（车辆工程专业论文）内燃机零部件热负荷分析及改进研究.pdf

摘要 摘要 本论文主要内容为内燃机零部件的热负荷进行了试验研究与分析。对于热 负荷问题的分析，一方面来自大量国内外学者的相关学术论文的阅读与深入理 解：另一方面来自于同济大学汽车学院与无锡油泵油嘴研究所联合开展的3 7 6 型发动机热负荷试验项目。本论文是在理论的基础上与实际工作相结合完成的， 使得文章的内容更具有实践意义。 首先了内燃机在工作中产生热负荷和热冲击的原因；分析了会属在高 温条件下的物理性能与常温条件下的不同，以及其性能改变对内燃机热负 荷的影响。其次，论文详细介绍了内燃机零部件热负荷试验的方案设计和 布置，对活塞采用了硬度塞方法，气缸盖采用了热电偶方法。 由于计算机技术日新月异，对内燃机零部件热负荷的有限元分析要大 量借助于计算机技术。使用a n s y s 分析软件对活塞和缸盖的稳态温度场， 热应力场作了模拟计算。为了降低热负荷，确保零部件工作的可靠性，论 文又提出了结构改型的几点意见和方案，并再次通过有限元分析软件得到 验证。 关键词：热负荷，硬度塞，热电偶，有限元，温度场 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i si sa b o u tt h et h e r m a ll o a de x p e r i m e n ta n da n a l y s eo nc o m b u s t i o n e n g i n e sc o m p o n e n t s i tc o m e sn o to n l yf r o mr e a d i n ga n dd i g e s t i n gs om u c ht e c h n i c a l i n l a n da n di n t e r n a t i o n a ld o c u m e n t s ，b u ta l s of r o mt h et h e r m a le x p e r i m e n tp r o j e c to i l 3 7 6m o t o r , w h i c ho r g a n i z e db ya u t o m o b i l ec o l l e g e ，t o n g j iu n i v e r s i t ym a dw f i e r i t o g e t h e r t h a tm e a n st h et h e s i si sb a s e do nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e f i r s t l y , i ti n t r o d u c e dt h ec o m b u s t i o ne n g i n e 。sw o r k i n gc h a r a c t e r , w h i c hr e s u l t st o t h e r m a ll o a da n dt h e r m a ls t r i k e a b o u tt h e r m a le x p e r i m e n t ，t h et h e s i st r i e dt h e r m a l b o l t ( h a r d n e s sb o l om e a s u r e m e n to np i s t o n ，a n dt r i e dt h e r m a lc o u p l eo nc y l i n d e r h e a d s i n c ec o m p u t e rp l a y sam o r er o l li ne n g i n e e r i n gf i e l dn o w a d a y s ，t h ef e a ( f m i t e e l e m e n ta n a l y s e ) c o u l dm a k et h e r m a la n a l y s em o r ee f f i c i e n t t h es t a b l et h e r m a lf i e l d a n dt h e r m a ls t r e s sf i e l do np i s t o na n dc y l i n d e rh e a dw e r es i m u l a t e du n d e ra n s y s s o f t w a r e i no r d e rt oo p t i m i z et h et h e r m a ll o a ds i t u a t i o n ，t h ea u t h o rg i v e ss o m e c o n c e p t sa b o u tr e c o n s t r u c t i o na n dc a l c u l a t e dt h et h e r m a ll o a do no p t i m i z e dm o d e l s k e y w o r d s ：t h e r m a ll o a d ，h a r d n e s sb o l t ，t h e r m a lc o