天然氣發(fā)動機氣缸蓋冷熱沖擊試驗方法研究

李徐東，吳宇波，李朝陽

(上海新動力汽車科技股份有限公司，上海 200438)

0 前言

天然氣由于燃燒污染小、儲量豐富等特點，被認為是傳統(tǒng)汽車燃料的替代品之一，美國、德國、日本等國家都相繼制訂了天然氣動力應(yīng)用的發(fā)展規(guī)劃。針對天然氣發(fā)動機的燃燒和排放特性[1]、稀薄燃燒技術(shù)和天然氣噴射技術(shù)[2]等，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量理論和試驗研究。

目前，市場上大部分天然氣發(fā)動機都是在現(xiàn)有柴油機平臺上進行開發(fā)，而氣缸蓋作為柴油機的易損部件[3]，在周期性熱機械負荷作用下，氣缸蓋內(nèi)壁會出現(xiàn)裂紋，裂紋向外表面擴展最終導(dǎo)致缸蓋失效[4-6]。吳飛等[7-8]通過仿真模擬氣缸蓋溫度場，探究氣缸蓋火力面的熱負荷分布，為發(fā)動機熱機耦合分析提供了傳熱邊界條件。Grieb等[9]研究了柴油機上不同材料氣缸蓋的熱機械壽命預(yù)測模型。大部分文獻只針對柴油機氣缸蓋失效進行探究，而對天然氣發(fā)動機的氣缸蓋試驗研究較少。

由于天然氣發(fā)動機的缸內(nèi)燃燒溫度較柴油機更高，氣缸蓋會承受更大的熱負荷，一般的可靠性試驗方法無法充分評估天然氣發(fā)動機氣缸蓋的開裂風(fēng)險[10]。為此，本文在某型號天然氣發(fā)動機氣缸蓋上加裝熱電偶傳感器，分析冷熱沖擊耐久循環(huán)工況中氣缸蓋溫度場的變化，以期為天然氣發(fā)動機氣缸蓋冷熱沖擊耐久考核提供有效參考。

1 冷熱沖擊試驗設(shè)計

目前，對于乘用車、商用車的水冷天然氣發(fā)動機一般都采用《汽車發(fā)動機性能試驗方法》(GB/T 19055—2003)中的可靠性試驗方法進行零部件耐久考核[10]?？煽啃栽囼灧椒òㄘ摵稍囼灪屠錈釠_擊試驗，冷熱沖擊試驗是考核發(fā)動機可靠性的重要方法，受到各大汽車廠商的重視[11]。

1.1 試驗設(shè)計

冷熱沖擊試驗設(shè)計如圖1所示，其中實線表示油門全開。單個循環(huán)時間為6 min，共分為4個階段。第1階段，發(fā)動機通過自行加熱，達到規(guī)定的冷卻水出口溫度tp(一般為發(fā)動機制造廠自行規(guī)定的溫度)，并達到最大凈功率轉(zhuǎn)速np，此時油門全開；第2階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降至怠速ni，此時不加載負荷，持續(xù)15 s，期間冷卻水出口溫度自然上升；第3階段，發(fā)動機停機15 s；第4階段，發(fā)動機啟動，不加載負荷，轉(zhuǎn)速快速拉升到np或者高怠速nhi，直到單個循環(huán)結(jié)束。

圖1 發(fā)動機冷熱沖擊工況示意圖

在上述冷熱沖擊試驗中，第1階段(熱沖擊)以冷卻水出口溫度作為判定條件，由于氣缸蓋沒有經(jīng)過充分的加熱，第2階段和第3階段的怠速和停機使得第4階段(冷沖擊)相對柔和，冷熱沖擊效果下降，因此本文通過改變試驗工況中的冷卻水溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，分析不同的冷熱沖擊工況下氣缸蓋關(guān)鍵位置的溫度變化。

1.2 試驗準備

試驗采用的天然氣發(fā)動機是基于某柴油機平臺開發(fā)的，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

試驗發(fā)動機氣缸蓋材料為HT 280，在關(guān)鍵位置打孔安裝熱電偶傳感器，共設(shè)置18個測點，如圖2所示。其中：1號、15號測點在第1缸和第6缸火花塞孔附近，5號、14號測點在第2缸和第3缸排氣閥座附近，3號、4號、6號、8號、10號、12號和17號測點分別在第1缸至第6缸的進、排氣門橋間，9號、13號和18號測點分別在第3缸、第4缸和第6缸2個進氣門橋間，2號、7號、11號和16號測點分別在第1缸、第3缸、第4缸和第6缸2個排氣門橋間，測點到火力面垂直高度為5 mm。熱電偶型號為KX191A-K-INC-1000-1.5，測量溫度范圍為-40～1 100 ℃，通過ETAS ES 620溫度模塊進行溫度信號采集，采樣頻率為1 Hz。

