基于流固耦合的增压发动机火花塞烧蚀故障分析

作者:安徽江淮汽车股份有限公司 高 巧 陈龙华 喻 昆 发布时间:2016-02-25
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缸盖是发动机最为复杂和重要的零部件之一。在发动机运转过程中,缸盖不仅受螺栓预紧力、燃气爆发压力等机械载荷的作用,同时还受到复杂的热负荷影响,包括燃烧室、进排气道内气体与固体传热,以及水套内液体与壁面传热。增压发动机的爆发压力和燃烧温度都明显高于自然吸气式发动机,开发过程中需要对缸盖温度、热应力等进行分析校核,以减小因热疲劳引起的故障率。

在进行发动机缸盖温度和热应力分析时,由于受到计算机计算能力和求解方法的限制,很多情况下对于发动机温度场的施加都只采用分割表面加载平均温度和传热系数的方法,这样计算出来的结果势必会与实际情况有较大差异,特别在燃烧室鼻梁区等温度梯度大、应力相对集中的区域,计算结果存在很大误差。随着计算机技术的发展,计算方法也有了很大的改进。流固耦合方法在计算受热部件强度和安全问题上已逐渐被广泛采用。它能够将CFD计算与有限元计算进行耦合,发挥各自求解流体和固体之所长,提高计算准确度。

本文针对某1.5 T增压发动机试验过程出现的三、四缸火花塞烧蚀故障,采用Star CCM+和Abaqus两款主流CFD和有限元求解软件,对发动机缸盖进行流固耦合温度和强度分析,寻找故障产生原因,从而为发动机进一步改进指引方向。

 

流固耦合方法介绍

流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类:第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上,控制方程上的耦合是由两相耦合面上的平衡及协调引入的,如发动机缸体与水套中冷却水的热量传递等;第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起,难以明显地分开,使描述物理现象的方程,特别是本构方程需要针对具体的物理现象建立,其耦合效应通过描述问题的微分方程体现。

流固耦合问题求解时有两种方式:一种是两场交叉迭代,另一种是直接全部同时求解。由于两场交叉迭代需要很大的计算量,特别是对于发动机这种复杂结构,需要多次迭代之后才有可能收敛。为了节省计算成本,本文采用的方法是利用Star CCM+软件进行流体与固体温度场同时求解,得出温度分布后,将流体与固体交接面的传热系数和流体温度通过网格映射到Abaqus有限元的固体传热表面再进行缸盖有限元计算,这样就避免了多次迭代的过程。

 

发动机水套流固耦合求解

1.发动机整体网格划分

利用Star CCM+软件对发动机原始三维模型进行表面修复和重构,网格划分采用多面体网格,包含流体和固体两个求解域,对燃烧室鼻梁区、缸体交叉水道和缸垫过水孔等区域进行局部网格细分处理,保证网格划分质量。划分好的网格如图1所示,网格基本数据如表1所示。

2.发动机水套边界条件设定

边界条件是外界环境与计算域物理场的质量和能量交换参数。边界条件主要包括进出水口边界条件、热负荷边界条件(燃烧室壁面边界条件以及发动机外表面边界条件)。

1.进出水口边界条件设定

根据发动机水泵流量测试结果确定进水口边界类型为速度进口,流速为1.87 m/s,温度为358 K(84.85 ℃)。出口边界类型为压力出口,零压力梯度,出口温度设定为实验值363 K(89.85 ℃)。

2.热负荷边界条件

热负荷边界主要包括燃烧室顶盖、进气道、排气道、缸套内壁和发动机外表面五个部分。与燃烧室顶盖和气缸内壁接触的是燃烧室内高温气体,气缸内壁的中下部分还与活塞接触。燃烧室顶面与高温气体的换热方式主要是强制对流换热,热辐射换热占很小的比例。气缸内壁上部与高温燃气换热方式主要是强制对流换热,气缸壁中部既有与高温气体的对流换热又有与活塞的热传导换热,气缸内壁底部主要是与活塞的传导换热。进排气道与内部气体换热方式为强制对流换热。发动机外表面与周围空气的换热方式主要是自然对流换热。

根据已有经验数据,本文采用直接向气缸壁和排气道内壁输入能量的方式施加热负荷边界。首先根据经验公式,计算由冷却水带走的热流量Q可由公式计算:Q=q×P。

其中q为比热阻(kW/kW),P为发动机功率(kW)。汽油机的比热阻取值范围是0.4~0.6,在此取q=0.5 kW/kW。发动机各个区域热量流输入如表2所示。

发动机进气道仍按强迫对流计算,进气道内壁与新进气体的传热系数为300 W/m2・K。发动机周围空气温度取300 K(26.85℃),换热方式为自然对流换热,换热系数为10 W/m2・K。

3.发动机水套计算结果

计算的结果主要包括水套内冷却水的压力分布、速度分布、温度分布以及表面传热系数分布等。

其中冷却水的压力分布如图2所示,由图2可以看出,水泵处有一个明显的压力梯度变化,缸体整体压力比较平均,而且高于缸盖压力,缸盖四个缸压力分布有明显的压力差,从一缸到四缸呈递减趋势。

