術(shù)中心,安徽 蕪湖　241009)

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)由多系統(tǒng)部件和多工作過(guò)程組成，任何一個(gè)部件或系統(tǒng)的改變都會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成影響。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)高性能的穩(wěn)定輸出，是各系統(tǒng)相互匹配、平衡的結(jié)果[1-2]。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理為一項(xiàng)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(dòng)機(jī)高功率密度、高性能、高排溫、排氣增壓后置及預(yù)催緊耦合式布置，與傳統(tǒng)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)相比，排氣側(cè)溫度場(chǎng)熱源零部件顯著增加。同時(shí)比傳統(tǒng)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)排溫升高近200 ℃。針對(duì)熱源高溫零部件對(duì)氣門室罩蓋帶來(lái)的燒結(jié)問(wèn)題，本研究基于Hpermesh、Flowmaster、CCM+等商業(yè)軟件建立模擬分析平臺(tái)[3-4]。從隔熱罩的形狀結(jié)構(gòu)及氣門室罩蓋的材料等方面進(jìn)行研究，通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終解決氣門室罩蓋燒結(jié)問(wèn)題。

1　問(wèn)題描述及建立模型

1.1　故障分析

圖1　氣門室罩蓋臺(tái)架試驗(yàn)燒結(jié)圖

某款增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氣門室罩蓋嚴(yán)重?zé)Y(jié)，如圖1所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)氣門室罩蓋燒結(jié)問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)主要是由兩方面因素導(dǎo)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(dá)到700 ℃，對(duì)罩蓋產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱輻射[5]影響。

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

1.2　整機(jī)模型搭建

整機(jī)模擬計(jì)算模型如圖2所示。

a)幾何模型　　　　　　　　　b)網(wǎng)格模型圖2　整機(jī)模型

為了更真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，與整機(jī)相關(guān)的模型均保留，尤其對(duì)排氣側(cè)的排氣歧管、增壓系統(tǒng)、預(yù)催以及隔熱罩等均與實(shí)物狀態(tài)保持一致，并對(duì)模型屬性進(jìn)行分類處理。

具體模型分類如下：

1)計(jì)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(yù)催上端錐、預(yù)催本體、預(yù)催下端錐。

3)本體模型：缸蓋、缸體、框架、油底殼、正時(shí)罩蓋、進(jìn)氣系統(tǒng)等。

4)熱保護(hù)模型：增壓器隔熱罩、預(yù)催上下隔熱罩、排氣歧管上下隔熱罩。

1.3　計(jì)算模型的處理

計(jì)算模型處理步驟為：

借鑒韓艷艷[6]等人的方法對(duì)于計(jì)算模型處理步驟如下：

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

2)在Hypermesh中，采用手動(dòng)修補(bǔ)破面，刪除多余模型表面，簡(jiǎn)化模型表面，分類劃分面網(wǎng)格，然后以nas格式導(dǎo)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(dǎo)入到CCM+中，進(jìn)行包面并修補(bǔ)處理，以提升面網(wǎng)格質(zhì)量，最后以ntl格式導(dǎo)入到熱輻射計(jì)算軟件中。對(duì)熱輻射計(jì)算軟件邊界參數(shù)設(shè)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(duì)比選擇

2.1　仿真模型再現(xiàn)故障問(wèn)題

仿真計(jì)算結(jié)果顯示，氣門室罩蓋的工作環(huán)境較為惡劣，溫度場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)較高，中尾部最高溫度區(qū)域達(dá)235 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的最高耐溫130 ℃的限值，且與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)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(jié)果見(jiàn)圖3、圖4和表2。

圖3　氣門室罩蓋溫度場(chǎng)仿真局部圖

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算結(jié)果模型

部件名稱采用材料計(jì)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(wèn)題解決方案及仿真分析

為了規(guī)避氣門室罩蓋高溫風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)分析分別采用以下幾個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

方案1：對(duì)增壓器隔熱罩形狀進(jìn)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(duì)增壓器隔熱罩形狀進(jìn)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(dǎo)致熱氣通過(guò)間隙上竄對(duì)氣門室罩蓋進(jìn)行熱傳導(dǎo)，因此對(duì)增壓器隔熱罩形狀進(jìn)行重新優(yōu)化，縮小此處間隙。優(yōu)化后模型及仿真結(jié)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(jié)果