u p l e ，f i n i t ee l e m e n t ，t h e r m a lf i e l d 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项 内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的 印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有 权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提 下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 咖o c 年孑日1 2j e t 菇 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名： 年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：磁欠 2 0 口6 年驴月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究内燃机热负荷的意义和目的 内燃机是一种高效率的动力机械，随着当代人类社会的不断进步和发展，其 应用范围也越来越广。内燃机工业在国民经济中占有很大的比重，它带动了能源、 钢铁、化工、电子和通信等一系列产业的发展，由于其具有高资金投入，高技术 密集和高附加值产出的特点，它在工业发展进程中占有显赫的地位。 作为当今世界上各种交通工具的主要动力来源，内燃机给世界带来了现代物 质文明，尽管已经经历了一个多世纪的发展，它的综合性能至今仍不能令人满意， 它的发展远远没有达到其顶点，在可靠性、动力性、经济性以及排放控制方面还 需要不断地改进。 车用内燃机作为一种热能动力机械，它的运转离不开“热”的传递，这种热 的传递在很大程度上决定了内燃机的可靠性、经济性及其它各项重要技术经济指 标。如：内燃机的某些受热零部件会由于温度过高而失去工作能力，包括因高温 而烧蚀或熔化、变形、材料强度或硬度的下降、润滑油膜的破坏、排气灰分的熔 化等。而内燃机受热零部件的热疲劳破坏，是对内燃机运转可靠性的又一个重要 威胁。内燃机的这些因“热”或“温度”引起的故障，即使是在强度载荷度都很 低的内燃机上也己普遍反映出来。例如：缸套、活塞、活塞环、气阀、伐座等摩 擦副的使用寿命不长，燃烧室，活塞顶等容易烧蚀，喷油器的可靠性不够，缸盖、 活塞、缸套等易产生裂纹或至破坏而报废等，这些故障都属于热负荷故障。 在工程上对内燃机进行强化设计时，主要是提高其平均有效压力和速度( 活 塞速度或曲轴转速) ，这就意味着单位时间内燃机释放的热量增加，显然在原有 的结构基础上热负荷会有所增加。 内燃机工作过程中各零部件的受力、变形情况复杂，包括机械应力、机械变 形和热应力、热变形等。其中，活塞和气缸盖是内燃机主要的受热部件，由于它 们受热面积大、散热条件差，因而热负荷问题最为严重，热应力相当大，一般为 机械应力的数倍甚至数十倍，在工作中这些受热件往往因为温度过高而失去工作 能力。甚至被破坏。 随着电子技术和材料科学的进步，随着世界科技的不断进步，工程工作者对 内燃机的发展有了更多的概念，本文就是从车用内燃机最基本的性能，即可靠性 出发，提出热负荷在内燃机中的作用，零部件的热负荷试验方法，以及有限元分 析热负荷的计算方法。 第l 章绪论 因此，为了进一步改善现有内燃机的综合技术性能，以适应未来社会发展需 求，需要研究分析受热零件热负荷的过程，这对提高内燃机强度和优化内燃机设 计非常关键。 1 ，2 内燃机的受热零部件 通常活塞和气缸盖是内燃机中最主要的受热零部件，也容易发生热负荷故 障，它们的可靠水平，直接决定了整台内燃机的可靠性水平，因而也成为工程人 员重点考察的对象，参见内燃机装配示意图1 1 ，自上而下依次为进排气机构， 气缸盖，活塞组，气缸体等等。 图i i 内燃机机装配不惹图 活塞在内燃机中属于活塞组，活塞组包括活塞、活塞销、和活塞环等在气缸 里作往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。内燃机的 工作可靠性与使用耐久性，在很大程度上与活塞组的工作清况有关。活塞、活塞 环与气缸一起保证发动机工质的可靠密封，否则活塞式发动机就不能正常运转。 作为内燃机的主要运动件之一，活塞组成内燃机燃烧室的一个面，处于高温高压 燃气以及往复惯性力的作用下，并且在很高的机械负荷下高速滑动，一旦润滑状 况不理想，就会遭受强烈的磨损。在活塞的损伤模式中以热负荷、热疲劳、热腐 蚀为主的损伤占有很大的比例，具体表现为热裂、烧顶等现象。实践经验表明， 活塞组零件的寿命决定发动机的修理间隔。在大功率强化发动机中，活塞组的热 负荷往往限制了发动机的强化潜力。而活塞正是活塞组乃至内燃机的重要部件， 实现活塞的轻量化设计可以提高发动机的比功率、比扭矩、降低比油耗、减轻整 第1 章绪论 机重量、改善整机性能，并且对社会的科技进步、经济发展带来很大影响。由此 可见，提高活塞组零件特别是活塞的工作可靠性和耐久性具有极其重要的意义。 气缸盖同样是内燃机中结构最复杂、热负荷最高的零件之一。