增壓發動機排氣門燒蝕實驗分析及改進

甘黎明 彭友成 秦麗萍

摘要：某三缸發動機在耐久性試驗和熱負荷試驗后，拆檢發現排氣門存在黑色斑點的腐蝕和燒蝕現象。為此，本文通過AVL FIRE軟件對氣缸套進行改進優化，旨在降低排氣溫度。結果表明：優化后的氣缸套使排氣溫度在中高轉速工況下降低了80-100攝氏度;對優化后的氣缸套進行耐久性試驗，拆機檢測發現，排氣門底面完好無損，成功解決了排氣門的腐蝕和燒蝕問題。

Abstract： After the durability test and thermal load test of a three-cylinder engine， the exhaust valve has black spots of corrosion and ablation after disassembly and inspection. For this reason， this article uses AVL FIRE software to improve and optimize the cylinder liner， aiming to reduce the exhaust temperature. The results show that the optimized cylinder liner reduces the exhaust temperature by 80-100 degrees Celsius at medium and high speeds; the optimized cylinder liner was tested for durability， and the disassembly test found that the bottom surface of the exhaust valve was intact， which was successfully resolved. The problem of corrosion and ablation of the exhaust valve is solved.

關鍵詞：氣缸套優化;排氣門燒蝕;數值模擬;排氣溫度

Key words： cylinder liner optimization;exhaust valve ablation;numerical simulation;exhaust temperature

中圖分類號：U464 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0092-03

0 ?引言

隨著人類不斷的發展，汽車成為人們生活不可缺少的重要組成部分。近年來，隨著人類需求的不斷擴大，向大氣排放有毒氣體和顆粒物，使人類的生存環境面臨嚴重挑戰。近年來我國出現的大范圍的霧霾天氣，臺風盛行，極端暴雨天氣，這些都和我們人類活動息息相關。近年來，為改善地球環境，提出了“碳達峰，碳中和”的發展思路。目前人類能量來源依然是石油化石能源，而汽車是消耗化石能源的主要動力源，其燃燒性能，動力性能，排放特性對環境起到重要的作用。因此各大汽車生產商不斷開發新技術，開發新的燃燒系統，如PCCI，HCCI，RCCI發動機等。增加技術過去一直應用于柴油機，近年來，為了提高燃燒效率，減少污染物的排放，增壓技術廣泛應用于汽油發動機。隨著渦輪增壓技術的運用，燃燒溫度和壓力進一步升高，對氣缸、活塞、排氣門等零部件提出了更高的要求。

本文通過國內外研究和實驗發現[1-3]，增壓發動機對排氣門由于排放溫度的提高而發生腐蝕問題，稱為燒蝕[4，5]。為解決此類問題，本文首先通過實驗分析，數值計算的方法對氣缸蓋的水套進行結構優化，降低排氣門溫度，從而降低燒蝕現象的發生，為增壓發動機的開發提供借鑒和指導。

1 ?實驗分析

三缸機有很多優點，如排量小，體積小，重量輕，節省燃油等優點。本文以某型號1.2升汽油機進行耐久性試驗發生氣門燒蝕問題展開，該發動機的參數如表1所示。當耐久性試驗運行至第11循環，熱機過程中聽到監控音箱有爆震聲，停機檢查發現第2缸排氣門燒蝕。如圖1所示。

從圖1中可以看出，排氣門出現了嚴重的燒蝕現象，由光滑的排氣門平面轉變為凹凸不平的平面。一方面是由于燃燒石油產生的酸性氣體對平面具有腐蝕的作用;另一方面，由于發動機經常在高負荷下運轉，所需噴油量增加，排氣溫度提高，對排氣門產生嚴重的燒蝕現象。通常解決燒蝕問題的方法主要有：①通過減少燃油噴射量，或者推遲點火時刻，以達到降低排放溫度;②對排氣門進行及時冷卻散熱，由于排氣門與氣缸套緊密結合，降低氣缸套的溫度，是達到降低排氣門溫度的有力措施;③升級排氣門的材料，使用耐溫特性更高的材料，提升氣門的耐高溫性能。