圖2 試驗測點布置示意圖

2 氣缸蓋溫度場分析

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下氣缸蓋溫度場分析

冷熱沖擊試驗中冷卻水出口溫度決定了熱沖擊階段的時間，為了研究不同的冷卻水出口溫度對發(fā)動機氣缸蓋溫度的影響，選取冷卻水出口溫度為95 ℃和103 ℃時，測量穩(wěn)態(tài)工況下氣缸蓋的各測點溫度變化情況，如圖3和圖4所示。

圖3 冷卻水出口溫度為95 ℃時各測點溫度

圖4 冷卻水出口溫度為103 ℃時各測點溫度

由圖3和圖4可知，2種冷卻水出口溫度下氣缸蓋各測點在額定點1 900 r/min的溫度均高于扭矩點1 400 r/min的溫度，且隨著轉(zhuǎn)速下降氣缸蓋溫度呈逐漸下降趨勢。如圖5所示，通過對比2種冷卻水出口溫度下氣缸蓋在額定點的溫度差異可知，相同測點之間溫度相差在4～8 K。在不同氣缸的相同測點位置溫度分布趨勢相同，火花塞孔附近溫度最高，其次是2個排氣門橋間，而2個進氣門橋間溫度最低，其中第6缸火花塞孔附近溫度與進氣門橋間的溫差達到了80 K，因此氣缸蓋內(nèi)火花塞孔附近熱應(yīng)力最大，在評估氣缸蓋開裂風(fēng)險時應(yīng)當注意火花塞孔附近的缸蓋狀態(tài)。

圖5 2種冷卻水出口溫度下氣缸蓋各測點溫度的對比

當發(fā)動機額定點氣缸蓋溫度高于扭矩點氣缸蓋溫度，且冷卻水出口溫度較高時，氣缸蓋的各個測點溫度達到最大值，因此在設(shè)計冷熱工況的熱沖擊階段使發(fā)動機達到額定點，并且在合理范圍內(nèi)提高冷卻水出口溫度可以達到最佳的熱沖擊效果。

2.2 不同冷沖擊工況對氣缸蓋溫度場的影響

由上文可知，不同缸內(nèi)相同位置的測點具有相同的溫度分布趨勢，因此以發(fā)動機第1缸為例，探究標準冷熱沖擊試驗工況，改變冷沖擊階段的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和冷卻水出口溫度等條件在低怠速和高怠速工況下進行冷熱沖擊試驗，觀察氣缸蓋溫度場的變化規(guī)律。

2.2.1標準冷熱沖擊試驗的氣缸蓋溫度場分析

標準冷熱沖擊試驗工況見表2，其中工況1(熱沖擊階段)冷卻水出口溫度設(shè)定為103 ℃，工況1到工況2、工況2到工況3的轉(zhuǎn)換在5 s內(nèi)完成，工況3到工況4的轉(zhuǎn)換在15 s內(nèi)完成。

表2 標準冷熱沖擊試驗工況

測點溫度趨勢圖如圖6所示。在工況1(熱沖擊階段)隨著冷卻水出口溫度的升高上述測點溫度逐漸升高，最高可以達到260 ℃左右，在工況2、工況3下冷卻水出口溫度緩慢上升，但測點溫度下降較快，測點的最低溫度在135～140 ℃，在工況4(冷沖擊階段)，測點溫度在160～170 ℃。由圖6可知，在標準冷熱沖擊試驗工況下溫差可以達到100～150 K，在冷沖擊階段測點溫度緩慢上升。

圖6 標準冷熱沖擊試驗工況下的測點溫度變化

2.2.2低怠速冷熱沖擊試驗的氣缸蓋溫度場分析

標準冷熱沖擊試驗工況是以冷卻水出口溫度、循環(huán)時間作為判別條件，熱冷沖擊階段持續(xù)時間較短，而中間怠速和停機工況會使冷沖擊效果降低，因此基于標準冷熱沖擊試驗，提出了低怠速和高怠速冷熱沖擊循環(huán)工況，其中低怠速冷熱沖擊循環(huán)工況見表3。

