低壓燃?xì)鈬娚涞退匐p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋優(yōu)化

王傳娟，夏雨，張國(guó)政

(中船動(dòng)力研究院有限公司，上海 201206)

0 引言

為使船舶經(jīng)濟(jì)效益最大化，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性日益加強(qiáng)，強(qiáng)化度不斷提高。相對(duì)于柴油機(jī)而言，低壓燃?xì)鈬娚潆p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高熱負(fù)荷持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，且可能存在早燃或爆震不正常燃燒，進(jìn)而引起機(jī)械負(fù)荷增加。缸蓋作為組成燃燒室的重要零部件之一，其設(shè)計(jì)難度也隨之相應(yīng)增大[1-2]。對(duì)于小缸徑低壓燃?xì)鈬娚潆p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言，微噴引燃噴油器的引入進(jìn)一步加大了缸蓋冷卻孔、噴油器孔等布置及優(yōu)化的難度。

為研究不同設(shè)計(jì)及布置方案對(duì)低壓燃?xì)鈬娚潆p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋性能的影響，提出了優(yōu)化缸蓋設(shè)計(jì)的一般措施。本文以缸徑為400 mm的二沖程雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為研究對(duì)象，建立計(jì)算模型，并進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定缸蓋溫度場(chǎng)計(jì)算的邊界條件。在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件對(duì)比研究不同冷卻方式、冷卻孔布置、微噴噴油器布置及不同缸蓋法蘭盤厚度對(duì)缸蓋局部應(yīng)力分布的影響。

1 有限元模型建立

合理的網(wǎng)格模型即要求保證計(jì)算精度，又要求計(jì)算效率高；此外，在進(jìn)行對(duì)比分析中，網(wǎng)格模型的一致性至關(guān)重要。缸蓋熱固耦合計(jì)算模型包括缸蓋、缸套、缸體、缸蓋墊片、排氣閥、閥殼、閥座、螺栓等。對(duì)非關(guān)注零部件采用粗網(wǎng)格，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注部位，如缸蓋冷卻孔、閥座及其余附件安裝孔采用細(xì)網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格模型

缸蓋優(yōu)化過(guò)程中，獲得準(zhǔn)確的溫度分布至關(guān)重要，其直接影響雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性?，F(xiàn)階段溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件主要有2種方式：一為根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在不同位置設(shè)置不同對(duì)流換熱邊界；二是利用缸內(nèi)燃燒和冷卻的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行迭代耦合計(jì)算。兩者各有利弊，本文為提高計(jì)算效率采用第1種方法確定邊界條件，后續(xù)根據(jù)溫度場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定以提高計(jì)算精度。

缸蓋在工作過(guò)程中，其應(yīng)力的主要來(lái)源有：(1)擰緊缸蓋螺栓所需要的預(yù)緊力；(2)氣體載荷導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)機(jī)械應(yīng)力；(3)由不同零部件因不同熱膨脹系數(shù)和缸蓋內(nèi)部溫度梯度所引起的約束熱膨脹而造成的熱應(yīng)力[3]。

低速發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓的預(yù)緊力既要保證缸蓋密封可靠性，又要在缸內(nèi)壓力過(guò)高時(shí)保證缸蓋及時(shí)抬升以提高發(fā)動(dòng)機(jī)安全性。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力設(shè)計(jì)為25 MPa，故缸蓋螺栓預(yù)緊力設(shè)計(jì)為5 056 kN。

2 缸蓋溫度場(chǎng)測(cè)試

為減少測(cè)點(diǎn)布置對(duì)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)而影響到缸套燃?xì)鈧?cè)壁面溫度，使用熱電偶并采用溫差法進(jìn)行溫度測(cè)量。用2個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)定一處溫度值，即在關(guān)注位置處布置2個(gè)存在位置差的熱電偶，如圖2所示。通過(guò)2個(gè)熱電偶測(cè)量值的差值，就可得到該處單位壁厚的溫降，進(jìn)而求得該處壁面溫度，具體計(jì)算如下：

圖2 數(shù)據(jù)采集示意

(1)

式中：x1、x2分別為2個(gè)熱電偶距離燃燒側(cè)的距離，mm；T1、T2分別為為x1、x2測(cè)點(diǎn)的溫度，℃。

為得到較為完整的缸蓋溫度分布，測(cè)點(diǎn)數(shù)目需要足夠多，但不能影響缸蓋結(jié)構(gòu)性能[4]。由于該缸蓋采用雙噴油器對(duì)稱布置，故僅將測(cè)點(diǎn)布置在一半?yún)^(qū)域中，且在垂直傳熱方向上，如圖3所示。共布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，采集4排4列共16處溫度數(shù)據(jù)。

細(xì)胞接種到培養(yǎng)板并依前述方法處理后，4 ℃下收集細(xì)胞培養(yǎng)上清液。取適量培養(yǎng)上清液按照IL-1β、IL-8、TNF-α測(cè)定試劑盒說(shuō)明書步驟操作(單位以pg/mL表示)。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)溫度場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行缸蓋燃?xì)鈧?cè)換熱邊界擬合計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)果及討論

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，低速發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的高應(yīng)力危險(xiǎn)區(qū)域主要集中在噴油器孔孔口、排氣閥殼螺栓孔和冷卻孔處。

