某增壓發(fā)動機(jī)排氣門溫度場分析及改善——張繼明

1、某增壓發(fā)動機(jī)排氣門溫度場分析及某增壓發(fā)動機(jī)排氣門溫度場分析及改善改善張繼明黃鳳琴張志明王偉民（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心湖北武漢430058）摘要:本文針對某增壓發(fā)動機(jī)可靠性試驗中出現(xiàn)的排氣門燒蝕問題，通過氣門測溫試驗和有限元仿真獲得了排氣門溫度分布。試驗和仿真均表明排氣門最高溫度超過了材料的耐熱極限是導(dǎo)致氣門燒蝕的主要原因。通過有效性驗證的仿真模型還分析了排氣溫度、閥座和導(dǎo)管材料以及導(dǎo)管的長度和位置等對排氣門溫度分布的影響。結(jié)果表明，通過標(biāo)

2、定控制燃燒、采用銅導(dǎo)管和銅閥座、采用長導(dǎo)管和將導(dǎo)管向燃燒室方向下移能將排氣門最高溫度818C降低到737C，有效改善排氣門工作環(huán)境，避免燒蝕現(xiàn)象。關(guān)鍵詞:排氣門燒蝕；排氣門溫度；有限元；仿真；試驗中圖分類號：U464.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：StudyImproveofaGasolineEngineExhaustValveTemperatureDistributionZhangJimingHuangFengqinZhangZhimin

3、gWangWeimin（DongFengMotCpationTechnologicCenterHubeiWuhan430058）Abstract：Ageometricallyaccuratethreedimensionalfiniteelementmodelofaturbogedengineexhaustvalvewasdevelopedtoanalyzetheexhaustvalveerosionoccurredinthereliab

4、ilitytest.Theexperimentalsimulationresultsshowthatthemaximumtemperatureofthevalveexceedsthethermallimitofthematerialwhichwasthemainreasonofthevalveserosion.Accdingtothecalibrationsimulationmodelwithcontrollingcombustionc

5、hangingtheguidevalvetocoppermaterialchangingthevalve’spositionlengththevalvetemperaturesharplyfrom818Cto737Cgreatlyimprovedtheexhaustvalveoperationenvironmentavoidtheerosionphenomenon.Keywds：ExhaustValveerosionExhaustVal

6、veTemperatureFEMSimulation；Experiment引言引言發(fā)動機(jī)氣門是發(fā)動機(jī)最重要的部件之一。氣門在工作中除了受到高溫氣體的沖蝕，具有很高的溫度梯度，還在落座時承受機(jī)械載荷，工作環(huán)境惡劣。氣門的壽命，尤其是排氣門，主要取決于氣門工作時的溫度。在發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中用有限元方法對氣門可靠性預(yù)測是一項很重要的工作在此項工作中保證較高精度的氣門溫度預(yù)測是預(yù)測可靠性的前提。R.Senthilkumar等[1]的實驗表明：氣門

7、的腐蝕與溫度的上升呈指數(shù)關(guān)系，氣門溫度為735C時，質(zhì)量損失為0.10grdm2hr。當(dāng)氣門溫度升高15C后，腐蝕導(dǎo)致的質(zhì)量損失超過兩倍達(dá)到0.22grdm2hr。這表明，小幅度的改善氣門的溫度能有效減少氣門的腐蝕。另外，閥座和錐面的腐蝕會使得氣門難以關(guān)嚴(yán)，使高溫燃?xì)飧Z到氣門頸部和盤部背面，在此形成熱斑，從而導(dǎo)致氣門的斷裂。L.C.Yang等[2]研究了點火提前角、空燃比和轉(zhuǎn)速對氣門分布的影響。TomaszS.Wisniewski等[3

8、]實驗研究了某款發(fā)動機(jī)的傳熱特性，實驗獲得了氣門錐面與閥座之間的導(dǎo)熱系數(shù)與機(jī)械載荷的關(guān)系，某些轉(zhuǎn)速下氣門閥座與氣門錐面、氣門桿部與氣門導(dǎo)管之間的換熱系數(shù)，并獲得了溫度、熱流密度與轉(zhuǎn)速和扭矩的函數(shù)關(guān)系。實驗還表明氣門桿傳遞到導(dǎo)管的熱量中70%是通過氣門桿部最底端的10mm部分傳遞的。桿部的其余部分換熱效果不明顯。一般認(rèn)為，減少傳遞到氣門的熱量與加強(qiáng)氣門向周圍件的換熱能力是降低氣門溫度的兩圖2有限元模型圖3氣門換熱示意圖ab圖4仿真與試驗測

9、點處溫度比較：a盤部；b桿部和圓弧過渡區(qū)2結(jié)果分析結(jié)果分析2.1間隙校核兩者之間的間隙顯著影響氣門桿與氣門導(dǎo)管之間換熱。當(dāng)缸蓋采用水冷時一般選擇較小的間隙而當(dāng)缸蓋采用風(fēng)冷時兩者之間間隙設(shè)計得較大。氣門與導(dǎo)管之間的冷態(tài)間隙定義過小，在工作中由于熱膨脹使得導(dǎo)管夾住氣門從而使得配氣機(jī)構(gòu)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。若氣門冷態(tài)間隙定義較小，氣門的熱變形大于缸蓋的熱變形并且吃掉氣門間隙同樣會使得氣門與閥座之間形成間隙，使得氣門關(guān)不嚴(yán)，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率下降；

10、極端情況下甚至導(dǎo)致氣門、活塞和曲軸等機(jī)構(gòu)的損壞。此增壓發(fā)動機(jī)排氣門與導(dǎo)管之間的間隙值為0.08mm，氣門桿桿徑5.5mm，氣門熱膨脹系數(shù)取131061K。若只考慮氣門熱膨脹，據(jù)此計算氣門桿部溫度需達(dá)到1100左右才能吃掉氣門與導(dǎo)管間的間隙；考慮到缸蓋和導(dǎo)管溫度都不高，工作中熱膨脹量較小，故實際工作中不會發(fā)生由于熱變形使得氣門導(dǎo)管夾住氣門。同樣的方法校核了氣門間隙，此增壓發(fā)動機(jī)冷態(tài)氣門間隙足夠，不會在工作中由于熱變形導(dǎo)致氣門關(guān)不嚴(yán)。2.2

11、通過標(biāo)定控制燃燒氣門燒蝕是將排氣歧管測點溫度設(shè)定在940C時發(fā)生，而此前測點的溫度設(shè)置為920C時所進(jìn)行的可靠性試驗并未出現(xiàn)明顯的氣門燒蝕現(xiàn)象。本文分析了測點溫度分別為920C和940C時，排氣門的溫度分布和熱變形量，結(jié)果如圖5所示。測點溫度由940C降低到920C后，氣門最高溫度由818C降低到801C，最高溫度降低17C。氣門桿軸向的膨脹量由0.693mm減小到0.681mm，平均溫度降低約7.5C。通過標(biāo)定控制燃燒能有效降低氣門工