表3 低怠速冷熱沖擊試驗工況

當冷卻水出口溫度達到103 ℃以后，繼續(xù)保持高轉(zhuǎn)速高負荷狀態(tài)直到氣缸蓋溫度穩(wěn)定之后，取消原來工況2、工況3的怠速及停機工況，將冷卻水溫度立即變?yōu)?0 ℃進行低怠速冷卻，直到氣缸蓋冷卻到最低溫度并保持一段時間。該工況下各測點的溫度變化趨勢如圖7所示。

圖7 低怠速冷熱沖擊試驗工況下的測點溫度變化

從圖7可知，在氣缸蓋的溫度穩(wěn)定后立即開始降溫后，測點溫度下降較快，最低溫度在60 ℃左右，測點的最高溫度與最低溫度之間的溫差可達180～220 K，與標準的冷熱沖擊工況相比，低怠速冷熱沖擊工況的冷沖擊效果明顯。

2.2.3高怠速冷熱沖擊試驗的氣缸蓋溫度場分析

高怠速冷熱沖擊試驗工況見表4，相比低怠速冷熱沖擊試驗工況，高怠速冷熱沖擊試驗工況在冷卻階段發(fā)動機保持高轉(zhuǎn)速，冷卻水出口溫度設(shè)置為30 ℃。

表4 高怠速冷熱沖擊試驗工況

該工況下各測點的溫度變化如圖8所示。對比低怠速冷熱沖擊試驗工況可知，冷卻水出口溫度切換時測點溫度下降較快，當測點溫度穩(wěn)定后維持在120～140 ℃，最大溫差只有100～150 K。

圖8 高怠速冷熱沖擊試驗工況下的測點溫度變化

綜上所述，標準冷熱沖擊試驗工況下的氣缸蓋溫差只有100～150 K，并且狀態(tài)維持時間較短，而高怠速冷沖擊試驗工況的冷沖擊效果比標準冷熱沖擊工況要好，但其氣缸蓋溫差仍然較小，而低怠速冷熱沖擊試驗工況的冷沖擊冷卻效果明顯，并且氣缸蓋溫差可達180～220 K，這種溫差對于天然氣發(fā)動機氣缸蓋冷熱沖擊考核是比較合理的。

因此，低怠速冷熱沖擊試驗相對于標準冷熱沖擊試驗和高怠速冷熱沖擊試驗更具考核意義，可以通過增大熱沖擊階段冷卻水出口溫度或減小冷沖擊階段的冷卻水出口溫度來得到更大的冷熱沖擊溫差。綜合考慮試驗循環(huán)時間，氣缸蓋在熱沖擊、冷沖擊后的穩(wěn)定時間為20～30 s，本文提出了建議工況，見表5。

表5 冷熱沖擊試驗建議工況

3 結(jié)論

本文通過在天然氣發(fā)動機氣缸蓋上安裝熱電偶，研究了冷熱沖擊試驗工況下氣缸蓋的溫度變化，并改變冷卻水出口溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)，提出了低怠速冷熱沖擊工況和高怠速冷熱沖擊工況，分析這2種工況下氣缸蓋的溫度變化差異，最終提出了比較合理的冷熱沖擊工況參數(shù)。

(1)發(fā)動機穩(wěn)定在額定點工況下，火花塞孔附近溫度最高，進氣門橋間的溫度最低，在評估氣缸蓋的開裂風(fēng)險時應(yīng)當注意火花塞孔附近的缸蓋狀態(tài)；冷卻水出口溫度在103 ℃時氣缸蓋溫度較高，冷卻水出口溫度與氣缸蓋溫度呈正相關(guān)，因此在合理范圍內(nèi)，增加冷卻水出口溫度可以提高冷熱沖擊試驗工況下的熱沖擊效果。

(2)在標準冷熱沖擊試驗工況下，1個循環(huán)內(nèi)氣缸蓋最大溫差在100～150 K，并且維持時間較短；在取消了標準冷熱沖擊試驗工況下的怠速和停機工況后，高怠速冷沖擊工況雖然冷沖擊效果相比標準冷熱沖擊試驗工況更好，但氣缸蓋溫差仍較小；低怠速冷熱沖擊工況冷沖擊冷卻效果明顯，并且氣缸蓋的溫差可達180～220 K，此時的溫差對于氣缸蓋冷熱沖擊考核是比較合理的，綜合分析后提出了冷熱沖擊試驗的建議工況。