气缸盖直接受 到高温高压燃气的作用，其热负荷高低随内燃机型式、结构、性能指标等而变 化。大量实验表明气缸盖所吸收热量要占到燃油发出总热量的5 1 5 ，气缸盖 热裂损坏是内燃机常见的故障之一。气缸盖的裂缝通常位于底板的火焰面。对于 两气阀的气缸盖，裂纹可能在进排气阀孑l 之间( 汽油机) 或者排气阀与喷油嘴之 间的鼻梁区( 汽油机) 产生。如果是四气阀结构，则裂纹可能在两个排气阀之间， 或者排气阀与喷油嘴之间的鼻梁区产生。裂纹通常是气缸盖经过长期工作后产生 的，它有一个萌生及扩展过程。最初出现裂痕是一些很浅的细纹，其中有一道细 纹的深度及宽度不断增加并与别的细纹汇交在一起形成主裂纹。主裂纹能够释放 气缸盖这一部分的应力，这样其它的细纹便消失了。这类裂纹的萌生和扩展过程， 在高强化度的二冲程和四外程内燃机的气缸盖上均遇到过。因此利用有限元分 析来找到缸盖的应力集中区有很大指导意义。 气缸盖是否会产生热裂，火力面的工作温度是决定性因素。气缸盖的热裂破 坏是由于残余热应力引起的蠕变，即受热表面的长期变形或膨胀受到约束而产生 压应力及应变。对气缸盖的常用材料来说，如果温度超过3 5 0 ，其抗蠕变能力 就明显下降。受热表面所达到的温度水平，不仅与受热状况有关，而且与冷却侧， 水套设计散热的强弱有关。 要评价活塞、气缸盖的热负荷，最直观而有效的方法是求得它们的温度场， 从温度场就可总观活塞、气缸盖温度的全貌及其热流分布是否合理，以便为其热 负荷的改善指明途径，同时温度场还是求取热应力和热变形的主要依据。根据求 得的应力和变形，就可以判断活塞和气缸盖在工作状况下的疲劳强度，以及冷热 形状，为优化设计提供依据。 对于活塞和气缸盖的热负荷，可通过进行内燃机热负荷试验首先求出特定部 位的温度值，由此决定受热零部件的温度场与热应力的约束条件，进而采用有限 元方法对受热零件进行温度场模拟，并结合已知点的温度和第三类边界条件对其 进行结构优化，以改善该零件的热负荷问题。 有限元模拟分析技术具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势，已经发 展成为内燃机性能研究的重要手段，如果能够提供准确的边界条件和初始条件， 模拟计算在很大程度上能够替代耗费高、工作量大的试验。因此，试验和模拟计 算的结合运用是最合理的研究方法，试验可以提供模拟计算所需的边界和初始条 件，计算可以弥补试验所无法完成的任务。 传统上，内燃机活塞设计多采用经验值和理论计算来预测活塞在内燃机中运 第1 章绪论 行时的温度场分布。但是该方法受到一定因素的制约( 如活塞型式、边界条件等) ， 只能近似模拟活塞的温度场，如想得到真实的数据，必须进行装机试验。活塞在 内燃机里运行时的温度场测试在活塞设计的过程中是一个不可取代的环节。在活 塞热负荷的研究中，温度测量则起着举足轻重的作用。以前对活塞的分析往往将 活塞视为轴对称结构，这样做忽略了活塞的很多复杂结构，不能真实的体现活塞 的受热情况。因此要想充分认识活塞的受热状况，就必须正确分析活塞的非轴对 称热变形，这可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据，改善在受热工况下活 塞与气缸壁之间的配合状况。准确地分析热应力可以为改善活塞的换热条件，避 免因热应力造成破坏提供基本的分析依据。 1 3 国内外在这个领域目前的状况 随着现代内燃机的不断强化，单纯的经验设计已经不能解决现代内燃机面临 的问题，特别是被长期被忽视了的热负荷问题。随着对内燃机认识的深化和科学 技术的发展，各国对热负荷问题都加深了研究，并提出了各种实验手段。其中特 别是计算机仿真技术为分析活塞的热状态提供了强有力的手段，一旦设计者能够 提供符合实机情况的热边界条件，活塞、缸盖等受热件的热状态便可以较为逼真 地模拟出来。温度场的测量试验不但为仿真计算提供了一套可靠的边界条件，同 时也是对受热件热负荷进行实际观察和考核的主要手段。比如，德国的i a v 公 司利用m a t l a b 语言，基于内燃机缸内热力学过程开发的c a l i b r a t i o n 程序，能够 对进排气温度压力，充气效率，缸内温度压力等进行仿真。 另一大趋势是，国外对内燃机传热过程和热负荷的研究，把缸内流动、燃烧、 对流换热、辐射换热、燃烧室整体部件耦合起来进行分析，从内燃机的整个设计 过程来分析，优化整体设计方案，大大缩短内燃机开发周期和减少试验工作量。 我国在热负荷试验和分析方面的研究起步较晚，目前大部分工作还集中在对 若干内燃机零部件失效性分析，可靠性校核等局部问题上，与国外同业相比确实 还相对比较落后，为了缩短差距，提高国内对内燃机的设计和分析水平，我们还 需要做大量有益的工作。 4 第l 章绪论 1 4 本论文研究的对象和方法 随着内燃枫的功率提升，其零部件的热负荷也随之提高，通过试验与分析相 结合的研究方法，旨在校核其活塞、缸盖的热负荷情况，并且根据分析的结果， 提出结构改型的建议。 针对不同的零部件( 活塞、缸盖) 根据实际情况采用不同的试验方法。具体 的测量方法有两大类：非电测法和电测法。前者包括硬度塞法、易熔金属法、氪 化法及示温涂料法，后者包括热电偶法和热敏电阻法。一般的，非电测只能记忆 某一工况下的温度，而电测法可以连续测量不同工况下的温度。 图1 2 发动机测温方法 用来测量温度的方法也可分为接触式测量和非接触式测量两种。