某柴油機(jī)控制閥泄漏故障仿真分析

駱翠芳，李勛，曾凡，孫晶晶

濰柴動力股份有限公司發(fā)動機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

為改善柴油機(jī)的低工況性能和瞬態(tài)特性，特定柴油機(jī)上會采用相繼增壓技術(shù)[1]。相繼增壓技術(shù)通常采用4組渦輪增壓器，通過進(jìn)氣控制閥及排氣控制閥控制不同工況下投入運(yùn)行的渦輪增壓器組數(shù)[2]，使投入使用的每臺增壓器均在高效區(qū)工作，最大限度增加燃燒器進(jìn)氣量，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，確保柴油機(jī)不同負(fù)載下的平穩(wěn)過渡[3-5]。控制閥是相繼增壓系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要由閥片、閥座及電動機(jī)(或電磁閥)等組成，閥片與閥座間通過咬合實(shí)現(xiàn)閉合時(shí)密封，電動機(jī)(或電磁閥)控制其開合，控制閥性能及可靠性決定相繼增壓系統(tǒng)能否順利切換，閥片與閥座之間間隙設(shè)計(jì)的合理性決定控制閥功能的實(shí)現(xiàn)[6-7]。

目前控制閥閥體與閥片之間的間隙設(shè)計(jì)主要參考國外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，通過試驗(yàn)結(jié)果反復(fù)修改設(shè)計(jì)間隙[8]。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程 (computer aided engineering，CAE) 分析技術(shù)的發(fā)展及成熟，它在控制閥研發(fā)過程中起著重要作用，通過CAE技術(shù)可在設(shè)計(jì)階段找到潛在問題并可有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期[9-10]。本文中通過仿真分析控制閥間隙設(shè)計(jì)的合理性，并通過試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)控制閥正向設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 故障現(xiàn)象

某柴油機(jī)性能試驗(yàn)階段出現(xiàn)臺架連接管路用膠管被烤壞故障，經(jīng)排查確定故障原因?yàn)檫M(jìn)氣控制閥出現(xiàn)泄漏。該進(jìn)氣控制閥布置在壓氣機(jī)入口與中冷器之間，控制閥不工作時(shí)高溫壓縮空氣從中冷器倒灌到壓氣機(jī)入口，導(dǎo)致膠管被烤壞且變形?？紤]到該柴油機(jī)進(jìn)氣控制閥與排氣控制閥本體結(jié)構(gòu)相同，對進(jìn)氣側(cè)溫度為270 ℃和排氣側(cè)溫度為650 ℃的2個溫度段的泄漏量進(jìn)行計(jì)算，在解決進(jìn)氣控制閥故障的同時(shí)，對排氣控制閥設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證并排查。進(jìn)氣控制閥故障現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣控制閥故障現(xiàn)象

2 有限元模型建立

2.1 控制閥網(wǎng)格模型

原機(jī)的進(jìn)氣控制閥固定在增壓器壓氣機(jī)與中冷器之間，簡化后的三維有限元模型包括壓氣機(jī)進(jìn)氣法蘭、進(jìn)氣控制閥、中冷器進(jìn)氣接管及連接螺栓，控制閥三維裝配模型如圖2所示。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，控制閥計(jì)算模型如圖3所示，包括閥體、閥片及搖臂軸。為了提高求解精度，結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格均采用修正的四面體二階單元[11]。

圖2 原機(jī)控制閥三維裝配模型 圖3 控制閥有限元模型

2.2 材料屬性設(shè)置

控制閥閥件和閥片材料屬性如表1所示，表中材料屬性均為常溫狀態(tài)對應(yīng)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律在計(jì)算軟件中設(shè)置[12]。

表1 控制閥閥體和閥片材料屬性

2.3 邊界條件設(shè)置

控制閥閥體與閥片之間、閥片與搖臂軸之間的接觸均設(shè)置為可分離接觸對，其他接觸面均設(shè)置為綁定接觸對；排氣接管與排氣管連接螺栓處分別進(jìn)行x、y、z3個方向平動約束[13-14]；通過流場計(jì)算得出的壁面溫度及對流換熱系數(shù)作為控制閥溫度場計(jì)算的邊界條件[15]。

2.4 計(jì)算工況

主要計(jì)算工況設(shè)置為：螺栓小位移、最大螺栓預(yù)緊力、螺栓固定、熱機(jī)工況、冷機(jī)工況、熱機(jī)工況、冷機(jī)工況，通常發(fā)動機(jī)經(jīng)過2個冷、熱沖擊循環(huán)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，故本次控制閥計(jì)算僅進(jìn)行2個熱、冷機(jī)循環(huán)即可[16]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 溫度場計(jì)算結(jié)果

在CAE分析軟件中對控制閥分別進(jìn)行270、650 ℃溫度場計(jì)算，得到整個控制閥的溫度梯度分布，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖4 控制閥溫度場計(jì)算結(jié)果