冷却水的流速分布如图3所示,可以看出,四个缸的冷却水流速明显存在差异,尤其是三缸,冷却水的流速很低,这对于发动机的冷却相当不利。

水套冷却水的温度分布如图4所示,可以看出,缸盖燃烧室区域、缸体过水孔以及排气侧温度较高,最高温度达到138.52 ℃。一般情况下,冷却液由50%乙二醇和50%水组成,在190 kPa压力下,冷却液的沸点为130 ℃。如图4所示,水套内最高温度已超过冷却液沸点,因此图4中三、四缸鼻梁区位置可能会存在局部的沸腾,轻微沸腾有利于提高换热系数,但如果过度沸腾则会引起气泡增加,热阻增大,导致该区域壁面过热,从而产生热疲劳,这也是本发动机三、四缸火花塞出现烧蚀现象的原因所在。

传热系数表示水套从发动机内部带走的热量的效率,传热系数越大,表面冷却液从缸盖和缸体单位时间带走的热量越多,水套的冷却效果越好。图5是发动机水套内部的传热系数分布:平均传热系数达到1 500 W/m2・K,在温度较高区域,传热系数超过10 000 W/m2・K,但是也可以看出第三缸的传热系数比其他缸的要低,这说明冷却水从第三缸带走的热量相对较少。

 

发动机缸盖有限元热强度计算

通过发动机水套的流固耦合求解,得出了较为准确的水套表面传热系数和温度分布,将该结果映射到发动机缸盖有限元网格上重新进行固体区温度分布计算,然后再施加缸盖螺栓预紧力、过盈配合力以及气缸压力等边界条件,便可以得出发动机缸盖的应力分布。

1.发动机缸盖有限元网格划分

发动机缸盖有限元模型中包含了发动机缸盖、气门座圈、气门导轨、缸盖螺栓、气缸垫以及简化缸体等,如图6所示。其中缸盖实体部分采用二阶四面体单元C3D10M,表面采用薄膜单元M3D3,气缸垫采用缸垫单元GK3D6N,其他部件都采用六面体单元C3D8。所示的有限元网格模型共包含节点601 968个,单元481 508个。各主要部件的材料属性如表3所示。

2.发动机缸盖有限元传热分析

将水套计算的传热系数与温度分布映射到有限元网格上,如图7所示,并对其余表面施加平均传热系数与温度,从而对缸盖进行传热分析,得出其温度分布,具体数值如表4所示。

通过Abaqus软件计算,得出缸盖的温度分布如图8所示,很明显可以看出,缸盖各缸的温度存在很大的差异性,一、二缸相对较低,三、四缸鼻梁区位置温度达到了254 ℃,这将降低该区疲劳强度。这与之前的分析一致,由于冷却水在该区域流速过慢,导致温度过高,发生局部沸腾,冷却不足,最终烧蚀火花塞,并且缸盖容易发生热疲劳。

3.发动机缸盖有限元强度分析

发动机缸盖的有限元热强度分析需要施加的载荷包括螺栓预紧力、气门座圈及导轨过盈配合力、热载荷以及缸压载荷,分别依据实验数据和设计值进行加载,得出缸盖的应力分布如图9所示。分析应力分布情况,可以看出,三缸和四缸燃烧室内应力相对较大,超过了200 MPa,这很大程度上是由于温度分布不均匀,热载荷过大引起的。发动机的热载荷又是交变载荷,随着发动机的启停,很有可能会发生低周热疲劳。

4.采用流固耦合方法与否结果对比

图10显示的是采用流固耦合方法和不采用流固耦合方法的缸盖温度分布区别,可以看出,不采用流固耦合方法的各缸温度基本一致,而且由于水套内采用平均温度和传热系数计算,导致实际传热系数和温度较大的燃烧室区域温度计算结果比实际的低,而且不能体现冷却不均导致的各缸温度差异性。

图11显示的是采用了流固耦合方法和不采用流固耦合方法的应力分布区别,可以看出,不采用流固耦合方法时,各缸的应力分布与温度分布一样,各缸差异较小,这与实际情况有很大的出入,不能分析试验中三、四缸火花塞烧蚀的原因。而采用流固耦合方法能很明显地体现出三、四缸由于温度过高引发的问题。

 

结语

本文针对某1.5T增压发动机三、四缸火花塞烧蚀故障,采用流固耦合分析的方法,分析了其缸盖温度与热应力,找到了故障产生的主要原因,为该发动机下一步优化指引了方向。

1.根据流固耦合计算结果,发现水套流道设计不合理,引起各缸压力、流速和温度分布不均,三、四缸鼻梁区冷却液最高138.52 ℃,发生局部沸腾,存在过热风险。

2.通过缸盖有限元传热和热应力分析,发现各缸燃烧室壁面温度和热应力分布差异很大,三、四缸鼻梁区温度最高达到254 ℃,热应力最大超过200 MPa,存在较大热疲劳风险。

3.对比是否采用流固耦合方法的计算结果,发现如果不进行流固耦合,则不能获知各缸温度与热应力分布差异性,无法进行故障诊断。

 

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