接触式测量 由热电偶温度计、热电阻温度计、双金属温度计等，其中热电偶是目前世界上科 研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它具有结构简单、制作方便、 测量范围宽、准确度高、热惯性小等各种优点。热电偶既可以用于流体温度测量， 也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。且直接输 出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制。 非接触式温度测量方法包括光学辐射式高温计和红外辐射仪等。近年来，随 着激光技术尤其是计算机技术和图像处理技术的发展，光学测量方法已趋于完 善，由于光学干涉条纹能反映出气体介质的密度，因而可用来定量测量缸内燃烧 温度场。本论文主要研究内燃机零部件的热负荷问题，因此，本论文主要讨论活 塞和缸盖的测量方法，但其他部件的测量也会简要提到。 在具体操作中，考虑到经济性和可靠性，本论文选择了硬度塞法测量活塞温 度，热电偶方法测量缸盖温度，试验的细节在下文第二章中会有介绍。对于试验 后的计算分析，要借助计算机软件完成。首先要完成内燃机活塞、缸盖的建模， 由p r o e n g i n e e r 软件制作完成，然后通过h y p e r m e s h 软件划分三维网格，生成有 限元模型。然后要在有限元模型的基础上代入热交换第三类边界条件，使用有限 第1 章绪论 元分析软件a n s y s 进行模拟分析计算得到活塞和缸盖的温度场和热应力场。两种 软件的实际用途和具体使用方法本文第三章将作具体介绍。最后，针对试验和有 限元分析得到的活塞、缸盖温度场和应力场，可以找到其相应的薄弱环节，本论 文从结构出发提出改型优化的方案，并且在有限元模型中进行模拟分析，这是第 四章的内容，也是论文的实践意义所在。 1 5 难点和关键 活塞、缸盖的有限元研究分析有两个主要难点，一是几何造型特别复杂，二 是其热边界条件难以确定。本论文所使用的结构模型完全来自生产原图，贴近实 际，为了保证计算质量，有些局部单元划分比较精细，计算规模较大。本论文的 第三类边界条件的燃烧室条件来自b o o s t e r 计算流体力学软件，其余则综合参照 各类文献资料的经验，经过若干次的试算后，所得到的温度场与实际情况是比较 吻合的。 通过c a e 软件进行有限元分析得到的结果当然要通过实践和实验来最终证 明其正确性。根据所搜集的资料说明两者的结果是基本相符的，两者在温度场和 应力场大小趋势上具有一致性，更重要的是有限元方法预测到的内燃机在高温下 由于热疲劳所发生严重变形，破坏和裂缝的部位与实验结果一致。不过也存在一 些差别，特别在温度数值上有明显的差别。这些差别可归因于以下一些原因： 第一，实验数据包括所有的热负荷和爆炸压力的效果。另一方面，在我们的 f e m 有限元的分析中只考虑热效应，忽略了机械应力的影响。但是在两个数据 间较小的差距也证明了机械应力的效果相对较小。 第二，随着测量仪器的进入造成燃烧条件，受热状况的改变，比如火力面区 域的热传递和机械强度会因为安装硬度塞，热电偶而改变。 第三，有限元分析法没有考虑因为排气支管的运动，冷却介质的不均等原因 引起的各汽缸之间的边界条件的变化。事实还说明这些分析的精确性很大程度上 依赖我们对问题的理解以及方程中边界条件的精确性。 第2 章热负荷试验设计 第2 章热负荷试验设计 为了分析内燃机故障产生的原因和探讨解决办法，往往需要测量和分析活塞 和气缸盖的温度值和温度场分布，并求得热应力分布，为设计者提供必要的参考 依据。目前经常被采用的内燃机温度测量方法有易熔合金法、示温涂料法、热电 偶法和硬度塞法等等。 与无锡油泵油嘴研究所合作进行某型号内燃机热负荷试验项目，旨在校核该 内燃机功率提升以后内燃机零部件的可靠性，向未来可能的结构改型和优化提供 依据和指导。考虑到该试验的经济性和可靠性，在总结各项资料的基础上，本论 文对活塞采用成本低廉，技术成熟，精度适当的硬度塞方法，对缸盖采用相对复 杂一些的热电偶试验方法，其优点在于精度可靠，可重复性强。 2 1 简介 2 1 1 内燃机工作特点 内燃机工作时的温度分布和各部分所受到的热应力，与内燃机的工作特点， 内燃机的型式，所采用材料的物理特性，工作环境都有联系，也涉及到传热学， 热力学上的相关知识。 对内燃机热力学的研究是对内燃机性能研究必不可少的一部分，这与内燃机 的工作原理有关。现在一般的车用内燃机是四冲程的内燃机，它的实际工作过程 是由四个连续的循环所组成，即进气过程，压缩过程，燃烧和膨胀过程，排气过 程。通过表可以比较一下四冲程内燃机实际循环各阶段工质参数变化， 表2 1四冲程内燃机实际循环各阶段工质参数 状态进气终了压缩终了燃烧终了做功终了排气终了 压力 8 5 9 53 0 0 0 5 5 0 04 5 0 0 9 0 0 02 0 0 5 0 01 0 5 1 2 0 柴油机 k p a 温度k 3 0 0 3 4 09 7 0 11 7 01 8 0 0 。2 2 0 01 0 0 0 1 2 0 07 0 0 “9 0 0 压力 8 0 、9 015 0 0 “2 5 0 03 0 0 0 6 5 0 03 0 0 6 0 01 0 5 1 2 0 汽油机 k p a 温度k 3 4 0 。