CN114934855B - 气缸盖火力面热场域多尺度探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及缸盖火力面热场探测方法，具体为气缸盖火力面热场域多尺度划分方法，首先，依据缸盖燃气侧传热规律和热场温度的高低，以喷油孔为中心位置将火力面划分为进‑排、进‑进、排‑排气门间鼻梁区以及外围区域；其次，剖析各区域内温度梯度的变化特性，基于不同的梯度变化量对各区域进行不同尺度的划分；最后，确定不同尺度区域中测温点数量和具体位置，并结合热电偶测温技术对各点温度进行测量。实验结果表明，与单一尺度下测温数值相比，基于多尺度划分思想的测温方法更能凸显出鼻梁区等易出现热疲劳损伤的区域内温度变化，为缸盖内壁热疲劳损伤检测与评估提供了更可靠的数据来源。
Description
技术领域
本发明涉及缸盖火力面热场探测方法，具体为气缸盖火力面热场域多尺度探测方法。
背景技术
随着发动机工作过程中功率的提升，气缸盖内燃烧温度逐渐升高，使得缸盖所承受的热负荷作用力逐渐增强，容易出现开裂、磨损等热疲劳损伤现象，存在极大的安全隐患。因此，对气缸盖内壁进行热疲劳损伤检测与评估至关重要。目前，常用的气缸盖热疲劳损伤检测方法主要是结合计算机仿真软件(如有限元等)对缸盖承受的热应力场及热边界条件等作疲劳损伤分析[1-5]。该方法可实现对损伤区域以及可能造成的损伤类型的预测，但易存在损伤类型与位置预测误差大，甚至失效的问题。为了提升损伤检测的精准性，课题组人员将关联成像技术引入到气缸盖的热疲劳损伤检测中，目的是通过影像重构的手段将缸盖内壁的疲劳损伤情况进行直观的呈现。该方法[6]不仅解决了损伤类型与位置难确定、易出错的问题，而且更便于工程人员对整个缸盖内壁进行实时监控。
在对缸盖内壁进行关联重构时，需要对不同时刻下缸盖火力面的热场进行探测，并利用探测的序列热场强度数据间差异以及缸盖外壁总热能间关联运算来实现对内壁影像的重构。而热场强度数据的获取可依据斯特藩－波耳兹曼定律由热场温度转化而来，即E＝εσT4(1)，式中，ε为黑体的辐射系数，σ为斯特藩-玻尔兹曼常数，热能E与温度T的四次幂成正比。
目前，常用的热场温度探测方法大都是利用热电偶、光纤等测温技术按照不同的区域划分法对缸盖特定位置进行温度测量。例如：文献[7,8]将缸盖看作均匀传热面，沿喷油嘴、进气门以及排气门的中心位置沿径向将缸盖划分为不同的块区域，如图1(a)所示，进而对各区域温度进行探测。文献[9,10]以喷油嘴为中心，按照同心圆半径的1/3将缸盖划分为等宽的圆环区域进行探测，如图1(b)所示。上述探测方法可一定程度上满足探测需求，但由于两者均是以单尺度标准对缸盖区域进行的均匀划分，并未考虑热场变化的非均匀性，使得仅利用这些散点数据很难精确地反映出火力面各位置处热场变化的非均匀性。因此，有必要依据这些测量数值对非测点区域的温度进行构造与填充，只有这样才能获得高分辨率的热场分布。实际上，受高温区位置、换热系数等影响，缸盖火力面热场变化梯度是不同的。因此，如何对缸盖火力面热场区域进行非均匀划分，使其更利于反映热场的变化对于非测点区域数值的填充至关重要。
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发明内容
本发明针对内燃机工作过程中缸盖不同位置处火力面热场差异所导致的探测误差大的问题，提出了基于梯度变化规律的一种气缸盖火力面热场域多尺度探测方法，为火力面热场探测的精准性探测奠定了基础。
本发明是采用如下的技术方案实现的：气缸盖火力面热场域多尺度探测方法，以排气门中心与喷油嘴中心连接线、进气门中心与喷油嘴中心连接线为分界线进行区域划分，对划分后区域进行多尺度划分，即每个划分后区域分别都以不同半径圆环将其划分为多个子区域。