測(cè)量點(diǎn)名稱試驗(yàn)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(jì)算可以看出，優(yōu)化增壓器隔熱罩外形結(jié)構(gòu)解決了氣門室罩蓋中部高溫?zé)釗p害問(wèn)題，但氣門室罩蓋尾部區(qū)域(即增壓器隔熱罩無(wú)法覆蓋區(qū)域)的溫度場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)依然存在。因此僅僅通過(guò)優(yōu)化增壓器隔熱罩單方因素?zé)o法完全規(guī)避氣門室罩蓋溫度場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2增加氣門室罩蓋隔熱罩(方案2)

對(duì)氣門室罩蓋隔熱罩進(jìn)行三種方案設(shè)計(jì)。

氣門室罩蓋隔熱罩方案1:

針對(duì)氣門室罩蓋高溫區(qū)域設(shè)計(jì)貼片式隔熱罩，并進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，如圖6所示，通過(guò)仿真計(jì)算的結(jié)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(fēng)險(xiǎn)。分析原因，主要是由于隔熱罩與氣門室罩蓋均為硬質(zhì)材料，由于零部件設(shè)計(jì)要求及相關(guān)NVH要求，無(wú)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(dǎo)致熱氣從間隙中間上竄，在此處區(qū)域形成熱結(jié)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(duì)罩蓋進(jìn)行保護(hù)，此方案既可以阻斷增壓器對(duì)氣門室罩蓋的熱輻射，又可以完全阻斷熱氣上升對(duì)罩蓋的熱影響。設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果如圖7所示。溫度場(chǎng)仿真結(jié)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(duì)工藝要求較高，同時(shí)存在對(duì)排氣歧管墊片的影響，雖然隔熱效果較好，但工藝風(fēng)險(xiǎn)和排氣漏氣風(fēng)險(xiǎn)較大。

氣門室罩蓋隔熱罩方案3:

結(jié)合氣門室罩蓋隔熱罩方案1、2的設(shè)計(jì)思路，綜合考慮方案1、2的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)氣門室罩蓋隔熱罩進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，如圖8所示。溫度場(chǎng)仿真結(jié)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(duì)比:

通過(guò)仿真計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，但仍然有小部分區(qū)域的溫度仿真值較高達(dá)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(fēng)險(xiǎn)。具體對(duì)比如表4所示。

表4　氣門室罩蓋隔熱罩仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

同時(shí)通過(guò)其他維度對(duì)三種方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比如表5所示。

表5　三種氣門室罩蓋隔熱罩綜合對(duì)比

通過(guò)對(duì)工藝、成本、影響、風(fēng)險(xiǎn)和隔熱效果五個(gè)維度對(duì)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(jìn)行樣件制作并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)算可以看出，單獨(dú)采用方案1優(yōu)化增壓器隔熱罩和單獨(dú)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(fēng)險(xiǎn)，因此需要提高材料的耐溫限值。經(jīng)過(guò)與氣門室罩蓋供應(yīng)商溝通，通過(guò)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(duì)比如表6所示。

表6　材料優(yōu)化前后耐溫限值對(duì)比

2.3　規(guī)避氣門室罩蓋溫度風(fēng)險(xiǎn)方案選擇

通過(guò)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(yùn)用在仿真計(jì)算時(shí)可以規(guī)避溫度場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。因此進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證該優(yōu)化方案。

3　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示 。

表7　氣門室罩蓋臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)仿真對(duì)比選擇的方案能夠很好的規(guī)避氣門室罩蓋溫度風(fēng)險(xiǎn)。

4　結(jié)論

采用Hpermesh和CCM+軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋燒蝕問(wèn)題進(jìn)行了很好的模擬再現(xiàn)，通過(guò)仿真對(duì)多方案進(jìn)行對(duì)比選擇，從多角度分析問(wèn)題的解決方法和途徑，找到最優(yōu)組合方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析一方面可避免多方案試驗(yàn)驗(yàn)證，節(jié)省試驗(yàn)資源，另一方面可大大節(jié)省解決問(wèn)題的時(shí)間。

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