某柴油機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動機研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

為改善柴油機的低工況性能和瞬態特性，特定柴油機上會采用相繼增壓技術[1]。相繼增壓技術通常采用4組渦輪增壓器，通過進氣控制閥及排氣控制閥控制不同工況下投入運行的渦輪增壓器組數[2]，使投入使用的每臺增壓器均在高效區工作，最大限度增加燃燒器進氣量，改善燃油經濟性，確保柴油機不同負載下的平穩過渡[3-5]。控制閥是相繼增壓系統的關鍵部件，主要由閥片、閥座及電動機(或電磁閥)等組成，閥片與閥座間通過咬合實現閉合時密封，電動機(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能否順利切換，閥片與閥座之間間隙設計的合理性決定控制閥功能的實現[6-7]。

目前控制閥閥體與閥片之間的間隙設計主要參考國外設計經驗值，通過試驗結果反復修改設計間隙[8]。隨著計算機輔助工程 (computer aided engineering，CAE) 分析技術的發展及成熟，它在控制閥研發過程中起著重要作用，通過CAE技術可在設計階段找到潛在問題并可有針對性地進行設計優化，縮短產品研發周期[9-10]。本文中通過仿真分析控制閥間隙設計的合理性，并通過試驗對仿真結果進行驗證，為后續控制閥正向設計開發提供參考。

1 故障現象

某柴油機性能試驗階段出現臺架連接管路用膠管被烤壞故障，經排查確定故障原因為進氣控制閥出現泄漏。該進氣控制閥布置在壓氣機入口與中冷器之間，控制閥不工作時高溫壓縮空氣從中冷器倒灌到壓氣機入口，導致膠管被烤壞且變形。考慮到該柴油機進氣控制閥與排氣控制閥本體結構相同，對進氣側溫度為270 ℃和排氣側溫度為650 ℃的2個溫度段的泄漏量進行計算，在解決進氣控制閥故障的同時，對排氣控制閥設計的合理性進行驗證并排查。進氣控制閥故障現象如圖1所示。

圖1 進氣控制閥故障現象

2 有限元模型建立

2.1 控制閥網格模型

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

圖2 原機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對應參數，相關參數隨溫度的變化規律在計算軟件中設置[12]。

表1 控制閥閥體和閥片材料屬性

2.3 邊界條件設置

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

2.4 計算工況

主要計算工況設置為：螺栓小位移、最大螺栓預緊力、螺栓固定、熱機工況、冷機工況、熱機工況、冷機工況，通常發動機經過2個冷、熱沖擊循環即可達到穩定狀態，故本次控制閥計算僅進行2個熱、冷機循環即可[16]。

3 計算結果分析

3.1 溫度場計算結果

在CAE分析軟件中對控制閥分別進行270、650 ℃溫度場計算，得到整個控制閥的溫度梯度分布，計算結果如圖4所示。

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖4 控制閥溫度場計算結果

由圖4可知，搖臂軸及閥片的溫度較高。該結果為后續熱變形計算提供輸入。

3.2 熱變形計算結果

根據控制閥工作環境，通過計算270、650 ℃ 2個溫度段閥片與閥體相對變形量，對控制閥間隙進行評估[17-18]。溫度為270、650 ℃時控制閥熱變形計算結果如圖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，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小；溫度為650 ℃時，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 ℃時閥片與閥體間間隙變小。將溫度為650 ℃時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計算結果

在CAE分析軟件中導出270、650 ℃下熱變形計算模型網格后，提取流體域[19]，如圖6所示。采用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)法計算控制閥氣體泄漏量。設置計算所需相應入口壓力及出口壓力：270 ℃時，控制閥進氣壓力為0.389 MPa，出口壓力為0；650 ℃時，控制閥進氣壓力為0.318 MPa，出口壓力為2.7 MPa。經計算，270 ℃工況時控制閥泄漏量為846 kg/h，650 ℃工況時控制閥泄漏量為468 kg/h。控制閥氣體泄漏CFD計算結果如圖7所示，圖中數據為泄漏速度與當地音速比值，無量綱。由圖7可知，閥體與閥片之間泄漏區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，所以冷態及熱態下閥片與閥體之間的設計間隙是解決泄漏的關鍵。

圖6 提取流體域示意圖

a) 270 ℃ b) 650 ℃圖7 控制閥泄漏CFD結果

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計算結構發現另外一處泄漏縫隙為旋轉軸與閥座連接處的間隙，如圖9所示。

a)泄漏區域 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

根據有限元分析結果對控制閥泄漏位置進行優化：1)以仿真計算結果中閥體與閥座相對變形做參考，重新優化閥座與閥片周向間隙設計的公差帶，確保冷態時無泄漏熱態時無卡滯；2)通過增大旋轉軸直徑解決閥片旋轉軸與閥座連接處間隙過大問題。根據優化方案試制樣件，樣件裝機后進行試驗驗證。試驗后對樣件拆解檢查，未出現因控制閥泄漏導致的連接膠管烤焦故障，優化措施有效，可用于控制閥正向開發。

4 結論

以進氣控制閥為研究對象，采用有限元分析軟件進行溫度場、熱變形及泄漏量計算，用以復現故障狀態。

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計，太大易出現泄漏，太小則出現卡滯，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軸與閥片結構處的間隙，通過合理設計2處間隙可減少泄漏風險。

3)對優化閥片及閥體間隙后的控制閥樣件進行裝機試驗，試驗過程中未發現連接膠管烤焦故障，驗證了優化措施有效，表明有限元、CAE、CFD相結合的仿真分析方法準確有效，可用于指導控制閥正向開發設計。