柴油機活塞燃燒室加工參數優化

孫愛迪

摘要：為了探究柴油機活塞燃燒室加工的精準參數，提升其加工精度和加工質量。本文通過分析柴油機燃燒室基本結構與相關原理特點，利用CAXA軟件構建了活塞燃燒室網格計算模型，分別從裝夾方式、數控編程和數據傳輸等參數設置的確定，提出了深坑縮口型活塞燃燒室的數控化加工方案，并獲得了較好的實踐效果。

關鍵詞：活塞燃燒室;深坑縮口型;數控加工;參數優化;CAXA軟件

0? 引言

柴油機憑借其良好的燃燒經濟性、以及大扭矩等重要特征，被廣泛用于不同工業，且與人類生產生活息息相關。活塞燃燒室作為柴油機的心臟，其在工作狀態下，室內燃燒溫度可達800～1000℃以上，瞬間溫度可提升至2000℃。此時，處在高溫、高頻工作的活塞燃燒室極易出現不同程度的熱損傷問題，從而影響活塞工作的可靠性與耐久性。故此，國內外相關學者對其也做出了不少研究。例如，S.Tonini等人[1]利用Lagrangian模型研究分析了燃油噴射霧化蒸發過程的相關理論，為進一步優化活塞燃燒室結構及相關參數提供了參考;邱兆義等人[2]利用CAXA編程及DNC參數設置法，研究了柴油機活塞燃燒室的工藝結構，為實現活塞燃燒室的數控化加工及量化生產具有重要的實踐意義;張艷輝等人[3]通過AVL FIRE軟件建立活塞燃燒噴霧模型，針對燃燒經濟性及污染物排放對大氣環境造成的影響作為分析因子，提出優化方案。結果表明：在A25工況下，不僅可以降低燃燒室的熱損失，同時還減少氮氧化合物的排放量，與原參數設置相比，平均油耗也有所降低;吳崇榮等人[4]利用正交實驗和方極差分析法，針對柴油機燃燒室存在的多參數非線性現象，提出以雙ω燃燒室結構的優化方案，篩選出130°的最佳噴油夾角，使噴入燃燒室的燃油得以充分燃燒，有效提高了燃油經濟性，減少了NOX的排放量。鑒于此，本研究結合相關優化方案，通過改善活塞燃燒室環境，降低活塞工作時的熱負荷，從而達到提升柴油機整機工作性能及可靠性的目的。

1? 柴油機結構概述

活塞燃燒室位于活塞的頂部，其包括侯口和底部，是為燃料提供可充分燃燒的空間及場所，其燃燒結構、燃燒位置、大小與形狀，以及與燃油的匹配都將影響燃燒效率，即柴油機的做工工況[5]。然而，為了更好的了解和研究活塞燃燒室，這里首先從燃燒室的分類、結構及性能特點入手。當前應用在柴油機的主要有直噴燃燒室和分隔燃燒室兩類，見表1所示。

2? 活塞燃燒室結構模型及工藝參數

研究選取某6缸直列4沖程柴油發動機為對象，其燃燒室結構為典型的深坑縮口型[6]。利用CAXA軟件構建如圖1所示的計算網格模型，該燃燒室設有8孔噴油器，基于資源節約的計算角度，以1/8燃燒室（45℃扇形區）計算網格。

為提高深坑縮口？棕型燃燒室的燃燒效率，這里構建了該燃燒室的體積計算公式，旨在解決傳統加工工藝質量差、效率低等技術問題。

如圖2所示，深坑縮口？棕型燃燒室的容積計算方程如下：

3? 活塞燃燒室加工工藝優化策略

本文針對傳統加工工藝質量差、加工生產效率低等實際問題，這里結合深坑縮口型燃燒室的結構特點，提出現代化的數控網絡加工方案，以此規避常規生產中的技術難題。研究分別從裝夾方式、數控編程以及數據傳輸等三方面進行分析。

3.1 裝夾方式

活塞燃燒室的加工通常位于活塞端部，其不僅懸臂長、受力大，而且為了確保活塞裙部不被劃傷，故設置專用夾具。在裝夾時以止口盤和端面定位，利用設置的專用拉桿和受力筒將活塞銷孔與車床主軸拉緊，避免切削受力震動而造成部件加工誤差。

3.2 數控編程

為了確保數控加工的精度，通常借助自動化的編程手段來實現。由于數控機床系統的差異，在編程時其系統所匹配的程序頭、換刀和程序尾等參數的設置也不僅相同。這里利用CAXA的XP軟件即可完成活塞燃燒室的數控加工，其車削加工流程如下：

繪制活塞燃燒室輪廓圖→粗車內部輪廓→精車內輪廓→生成數控代碼→完成加工。

3.3 程序傳輸

為了確保編程數據與機床共享和傳輸，本研究構建了以太網與網絡拓撲結構的數據傳輸方案。利用CanHigher 公司提供的高性能NC 601A 專用智能處理器，將數控機床與計算機通過局域網連接，從而解決了通訊距離與通訊速率低的實際問題。數據傳輸主要包括以下步驟：

3.3.1 設置相關參數

第一步：設置機床端參數。由于這里所研究的是活塞燃燒室的車削加工，故機床端需要設置I/O通道和波特率參數，其他參數選取默認值，其中I/O通道是機床連接的通道號，可將其設置為A，波特率為19200 bps/s。

第二步，設置通信端參數。根據所用軟件，通過“添加機床”命令、打開“機床參數設置”對話框 ，按照對話框所示要求一一對應完成參數設置即可。

3.3.2 程序傳輸

在完成上述步驟中的相關參數設置后，即可通過軟件與機床的應答模塊實時完成數據傳輸任務。例如，可將活塞燃燒室的數控加工程序命名為“dg.01234.org”，機床作為車削加工的終端設備，通過服務器請求發送該代碼指令，當軟件接到任務指令請求后，即可將計算機所收到的加工指令共享給機床，此時機床即可完成該部件的數控加工。

4? 結論

在工業柴油機應用過程中，活塞燃燒室性能的優劣對柴油機的做工效率有著重大影響，尤其是活塞燃燒室的容積與選型尤為重要，其直接關乎柴油發動機的動力響應、NOX的排放量以及燃油的經濟性等。故本文通過對某深坑縮口？棕型燃燒加工參數優化的研究，打破了傳統單純依靠模型加工的流程，從而提出數控化的加工方案，對改善活塞燃燒室的燃料燃燒效率，實現該型燃燒室的量化生產具有重要的實踐意義。

參考文獻：

[1]S.Tonini et al.The role of droplet fragmentation in high-pressure avaporating dinesel sprays[J].Intemational Joumal of Thermal Sciences，2010，48：554-570.

[2]邱兆義，熊峰，張明武，等.柴油機活塞燃燒室的網絡化數控加工實現方案[J].船電技術，2010（07）：33-35.

[3]張艷輝，杜輝，孫傳紅，等.基于數值模擬的某柴油機燃燒室優化研究[J].內燃機工程，2018，39（2）：89-92.

[4]吳崇榮，魏勝利，盧泓坤，等.柴油機燃燒系統多參數多目標優化研究[J].機械設計與制造，2019（2）：13-17.

[5]肖鵬，王海軍.柴油機燃燒室形狀的發展歷程[J].商用車與發動機-汽車與配件，2013（11）：47-49.

[6] 徐元利，姚春德.高強化柴油機燃燒過程的優化研究[J].內燃機工程，2011，32（03）：32-36.