3.1 排氣閥殼螺栓孔應(yīng)力優(yōu)化

不同缸蓋設(shè)計(jì)，其排氣閥殼螺栓孔所的應(yīng)力分布如圖4所示。其中(a)為常規(guī)設(shè)計(jì)，(b)和(c)均為特殊的沉孔設(shè)計(jì)，不同之處在于(b)設(shè)計(jì)中直邊對(duì)外，而(c)設(shè)計(jì)中直邊靠近燃燒室。從圖4可以看出，最大應(yīng)力均位于沉孔處，其中(a)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為590 MPa，(b)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力為569 MPa，(c)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力僅為540 MPa。相對(duì)(a)設(shè)計(jì)，(b)和(c)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力下降幅度分別約為3.6%和8.5%。

圖4 排氣閥螺栓孔應(yīng)力分布

3.2 冷卻孔應(yīng)力優(yōu)化

一般低速發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋冷卻方式分2種：一種為孔冷卻，冷卻效果好；一種為環(huán)槽冷卻，冷卻效果不如孔冷卻，因?yàn)橐_保缸蓋剛度，環(huán)槽一般距離燃燒室較遠(yuǎn)。本文研究對(duì)象采用的是孔冷卻，以便于對(duì)高熱區(qū)加強(qiáng)冷卻。

在保證其他設(shè)計(jì)條件不變，改變孔冷卻設(shè)計(jì)：(a)在缸蓋下部采用單排冷卻水孔設(shè)計(jì)，(b)在缸蓋下部采用雙層冷卻水孔，如圖5所示，不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下冷卻孔的應(yīng)力分布情況如圖6～7所示。從圖6～7可以看出，下層冷卻孔采用單排設(shè)計(jì)時(shí)，上層冷卻孔的最大應(yīng)力為690 MPa，下層冷卻孔的最大應(yīng)力為633 MPa；下層冷卻孔采用雙排冷卻孔設(shè)計(jì)時(shí)，上層冷卻孔最大應(yīng)力為660 MPa，下層冷卻孔的最大應(yīng)力為600 MPa；雙排冷卻孔設(shè)計(jì)相比單排冷卻孔設(shè)計(jì)，缸蓋上、下層的最大應(yīng)力分別下降4.3%和5.2%。

圖5 不同冷卻孔設(shè)計(jì)

圖6 缸蓋上層冷卻孔應(yīng)力分布

圖7 缸蓋下層冷卻孔應(yīng)力分布

3.3 缸蓋法蘭盤高度對(duì)應(yīng)力分布的影響

本文研究的缸蓋材料為16CrMo44，屈服強(qiáng)度為500 MPa，在計(jì)算過(guò)程中不考慮材料塑性特征，僅按彈性變形下的線性規(guī)律計(jì)算。從上述分析中可以看出，冷卻孔處的應(yīng)力遠(yuǎn)超屈服強(qiáng)度。這說(shuō)明缸蓋局部發(fā)生了塑性變形，使計(jì)算值遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際值。從單排孔設(shè)計(jì)改至雙排孔設(shè)計(jì)，螺紋孔處的應(yīng)力雖有改善，但依然超過(guò)屈服強(qiáng)度，且由于其為螺栓連接處，不允許此處發(fā)生塑性變形，故此處設(shè)計(jì)不滿足要求。

在保證燃燒室形狀及其余設(shè)計(jì)尺寸不變的情況下，增加缸蓋法蘭盤厚度。不同缸蓋法蘭盤厚度對(duì)排氣閥螺栓孔及冷卻孔應(yīng)力分布的影響如圖8～10所示。由圖可知，3種不同的缸蓋法蘭盤厚度(原設(shè)計(jì)厚度、原設(shè)計(jì)厚度增加20 mm及原設(shè)計(jì)厚度增加400 mm)對(duì)應(yīng)的排氣閥螺栓孔應(yīng)力分別為522 MPa、400 MPa和322 MPa；上層冷卻孔的應(yīng)力分別為730 MPa、630 MPa和551 MPa;下層冷卻孔的應(yīng)力為642 MPa、647 MPa和657 MPa。相對(duì)原設(shè)計(jì)，缸蓋法蘭厚度增加20 mm和40 mm的設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的螺栓孔的最大應(yīng)力值分別下降23.4%和39.3%；對(duì)應(yīng)的上層冷卻孔的最大應(yīng)力值分別下降13.7%和24.5%；但對(duì)應(yīng)的下層冷卻孔的應(yīng)力卻增加了，最大應(yīng)力值分別增長(zhǎng)了0.8%和2.3%。

圖8 排氣閥螺栓孔應(yīng)力分布

圖9 上層冷卻孔應(yīng)力分布

圖10 下層冷卻孔應(yīng)力分布

4 結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

1)特殊的螺栓孔沉孔加工有助于改善螺栓孔的應(yīng)力集中現(xiàn)象且易于實(shí)現(xiàn)，不僅可應(yīng)用于缸蓋設(shè)計(jì)，也可擴(kuò)展至其余螺紋孔設(shè)計(jì)場(chǎng)合。

2)缸蓋雙層冷卻孔設(shè)計(jì)可改善冷卻孔的應(yīng)力分布，但改善效果不明顯。

3)增加缸蓋法蘭厚度可明顯改善缸蓋上層的應(yīng)力分布狀況，但對(duì)缸蓋下層應(yīng)力分布不利，不過(guò)影響較小?？紤]到缸蓋毛坯成型過(guò)程，下層材料狀態(tài)優(yōu)于上層材料，從整體考慮，增加缸蓋法蘭厚度對(duì)缸蓋整體應(yīng)力分布有利。