3 8 06 7 0 “8 7 02 2 0 0 2 8 0 01 2 0 0 15 0 09 0 0 。11 0 0 第2 章热负荷试验设计 从表2 1 中可以看出虽然汽油机和柴油机的各个循环阶段的工质温度和压 力都很高。如此高的温度存在，会在内燃机内造成很高的热应力和引起热疲劳。 而且在各种工况下温度场，温差都不一样。甚至各个循环阶段的热流方向也不同， 如在进气和压缩的前半段，是缸壁向工质( 可燃混合气体) 放热，而燃烧和做功 阶段则由工质向缸壁放热，这些过程会对内燃机的工作性能造成复杂的影响。 内燃机的冷却系统也要考虑各种因素，比如在排气终了后，进气刚开始的时 候到可燃气体燃烧前，汽缸内的温度如果太低将会影响混合气体的雾化，特别是 柴油机，由于其喷入的是液态燃料，要在极短的时间里靠空气的流动和高温雾化， 而空气的高温除了受压力升高而升温外，主要要靠在经过进气道时壁面对它传 热。而如果冷却系统造成受热零件过大的温度梯度的话也会引起很大的热应力使 得零件出现裂缝，造成故障。 内燃机中的零部件在制造中都事先考虑到其高温工作环境，一般都采取了形 状和尺寸上的相应改变。拿活塞来说，一般的活塞直径都制成上小下大，以适应 活塞顶部工作温度高，裙部温度较低的特点。另外活塞具有一定的椭圆度，这是 为了弥补在活塞受热后其活塞销部径向的膨胀大于其垂直方向。活塞环的制作也 考虑了高温影响。如果缸内温度太高会引起活塞拉缸，太低则会造成燃气通过活 塞渗漏到曲轴箱内，使血轴箱内的零件受到腐蚀，并降低了动力性。所以内燃机 的工作温度，冷却系统的布置和设计，以及上面各个零件的设计和选取都要相互 匹配，综合起来全盘考虑。 四冲程汽油机工作的四个不同阶段中气缸中的温度和压力和温度有很大的 变化，在燃油爆燃的瞬间缸内的温度和压力的变化也很大。所以在工作中汽油机 会受到频率很高，幅度很大的交变热冲击和瞬态热负荷，因为金属有一定的热容， 所以瞬态热负荷一般发生在零部件的表面浅层，整体的温度变化并不十分剧烈。 基于此，在一定工况下，可以将发动机零部件的温度场看作恒定不变的，也即稳 念来考量。在本论文中，以发动机的额定功率作为稳态工况来研究，也是为了确 保在最恶劣的条件下各个零部件能够可靠工作。 第2 章热负荷试验设计 本论文的试验对象是3 7 6 汽油发动机，技术性能见表2 2 。 表2 2 试验对象发动机的结构性能参数 3 7 6 发动机技术性能表 发动机横向直列3 缸6 气门单顶置凸轮轴电喷汽油机 排量，毫升 9 9 3 缸径，毫米 7 6 0 行程，毫米 7 3 0 压缩比 9 5 ：l 最大功率，千瓦3 9 ( 6 0 0 0 转分) 最大扭矩，牛顿米 7 7( 3 6 0 0 转分) 2 1 2 金属材料的热学性能 金属材料的热学性能的物理量主要包括比热容c ，线膨胀系数n ，导热系数 ，导温系数a ，见表2 3 ： 表2 2 论文试验对象的性能参数 比热容c使单位质量的物质升高l k 所需的热量称为该物质的比热容， 单位是j k g * k 。试验表明物体的比热容是随温度变化的。 线性膨胀温度的上升引起的金属材料的体积和尺寸变化的现象称为热 系数a膨胀。热膨胀的衡量指标是线膨胀系数n ，多数金属的线性膨 胀系数a 随温度的升高而增大，而且温度t 较低时n 。c t 的立 方，随后其曲线的斜率降低，在一定高温后趋向恒值。 导热系数由于物质在介质中各个部位吸收的热量并不一样，因此存在温 度差，用导热系数 表示热量在材料中传播快慢的物理量，单 位是w ( m 木k ) ， 导温系数a导温系数a 表示温度传播的速度，a = 九( pc ) ，其中p 是材 料的密度，c 是比热容。显然导温系数a 越大，在受热过程中 物体中各处的温度差越小。 此外材料的弹性模量e ，切变量g ，泊松比u 等物理量也会随温度的变化而 发生相应的变化。 第2 章热负荷试验设计 2 1 3 内燃机工作中热疲劳产生原因 现代的车用内燃机多为四冲程发动机，在工作中温度是循环变化的，特别在 负荷突变时，温度有剧烈的变化，金属材料必然会因为自由膨胀和收缩受到约束 而产生循环应力和应变。这些约束可以来自外部( 如气缸盖约束涡流室镶块的热 膨胀) ，也可以来自内部约束( 如材料的温度梯度) 。而产生的应力最终会导致零 件的损坏，这种现象被称为热疲劳破坏。高温下金属材料的疲劳强度通常随破坏 前的循环次数的增加而不断降低。比如铝合金的工作温度范围一般在2 0 0 3 0 0 左右，而n i c r 合金可以在6 0 0 9 0 0 左右的高温下工作。除了低碳钢和铸 铁外，疲劳强度多随温度的升高而降低。通常通过分析内燃机工作时各个零件的 温度场，应力场来确定零件是否在允许的温度范围内工作，避免发生故障。 值得一提的是，虽然气缸中工质的温度在急剧变化，但因为零件材料有一定 的热容和有限的导热能力，所以受热部件的温度波动一般仅发生在其表面浅层。 2 1 4 汽缸中的工质和内燃机零部件之间的传热方法 从燃气到冷却介质的传热途径有三种： ( 1 ) 工质与燃烧室内壁的换热 ( 2 ) 受热零件材料的导热 ( 3 ) 受热零件和冷却介质的换热。 以上三种传热状况都会随着内燃机工况的改变而变化。目前普遍认为向冷却 介质的散热量与内燃机燃料发出的热量的比例反映了内燃机受热零件的热负荷。 