上述的气缸盖火力面热场域多尺度探测方法，结合缸盖的具体结构、材质以及热传导系数，选取热电偶传感器，对细分后的子区域进行测点数量与位置的设置，该过程依据重点监测区域重点监控的原则来进行。
上述的气缸盖火力面热场域多尺度探测方法，针对单缸四气门缸盖，将缸盖细分为I、II和Ⅲ三个区域，I、II和Ⅲ细分区域分别以排气门中心与喷油嘴中心连接线、进气门中心与喷油嘴中心连接线为分界线，即左排气门中心与喷油嘴中心连接线和右排气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为I区域，左排气门中心与喷油嘴中心连接线和左进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为II区域，右排气门中心与喷油嘴中心连接线和右进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为II区域，左进气门中心与喷油嘴中心连接线和右进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为Ⅲ区域，I区域、II区域和Ⅲ区域分别都以不同半径圆环将其划分为多个子区域。
本发明与单一尺度下测温数值相比，基于多尺度划分思想的测温方法更能凸显出鼻梁区等易出现热疲劳损伤的区域内温度变化，为缸盖内壁热疲劳损伤检测与评估提供了更可靠的数据来源。
附图说明
图1为常用的缸盖火力面区域划分示意图。
图2为区域划分示意图。
图3为随机测点位置选取示意图。
图4为各测点温度随功率变化曲线图。
图5为缸盖火力面区域的细分示意图。
图6为缸盖火力面区域的多尺度细分原理图。
图7为多尺度细分区域测点设置示意图。
图8为缸盖几何模型及其火力面网格划分示意图。
图9为不同划分方案下测点分布示意图。
图10为不同方案下火力面温度场分布示意图。
图11不同方案下各测点位置分布示意图。
图12不同方案下各测点温度模拟值与实测值比较示意图。
具体实施方式
火力面热场分析
由内燃机的工作原理可知，气缸盖火力面热场的强度分布是以喷油嘴为中心，沿径向路径呈递减的变化趋势。同时，受进气口与排气口位置、冷却水腔等的影响，缸盖火力面各区域的温度变化范围与梯度存在较大差异，使得缸盖的热疲劳损伤部位大都位于鼻梁区附近。
以某单缸四气门缸盖为例来说明，由于缸盖左右对称，在此以缸盖右半部分为例，首先将其按照温度由高到低的顺序依次划分为①、②、③和④四个区域，具体如图2所示。其中，①、②和③区域为鼻梁区，④区域为边缘区。然后，从四个区域中选定6个随机测点(如图3所示)，并利用K型热电偶对加速运行工况下各测点温度进行探测。最后将不同功率下的探测结果进行分析，绘制出各测点的功率-温度及其归一化曲线，如图4所示。
观察图4(a)可知，当气缸工作功率由20kW上升到100kW时，排气门-排气门间鼻梁区的温度范围大致分布在200～350℃范围内；进气门-进气门间区域温度在100～200℃范围内变化；进气门-排气门间鼻梁区的温度则位于150～250℃范围内。同时，由4(b)可知，当各测点所选区域不同时，在整个探测阶段各测点处温度的变化梯度也是不同的。原因主要是由于测点1和2处在排气门与排气门鼻梁区，且测点1位于两个排气门的中心位置，使其温度高于测点2，且梯度变化相对较大；而测点3和4虽然都位于进气门与排气门鼻梁区，但由于测点3距离喷油嘴更近，使得测点3随着功率的提升其温度变化梯度明显高于测点4；测点5和6由于分别处于进-进气门鼻梁区和边缘区域，受空气温度以及离高温区距离远等因素影响使得两者在低功率条件下温度及其梯度变化不明显，但随着功率提升，测点5变化梯度明显高于测点6。