由圖4可知，搖臂軸及閥片的溫度較高。該結(jié)果為后續(xù)熱變形計(jì)算提供輸入。

3.2 熱變形計(jì)算結(jié)果

根據(jù)控制閥工作環(huán)境，通過計(jì)算270、650 ℃ 2個溫度段閥片與閥體相對變形量，對控制閥間隙進(jìn)行評估[17-18]。溫度為270、650 ℃時(shí)控制閥熱變形計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖5 控制閥熱變形云圖

由圖5可知：溫度為270 ℃時(shí)，控制閥閥片相對與閥體最大變形為0.18 mm，閥片與閥體之間間隙相對常溫間隙變?。粶囟葹?50 ℃時(shí)，控制閥閥片相對于閥體最大變形為0.35 mm，閥片與閥體二者間仍存在間隙，相對270 ℃時(shí)閥片與閥體間間隙變小。將溫度為650 ℃時(shí)的控制閥相對變形放大20倍，由圖5b)可知，隨著溫度升高，控制閥閥片與閥體的相對變形增大，且垂直軸線徑向面變形量最大。

3.3 泄漏量CFD計(jì)算結(jié)果

在CAE分析軟件中導(dǎo)出270、650 ℃下熱變形計(jì)算模型網(wǎng)格后，提取流體域[19]，如圖6所示。采用計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)法計(jì)算控制閥氣體泄漏量。設(shè)置計(jì)算所需相應(yīng)入口壓力及出口壓力：270 ℃時(shí)，控制閥進(jìn)氣壓力為0.389 MPa，出口壓力為0；650 ℃時(shí)，控制閥進(jìn)氣壓力為0.318 MPa，出口壓力為2.7 MPa。經(jīng)計(jì)算，270 ℃工況時(shí)控制閥泄漏量為846 kg/h，650 ℃工況時(shí)控制閥泄漏量為468 kg/h?？刂崎y氣體泄漏CFD計(jì)算結(jié)果如圖7所示，圖中數(shù)據(jù)為泄漏速度與當(dāng)?shù)匾羲俦戎?，無量綱。由圖7可知，閥體與閥片之間泄漏區(qū)域主要集中在周向部分，隨著溫度升高，閥片相對閥體變形量變大，閥片與閥體之間間隙變小，從而泄漏量減少，所以冷態(tài)及熱態(tài)下閥片與閥體之間的設(shè)計(jì)間隙是解決泄漏的關(guān)鍵。

圖6 提取流體域示意圖

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖7 控制閥泄漏CFD結(jié)果

綜上，主要泄漏縫隙有2處，一處為閥座與閥片周向間隙，如圖8所示；另外通過CFD計(jì)算結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)另外一處泄漏縫隙為旋轉(zhuǎn)軸與閥座連接處的間隙，如圖9所示。

a)泄漏區(qū)域 b)泄漏縫隙示意圖圖8 閥片與閥座周向間隙 圖9 閥片與搖臂軸連接間隙

根據(jù)有限元分析結(jié)果對控制閥泄漏位置進(jìn)行優(yōu)化：1)以仿真計(jì)算結(jié)果中閥體與閥座相對變形做參考，重新優(yōu)化閥座與閥片周向間隙設(shè)計(jì)的公差帶，確保冷態(tài)時(shí)無泄漏熱態(tài)時(shí)無卡滯；2)通過增大旋轉(zhuǎn)軸直徑解決閥片旋轉(zhuǎn)軸與閥座連接處間隙過大問題。根據(jù)優(yōu)化方案試制樣件，樣件裝機(jī)后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)后對樣件拆解檢查，未出現(xiàn)因控制閥泄漏導(dǎo)致的連接膠管烤焦故障，優(yōu)化措施有效，可用于控制閥正向開發(fā)。

4 結(jié)論

以進(jìn)氣控制閥為研究對象，采用有限元分析軟件進(jìn)行溫度場、熱變形及泄漏量計(jì)算，用以復(fù)現(xiàn)故障狀態(tài)。

1)隨著溫度升高，閥體與閥片之間間隙變小，表明控制閥閥座與閥片之間間隙量需合理設(shè)計(jì)，太大易出現(xiàn)泄漏，太小則出現(xiàn)卡滯，造成無法順暢開啟；

2)隨著壓力增加，高溫空氣泄漏量增大，主要泄漏處為閥片與閥體間周向間隙及旋轉(zhuǎn)軸與閥片結(jié)構(gòu)處的間隙，通過合理設(shè)計(jì)2處間隙可減少泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3)對優(yōu)化閥片及閥體間隙后的控制閥樣件進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)連接膠管烤焦故障，驗(yàn)證了優(yōu)化措施有效，表明有限元、CAE、CFD相結(jié)合的仿真分析方法準(zhǔn)確有效，可用于指導(dǎo)控制閥正向開發(fā)設(shè)計(jì)。