一般内燃机的热负荷的评定过程见图2 1 。 图2 1 内燃机热负荷评定 第2 章热负荷试验设计 2 1 5 内燃机热负荷的评价方法 评定内燃机热负荷的几个理论指标。 ( 1 ) 强化系数：即将活塞和气缸盖看作简单平面时得到的平均热流密度。 - _ 羞驾啦 n 、s 一1d2 其中x 通过燃烧室壁面所散走热量占燃油总量的比例； h u 燃油的低热值： p e 平均有效压力； g e 燃油耗率； c m 活塞平均速度； d 汽缸直径； s 活塞行程： e 压缩比： t 冲程数。 从此中可以看出，内燃机的热负荷与内燃机内的平均压力和活塞平均速度成 正比，可是系数k 中包含很多因数，也不能直接反映汽缸形状和尺寸对内燃机热 负荷的影响，所以用平均热流系数来评定内燃机的热负荷的实际意义不大。 ( 2 ) 热流密度表示某一局部位置的热负荷。 q = c ( g ，f ，) ” 其中c _ 系数： ( 2 2 ) g f 每小时每个汽缸的燃油消耗量； f r 活塞面积； 指数n 是根据不同结构的内燃机以及内燃机的不同部位而变化的参数。 ( 3 ) 热强度系数 f = ( 2 3 ) 其中s 活塞行程； d 汽缸直径； f p 活塞面积 内燃杌工作时，在进气和排气阶段基本上工质和受热零件的换热过程主要是 对流换热；在燃烧和膨胀阶段为对流换热和辐射换热。两种换热方式的比例为r 。 南 第2 章热负荷试验殴计 对流换热的比例随着负荷和功率的升高而下降，随转速的降低而下降。 对一般的中小功率内燃机来说，燃气与内燃机零件的换热方式主要是对流换 热，即流体流过固体表面时，流体与固体之间发生的换热过程。对流换热的热流 密度为 a = ： ：t ，w ( m * m * k ) 其中 n 为换热系数，t 为流体和固体之间的温度差。 内燃机的换热过程十分复杂，燃烧室中工质与壁面问的换热系数随时间和空 间位置的改变而变，大小主要取决于靠近壁面的局部气体工质的流速，一般用活 塞的平均速度作为表征气缸中气体工质的运动强度的参数。此外气体工质的运动 强度还与挤流和扰流等因素有关。 2 1 6 金属在高温时的蠕变和应力松弛 内燃机中在高温下工作的金属零部件，除了受交变热应力影响而引起的热疲 劳外，金属的蠕变和应力松弛是其中最常见的故障。 ( 1 ) 金属的蠕变 金属在长时间的恒温、恒压作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓缓地产 生塑性变形，这种现象便称为蠕变。由于这种变形而最终导致材料的断裂就是蠕 变断裂。 一般来说，铝合金的工作温度高于3 0 0 。c ，奥氏体合金钢及铁基高温合金高 于5 4 0 “c ，镍基高温合金高于6 5 0 ，就都要考虑蠕变的影响。 金属的蠕变过程可以用蠕变曲线来表示，见图2 1 瞬 应 变一 ：吐渡稳态加速d 蠕| 一霜变t 一 蠕变 f 蠕变衍断i 基 应蔓 图2 1 金属蠕变过群 第2 章热负荷试验设计 图中0 8 线段代表试件受载后产生的瞬时应变e ，它不是蠕变，而是试件受 载荷以后的一般变形。从a 点丌始，随时问的增长而产生的应变就属于蠕变。根 据此图可以将蠕变过程分为三个阶段： 第一阶段a b 是过渡蠕变阶段。这一阶段开始时蠕变速率很大，但随着时间 的增长而逐渐变小，在b 处达到最小值。 第二阶段b c 处稳态蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕变速率几乎保持不变。 通常蠕变速率，就用这一阶段的变形速率来表示。 第三阶段c d 是加速蠕变阶段。随着时间的增长，蠕变速率不断增大，至d 处产生蠕变断裂。 不同材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一种材料的蠕变曲线也随应 力的大d , f n 温度的高低而异。有时蠕变过和的上述三个阶段不容易明显区分有时 最后阶段时间很短，甚至出现在稳态满变突然断裂的现象。 ( 2 ) 应力松弛 有些在高温下工作的金属零部件受到很高的机械应力和热应力的作用。起初 这种变形是与金属材料所受到应力相对应的弹性形变。随着时问的增长，在变形 量保持不变的条件，一部分弹性变形逐渐转变为塑性变形，因此使应力不断降低。 这种在给定温度而且具有恒定总应变的条件下，随着时间的增加而应力自行变小 的现象叫做应力松弛。一般应力松弛现象分为两个阶段，第一阶段持续时间比较 短，应力随着时间的变化急速下降，这个过程中的塑性变形主要发生在晶粒间界 上，晶界的扩散起主要作用。第二阶段的塑性变形主要发生在晶粒内部，是由于 亚晶界的转动和移动而引起的。 一般金属的应力松弛现象总是伴随着金属的蠕变而产生，这种情况在高温时 尤其明显。 2 2 热负荷试验的技术，方法 内燃机受热零部件的温度测量试验方法有多种，有些可以测出平均温度值， 有些也可以测出瞬态温度值，工程人员根据不同的需要决定温度测量试验的方 案。随着现代电子技术的发展，温度测量手段也日趋完善。表2 3 中列出了一些 主要的测温方法。 第2 章热负荷试验设计 表2 3 内燃机零件的测温方法 测试方法 测量原理测试对象主要问题及应用现状 硬度测量法利用某些合金经淬火零件表面温度当被测温度较高或较低 包括硬度塞后硬度随着回火温度 ( 硬度塞法) ：时，测量误差较大； 法，残余硬度 的升高而下降的特零件整体的温有时会出现硬度塞飞脱现 法 性，材料会产生永久度分布( 残余硬 象： 性硬度变化。