2 ?氣缸套改進模擬分析

如前所述，為了解決由于燃燒溫度過高而產生的燒蝕問題，本文采用第二種方法，即改善氣缸蓋的散熱問題。在原氣缸蓋結構不變的情況下，進一步優化氣缸蓋水套的流道組織，增強傳熱特性，從而達到給排氣門降溫的效果。水套優化主要是通過優化缸墊上水口分布以及優化上水口尺寸，實現冷卻液的流量更加合理的分配，達到優化氣缸蓋燃燒室熱量分布，避免形成局部高溫現象：

①優化1處上水口，大尺寸的上水口優化成數個小尺寸上水口，并且水口分布更加均衡;

②優化2處上水口，基于水泵總體流量不變的前提下，減小此處上水口尺寸，使得更多的冷卻液往1處流動，帶走更多排氣側熱量。改進前和改進后，氣缸套的模型如圖2所示。對氣缸套進行網格劃分，設置邊界條件，初始值，利用AVL FIRE軟件對流固耦合進行模擬仿真。

圖3分別給出了改進前和改進后氣缸套的傳熱系數。從圖中可以看出，改進后氣缸頂部的氣缸蓋的傳熱系數均較小，但在氣缸邊緣區域，傳熱特性明顯增強。這是因為流體在氣缸套區域傳熱特性增強，有利于流體吸收熱量，溫度升高，此時當通過氣缸套頂部流出時，由于流體溫度較高，溫差降低，傳熱系數降低。因此通過本次優化和改進，缸蓋水套燃燒室部分換熱系數明顯提升，缸體水套換熱系數趨于均衡，有效改進燃燒室外部區域的散熱，從而有利于降低氣缸燃燒時的溫度，減輕排氣門的溫度。

圖4為氣缸套俯視溫度分布圖，從圖中可以看出，改進后氣缸套的總體溫度分布偏低且較為均勻。在流體出口附近，改進后的模型出口溫度較高，這是因為改進后的模型傳熱系數較大，氣缸套與流體的傳熱增強，在相同的流體流量下，液體的溫度增高，帶走更多的熱量。圖5為原水套和改進水套溫度的對比，從圖中不難發現，原水套存在局部溫度過高的情況，這不利于發動機的正常工作，局部溫度過高，導致潤滑油溫度增高，潤滑效果下降，甚至出現燒機油的危險工況。缸蓋水套變更后，缸蓋最高溫度降低了31°C，缸體最高溫度不變，但溫度場分布更加均衡。因此通過對氣缸套的增強換熱優化，可以適當降低排氣溫度。

圖6是對氣缸套優化前和優化后樣機排氣溫度的對比圖，從圖中可以看出，在低速狀態下（1000-2300rpm），排氣溫度和優化前并無多大差別。隨著轉速的升高（2300-5500rpm），此時優化后的模型對排氣溫度的降低效果較為顯著，降幅在80-100度區間。圖7是氣缸套改進后，對發動機進行可靠性耐久性和熱負荷試驗，拆機檢查氣缸套和排氣門的效果圖。和優化前（圖1）的情況相比較，優化后，氣門沒有出現腐蝕和燒蝕顯現。可見通過對氣缸套進行強化散熱，可有效的解決腐蝕和燒蝕問題。

3 ?結論

本文對針對三缸發動機進行試驗研究，發現排氣門出現了腐蝕和燒蝕現象，針對該問題，對氣缸套進行改進，改善其散熱和冷卻特性。并結合試驗對優化后的模型進行了試驗研究。我們得出以下結論：①通過對進氣套優化之后，隨著發動機轉速的提高到中高轉速時，優化后的模型排氣溫度降低80-100度。②對優化后的發動機進行耐久性試驗和熱負荷試驗，拆機觀察發現，氣門完好無損，因此，對氣缸套進行強化散熱可以解決排氣門腐蝕和燒蝕問題。

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