增压发动机排气门烧蚀实验分析及改进

甘黎明 彭友成 秦丽萍

摘要：某三缸发动机在耐久性试验和热负荷试验后，拆检发现排气门存在黑色斑点的腐蚀和烧蚀现象。为此，本文通过AVL FIRE软件对气缸套进行改进优化，旨在降低排气温度。结果表明：优化后的气缸套使排气温度在中高转速工况下降低了80-100摄氏度;对优化后的气缸套进行耐久性试验，拆机检测发现，排气门底面完好无损，成功解决了排气门的腐蚀和烧蚀问题。

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.

关键词：气缸套优化;排气门烧蚀;数值模拟;排气温度

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

中图分类号：U464                                         文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0092-03

0  引言

随着人类不断的发展，汽车成为人们生活不可缺少的重要组成部分。近年来，随着人类需求的不断扩大，向大气排放有毒气体和颗粒物，使人类的生存环境面临严重挑战。近年来我国出现的大范围的雾霾天气，台风盛行，极端暴雨天气，这些都和我们人类活动息息相关。近年来，为改善地球环境，提出了“碳达峰，碳中和”的发展思路。目前人类能量来源依然是石油化石能源，而汽车是消耗化石能源的主要动力源，其燃烧性能，动力性能，排放特性对环境起到重要的作用。因此各大汽车生产商不断开发新技术，开发新的燃烧系统，如PCCI，HCCI，RCCI发动机等。增加技术过去一直应用于柴油机，近年来，为了提高燃烧效率，减少污染物的排放，增压技术广泛应用于汽油发动机。随着涡轮增压技术的运用，燃烧温度和压力进一步升高，对气缸、活塞、排气门等零部件提出了更高的要求。

本文通过国内外研究和实验发现[1-3]，增压发动机对排气门由于排放温度的提高而发生腐蚀问题，称为烧蚀[4，5]。为解决此类问题，本文首先通过实验分析，数值计算的方法对气缸盖的水套进行结构优化，降低排气门温度，从而降低烧蚀现象的发生，为增压发动机的开发提供借鉴和指导。

1  实验分析

三缸机有很多优点，如排量小，体积小，重量轻，节省燃油等优点。本文以某型号1.2升汽油机进行耐久性试验发生气门烧蚀问题展开，该发动机的参数如表1所示。当耐久性试验运行至第11循环，热机过程中听到监控音箱有爆震声，停机检查发现第2缸排气门烧蚀。如图1所示。

从图1中可以看出，排气门出现了严重的烧蚀现象，由光滑的排气门平面转变为凹凸不平的平面。一方面是由于燃烧石油产生的酸性气体对平面具有腐蚀的作用;另一方面，由于发动机经常在高负荷下运转，所需喷油量增加，排气温度提高，对排气门产生严重的烧蚀现象。通常解决烧蚀问题的方法主要有：①通过减少燃油喷射量，或者推迟点火时刻，以达到降低排放温度;②对排气门进行及时冷却散热，由于排气门与气缸套紧密结合，降低气缸套的温度，是达到降低排气门温度的有力措施;③升级排气门的材料，使用耐温特性更高的材料，提升气门的耐高温性能。

2  气缸套改进模拟分析

如前所述，为了解决由于燃烧温度过高而产生的烧蚀问题，本文采用第二种方法，即改善气缸盖的散热问题。在原气缸盖结构不变的情况下，进一步优化气缸盖水套的流道组织，增强传热特性，从而达到给排气门降温的效果。水套优化主要是通过优化缸垫上水口分布以及优化上水口尺寸，实现冷却液的流量更加合理的分配，达到优化气缸盖燃烧室热量分布，避免形成局部高温现象：

①优化1处上水口，大尺寸的上水口优化成数个小尺寸上水口，并且水口分布更加均衡;

②优化2处上水口，基于水泵总体流量不变的前提下，减小此处上水口尺寸，使得更多的冷却液往1处流动，带走更多排气侧热量。改进前和改进后，气缸套的模型如图2所示。对气缸套进行网格划分，设置边界条件，初始值，利用AVL FIRE软件对流固耦合进行模拟仿真。

图3分别给出了改进前和改进后气缸套的传热系数。从图中可以看出，改进后气缸顶部的气缸盖的传热系数均较小，但在气缸边缘区域，传热特性明显增强。这是因为流体在气缸套区域传热特性增强，有利于流体吸收热量，温度升高，此时当通过气缸套顶部流出时，由于流体温度较高，温差降低，传热系数降低。因此通过本次优化和改进，缸盖水套燃烧室部分换热系数明显提升，缸体水套换热系数趋于均衡，有效改进燃烧室外部区域的散热，从而有利于降低气缸燃烧时的温度，减轻排气门的温度。

图4为气缸套俯视温度分布图，从图中可以看出，改进后气缸套的总体温度分布偏低且较为均匀。在流体出口附近，改进后的模型出口温度较高，这是因为改进后的模型传热系数较大，气缸套与流体的传热增强，在相同的流体流量下，液体的温度增高，带走更多的热量。图5为原水套和改进水套温度的对比，从图中不难发现，原水套存在局部温度过高的情况，这不利于发动机的正常工作，局部温度过高，导致润滑油温度增高，润滑效果下降，甚至出现烧机油的危险工况。缸盖水套变更后，缸盖最高温度降低了31°C，缸体最高温度不变，但温度场分布更加均衡。因此通过对气缸套的增强换热优化，可以适当降低排气温度。

图6是对气缸套优化前和优化后样机排气温度的对比图，从图中可以看出，在低速状态下（1000-2300rpm），排气温度和优化前并无多大差别。随着转速的升高（2300-5500rpm），此时优化后的模型对排气温度的降低效果较为显著，降幅在80-100度区间。图7是气缸套改进后，对发动机进行可靠性耐久性和热负荷试验，拆机检查气缸套和排气门的效果图。和优化前（图1）的情况相比较，优化后，气门没有出现腐蚀和烧蚀显现。可见通过对气缸套进行强化散热，可有效的解决腐蚀和烧蚀问题。

3  结论

本文对针对三缸发动机进行试验研究，发现排气门出现了腐蚀和烧蚀现象，针对该问题，对气缸套进行改进，改善其散热和冷却特性。并结合试验对优化后的模型进行了试验研究。我们得出以下结论：①通过对进气套优化之后，随着发动机转速的提高到中高转速时，优化后的模型排气温度降低80-100度。②对优化后的发动机进行耐久性试验和热负荷试验，拆机观察发现，气门完好无损，因此，对气缸套进行强化散热可以解决排气门腐蚀和烧蚀问题。

参考文献：

[1]尹雪成，卢柳林，冯继军.发动机排气门盘底部腐蚀坑形成原因分析[J].汽车工艺与材料，2015，15（4）：33-35.

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[3]许勇静，张智.柴油机气门温度的实验测量[J].船海工程，2007，36（4）：79-82.

[4]张帅，马瑞瑄，等.乙醇对增压发动机抗磨损及腐蚀性的试验分析与研究[J].小型内燃机与车辆技术，2016，2（45）：82-86.

[5]座间正人，佘芬英，等.柴油机排气门座的高温腐蚀[J].国外内燃机，1997，7（253）：32-37.