度法)只能用于测某一限定工况 下的温度，测量时间较长。 易熔合金法利用某些金属在熔解零件表面温度需要知道被测温度的大致 或凝固过程中液、吲范围，而且在同一测点上 相共存，温度保持不使用多种熔点温度的台金 变这一特性。塞时可能会山现合金塞飞 脱现象。方法简洁、直观， 氪化法被氪化固体在一定温 零件表面温度需要对测温零件件事先氪 度时放射性元素达到化，在内燃机上运转厉取 一定量，重新加热时下再次加温，同定温度间 低于该温度则放射量隔内测放射量： 不变。误差较大。 热电偶法不同金属材料相连 零件表面温度、热电偶法测量运动件温度 时，两端温度不同，温度梯度、瞬态时，需要引出信号，引出 j i l | j 产生微弱热电势。温度等机构通常比较复杂，如： ( 1 ) 连续引出机构( 如四连 杆机构、缸盖贯穿式) ； ( 2 ) 间歇接触式装置 擂针 式接触装置、弹簧触点装 置、淆片式接触装置) ： ( 3 ) 无接触测量、遥测法。 热电偶测量可靠，精度较 高，可随工况变化，但机 构复杂安装困难。 示温涂科法利用某种涂料在加热 活塞内脏表面通常示温涂料不能与高温 后不同温度颜色发生 温度燃气商接接触，测温范围 不同的永久性变化。也比较窄 热敏电阻法金属的电阻随温度的 零件表面温度负温度系数半导体热敏电 改变而变化阻的使用受到允许的最高 耐久温度的限制 红外热象法 利用物体的红外辐射零件表面温度无触点、适时、快速、精 特性米测量温度 度高 1 4 第2 章热负荷试验设计 2 3 活塞热负荷试验 2 3 1 试验方案的选取 在最初的方案选取当中，本论文考虑过对活塞采用热电偶方法，因为将热电 偶的热接点埋塞在被测零件表面附近( 尽可能接近外表面) ，此种方法精确度是 比较高的，而且就试验来说具有可重复性。但对于运动件活塞来说，不断的做周 期性的往复运动，用常规的测温传感器测温度是不能实现的，需要用到专门设计 的四连杆机构进行布线。加工四连杆机构布线是一个相当棘手的方法，而且只能 在单缸机上测量，这样成本较高，工艺复杂，可靠性差，不适应当前项目的测量 要求。 而采用易融合金，残余硬度等测量方法则精度较低，在一定工况下，受热负 荷高温下需反复几次测量才能得到可靠数据，也不能满足本试验需求。至于一些 非接触式测量方法特别是红外线温度测量，技术上还不很成熟，特别是要求在高 温，高加速度下持续稳定的电源，在当前成为了技术上的瓶颈。 综合以上情况，最后采用硬度塞测量法，此种方法对活塞应力部位损伤小， 安全性和精度都较好，是一种切实可行而又廉价的方法。在借鉴和总结了山东滨 州渤海活塞厂成功经验的基础上，我们提出了适合于中小尺寸活塞温度测量的硬 度塞测量方法，对活塞的温度场使用硬度塞法进行测量。 表2 4 各种测量方法的评价比较 从比较( 见表2 4 ) 可以看出，硬度塞方法和易熔合金方法的评价都较好， 但考虑到本项目要求试验结果的精确性，最后采用硬度塞方法对活塞进行测量。 第2 章热负荷试验设计 2 3 2 硬度塞的标定 硬度塞法的原理是利用金属受热后会产生永久性的硬度变化，这种变 化结果最终取决于所经受的最高温度和在此温度下延续的时间。当持续的 时间一定时，根据温度一硬度曲线可以查出相应的温度值。由于硬度塞法 的原理来自金属的热学记忆特性，因此又称为温度记忆法，温度塞也被称 为温度记忆螺钉。 选用g c r 6 的轴承钢作为硬度塞材料，作为测温元件，其材质均匀性 好，金相组织稳定；具有良好的淬透性且硬度对温度敏感，回火后的硬度 随温度的变化趋势线性关系比较好。基本要求：硬度要均匀，特别是淬火 后硬度更要均匀；回火后硬度要稳定，即几个试棒在同一回火稳定条件下 硬度差要小；材料的硬度与温度关系曲线有很好的线性。 用此种材料加工m 3 4 的一字槽螺钉2 0 0 5 0 0 件( 如图2 3 ) ，并真空 炉保护淬火处理，要求硬度达到6 2h r c 。工艺上要求将硬度塞在8 4 0 的 温度下加热3 0 分钟，淬油冷却，此时，硬度塞的表面金相组织为马氏体 以及碳化物。 图2 3 硬度塞 制作回火温度一硬度表参见表2 5 。 表2 5 回火温度、硬度表 同火温度硬度值( h r c ) 硬度均值( h r c ) ( 5 )试样1 试样2 1 8 05 6 5 5 7 55 7 2 0 0 5 5 55 6 45 5 9 2 2 05 45 4 55 4 2 2 4 05 3 55 45 3 8 2 6 05 25 2 15 2 1 2 8 05 0 55 0 75 0 6 3 0 04 8 94 94 9 3 2 04 7 ，54 7 84 7 6 1 6 第2 章热负荷试验设计 回火温度1 8 0 - 3 2 0 。c ，步长2 0 。c ，每个温度点测2 个硬度塞试样，每个硬度 塞试样取3 5 个测试点，取总的平均值作为该温度下的硬度值。 通过线性拟合可以将所有对应的温度和硬度点在坐标图上绘制出来，如下图 所示：可以发现硬度与温度，在1 8 0 3 2 0 。c 之间有明显的线性关系。 瞰 6 0 图2 4 硬度一温度标定曲线图 2 3 3 测温点布置与硬度塞安装 测点的布置应该考虑到诸多方面的问题，既要体现活塞整体的温度分 布情况，又要照顾到关键部分的细节。