由上可知，当用不同划分方案来确定测点数量和位置时，得到的热场分布的误差是不同的。因此，有必要根据寻找一种更利于反映热场不同变化梯度的区域划分方法来提升热场分布的精准性。
基于多尺度的火力面热场域划分
根据火力面热场分析及图4分析结果，在考虑热场温度变化范围、径向衰减特点的前提下，将缸盖细分为I、II和Ⅲ三个区域，如图5所示，I、II和Ⅲ细分区域分别以排气门中心与喷油嘴中心连接线、进气门中心与喷油嘴中心连接线为分界线，即左排气门中心与喷油嘴中心连接线和右排气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为I区域，左排气门中心与喷油嘴中心连接线和左进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为II区域，右排气门中心与喷油嘴中心连接线和右进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为II区域，左进气门中心与喷油嘴中心连接线和右进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为Ⅲ区域。
由于各细分区域中热场温度范围及梯度变化程度不同，使得三个细分区域特性也不同，主要表现在两个方面：一是II区域整体温度虽然低于I区域，但由于进气门与排气门温度变化梯度大，使得II区域较I区域更易出现裂纹等疲劳损伤现象；二是由于进气门温度影响，Ⅲ区域温度明显低于I区域温度，使得I区域出现疲劳损伤的概率明显高于Ⅲ区域。这使得仅利用同心圆环状划分法进行测点确定，而不区分三个细分区域具体特性，势必会加大测量误差。
为此，依据三个细分区域基本特性，提出了基于不同尺度的区域划分方法，即在不同细分区域依据不同的变化梯度进行尺度的划分。下面以缸盖右半部分为例，来说明具体实现过程：
首先，按照温度的变化梯度对三个细分区域进行多尺度划分，将其分为九个细分子区域，具体细分原理如图6所示。其中，I区域由于位于两个排气门之间，且火力面的最高温度出现在该区域的中心位置，且向两侧逐渐降低，于是以1/3及1/2半径做圆环将其划分为1～3三个子细分区域；II区域由于位于进气门和排气门之间，且受到低温进气、高温排气和喷油嘴的联合作用，区域最容易出现疲劳损伤，因此以分别以1/3，1/2及2/3半径做圆环将其划分为4～7四个子细分区域；Ⅲ区域由于位于两个进气门之间，进气口空气与气壁间热交换使得该区域温度及其梯度变化都较小，在此以1/2半径做圆环将该区域划分为8和9两个子细分区域。注意，该细分过程可根据工程需要进行细化和粗化处理，以满足不同的探测需求。
然后，结合缸盖的具体结构、材质以及热传导系数等，选取探头直径合适的K型热电偶传感器，对细分后的子区域进行测点数量与位置的设置。该过程依据重点监测区域重点监控的原则来进行，即I、II区域中2、5、6子细分区域可适当加大测点密度，而I、II、Ⅲ区域中1、4和8子细分区域次之，具体测点设置如图7所示。
一般情况下，可依据区域面积大小来设置，如在图6中2、5、6鼻梁区设置2～5个测量点；1、4和8区域内设置1～3个测量点；另外，3、7和9子细分区域虽然温度梯度变化小，但涉及区域面积大，可在每个区域中设置2～3个测量点。
实例分析
测试条件与手段
为了验证本发明所提出的多尺度热场区域划分方法的有效性和合理性，以某单缸四气门缸盖为例来进行数值分析。其中，缸盖的材料特性、结构与性能参数分别如表1和2所示，且测试工况为标定工况，环境温度为20℃。
表1材料特性
表2某型号单缸四气门结构和性能参数