考虑到活塞顶部和裙部的温度状况 及由此产生的热变形和热应力对内燃机性能的影响以及本论文研究所考 虑的重点，在活塞的顶部布置了5 9 个点，火力岸及裙部布置8 1 2 点 具体分布情况如下图： 第2 章热负荷试验设计 值基本可代表环槽的温度 需特别防止硬度塞脱落飞出 幽2 5a b ) 活塞测点布置幽 操作步骤及操作注意事项： a 将活塞在专用夹具上固定好 b 按照图纸分别加工各个螺纹孔m 2 5 4 ( 钻深5 m m ，攻深4 m m ) 共 1 3 2 1 个，保证加工螺纹孔的精度，去除毛刺和金属残渣。 c 硬度塞安装后，应保证硬度塞头部的表面与活塞面一致 操作中应注意下面事项： 1 ) 对硬度塞不但进行淬火热处理，而且之前须对头部抛光处理； 2 ) 考虑到安装和测硬度工具的限制，硬度塞尺寸不宜过小； 3 ) 应保证硬度塞头部与测试件表面成一平面，防止飞出造成拉缸： 4 ) 活塞上钻孔约m 2 5 x 4 ，在活塞裙部需特别注意，因为此处较薄，硬 度塞螺钉容易脱落滑出： 5 ) 考虑到两种材料的热胀系数不同，可以使用硅胶作为粘结剂进一步 加固硬度塞： 6 ) 建立标准线需用到温度校正仪( l ) ，以一定温度步长( 2 5 ) 一次对3 枚硬度塞进行退火处理两个小时( 此时间与以后内燃机上试验时 问一致) ； 7 ) 每枚硬度塞在显微硬度计下取3 - 5 个点的硬度，取平均值( 减少随 机误差) ； 8 ) 对热负荷高的活塞测取图纸上标定的所有点，而对另两个热负荷低 的活塞只测关键的点，即活塞顶部和环岸的点。 试验中还涉及到的仪器、设备、材料如表2 6 所示 第2 章热负荷试验设计 表2 , 6 仪器、设备型号一览表 g c r l 5 材料硬度塞 g c r 6 温度校正仪c t c 6 5 0 显微硬度计f m 7 0 0 型显微硬度计 在装配硬度塞之前，活塞要经过充分的磨合，并将内燃机性能调整到 正常状态。将装好硬度塞的活塞装入内燃机，应先在小负荷工况小磨合， 并特别注意要控制内燃机冷却水温、油温、以及避免暴震燃烧和猛轰油门。 硬度塞直径为巾2 5 m m ，为了使硬度塞和孔接触良好，可用专用工具 轻轻的敲实，其顶部应修整成与零件表面齐平，并用带孔冲头收口，避免 硬度塞受振动或者惯性力的作用而逸出。 2 4 缸盖热负荷试验 2 4 1 热电偶的选型和标定 气缸盖用于密封气缸的顶部，与活塞顶及气缸内壁共同组成内燃机的燃烧 空间，作为固定零件，其热电偶连接的复杂程度远较运动零件件上的简单，且用 热电偶测量精度高，范围广，可实现各工况下的连续测量，无疑是缸盖测量的首 选。 热电偶的工作原理是，当两种不同成分的导体两端结合后形成回路( 见图 2 ，5 ) ，当测量端与参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，显示仪表上就 会指示出与热电偶所产生的热电势相应的温度值。 图2 6 热电偶原理 t 第2 章热负荷试验设计 一般的，热电偶的热电势随测量端温度的升高而增大，热电势的大小只与热 电偶导体的材质以及两端的温度差有关，与热电偶的长度和直径无关。 热电偶按照材料分类参见表2 7 。 表2 7 常用热电偶分度表( 上海计量出版社) 热电偶类别分度号 测温范围( ) 铂铑】o 铂 s o 】6 0 0 铂铑3 0 铂铑6 b 0 1 8 0 0 镍铬镍硅 k 0 1 2 0 0 镍铬硅镍硅n o 1 3 0 0 镍铬铜镍 e 0 8 0 0 铁铜镍 j0 6 0 0 铜铜镍 t0 4 0 0 考虑到内燃机试验的测温范围， 镍硅热电偶丝，选用直径为0 2 5 m m 线。 2 4 2 测温点布置和热电偶安装 本试验选用上海合金厂生产的镍铬 的偶丝，减小了热惯性同时也便于日 缸盖测温点的布置应该考虑到诸多方面的问题，既要体现整体的温度分布情 况，又要照顾到关键部分的细节，同时要在保证加工精度的前提下确保水套的密 封以及引线的可靠性。其中气缸盖鼻梁区的温度状况及由此产生的热变形和热应 力对内燃机性能的影响以及本论文研究所考虑的重点，在缸盖火力面布置了2 4 个点( 即单个气缸分配8 个测点) ，具体分布情况如图2 7 ： 第2 章热负荷试验设计 图2 7 缸盖测温点布置 热电偶接点与被测表面应有良好的热接触，以使其热阻抗最小，并保 证良好的气密性，防治漏气，漏水，从而避免引起零件温度场的改变和误 测零件表面以外的气体温度。 考虑到银片具有良好的导电性，导热性，并有良好的延展性，故偶丝 热接点选用上海有色金属焊接材料厂生产的厚0 1 m m 的银焊片作焊接剂。 然后，偶丝热接点直接铆接在被测量零件表面。 偶丝测量温度表用上海申达仪表厂生产x m d 系列多点巡回检测数字温 度显示仪。该温度计带有冷端温度补偿和热电偶特性非线性补偿，分辨率 1 ，精度可达0 5 。 由于该内燃机机体缸盖结构很紧凑( 排量仅1 升) ，要同时引出2 4 对 ( 4 8 根线) 热电偶并非是件容易的事情，若在缸盖上钻孑l 引线会破坏内燃 机的结构，故最好借用缸盖内的水套和机体上原有出水孔来引出测量偶 丝。为了防止冷却水从各偶丝间隙中渗漏出来，每个热接点都加工一只闷 头，间隙处填充硅胶，以保证测温时不漏水。 第2 章热负荷试验设计 2 5 小结 本章简要介绍了内燃机工作过程和热负荷的形成，借助各项研究资料，为