由于铠装K型热电偶具有热惯性小、引线方便，且其热电势与温度近似呈线性关系等，故采用其对缸盖内壁温度进行测量。具体实验中采用文献[11]中提出的测量方案来实施缸盖温度进行测量，并利用其配套的XMTA-J2001WC显示仪表记录下各测点的温度值。工程实践表明，该方案中温度系统的测量精度可达0.1℃，可满足本发明探测需求。
测试结果与分析
为了说明多尺度热场区域划分方法的优势，下面分别以多尺度划分、分块划分和同心圆划分法对缸盖火力面测点进行设置，并以ANSYS来模拟不同方案下获得的温度场分布。具体过程如下：
首先，根据表2中的结构参数建立气缸盖的几何模型，并将其导入ANSYS中对缸盖火力面进行网格划分，如图8所示。
然后，依据多尺度划分法、分块式划分法和同心圆划分原理，设置测量点数和具体位置，如图9所示，并对不同方案下各测点温度进行测量，具体如表3所示。
其次，依据材料参数和表3测量数据，对划分区域内缸盖边界条件进行设置，主要有温度和换热系数设置。具体为：冷却水侧温度90℃，换热系数1.5×10-4W/(mm2.k)；进气道温度30℃，换热系数5.5×10-4～6.0×10-4W/(mm2.k)；排气道温度860℃，换热系数8.0×10-4～8.5×10-4W/(mm2.k)。由此获得火力面温度场分布，具体如图10所示。
表3测得的各区域测点温度值(℃)
由图10中的温度场分布可知，不同方案下获得的温度场差异主要体现在以下几个方面：
(1)温度的分布范围不同，多尺度方案下，温度范围最大，即120.74～243.33℃；同心圆方案下，温度范围次之，为127.54～240.24℃；而分块方案下，温度范围最小，为121.45～216.25℃。
(2)缸盖边缘区温度分布差异较大，多尺度方案下，低温区范围较小，主要分布在进气口上端部位；而分块和同心圆方案下，低温区范围较大，扩展到了排气口两侧。
(3)排气门高温区范围不同，多尺度和分块方案下，虽然高温区都分布在排-排气门鼻梁区，但前者情况下高温区的范围相对较小，且集中在鼻梁区中心位置，而后者高温区则沿鼻梁区有外沿现象；而同心圆方案下，高温区则向进-排气门扩展，且高温区范围最大。
众所周知，气缸工作时排气门温度明显高于进气门，且由于热传导作用，不难推出进气门两侧边缘温度应该高于进气门边缘温度。因此，多尺度方案下得到的低温区分布较分块和同心圆方案更符合实际情况。同时，由于进气门空气温度影响，会使得进-排气门鼻梁区位于排气门边缘的温度较排-排气门中心区域温度小，所以多尺度方案较同心圆方案更符合实际，这与表3中测点8数值明显低于测点3数值相吻合。同时，温度的分布范围越大，在将其转化为热场分布时，各点热场强度的差异才能更明显，也才能更利于影像的重构。
为了进一步说明基于多尺度方案下得到的温度场分布的优势，下面对不同方案下温度差异较大区域的部分测点进行实际测量，并将其与不同划分方案下得到的温度场分布进行比较。各测点位置如图11所示，对应的测量结果如表4所示。
表4测得的各区域测点温度值
将各点实际测量值与不同方案下火力面对应测点的温度值进行比较，结果如图12所示。
由图12可知，多尺度划分法得到的各测点温度与实际测量值最接近。为了进行定量对比，利用变化量来对各测点温度进行误差分析，即
将表4数据代入式(2)，可得多尺度、分块式和同心圆三种划分方案下的温度平均误差分别为0.52％、6.44％和2.23％。
综上所述，本发明多尺度划分方案下获得的温度场分布与实际最接近，
(1)剖析了气缸盖热传导规律、高温区范围与位置分布等，依据热场变化梯度的不同，提出了一种基于多尺度思想的缸盖火力面热场域划分方法，解决了现有分块式、同心圆划分时各区域划分尺度单一所导致的重点区域热场分布误差大的的问题。
(2)通过对比实验分析了分块式、同心圆以及多尺度划分三种方案优劣。结果表明，多尺度划分方案下各点热场温度具有更高的精准性。
(3)多尺度划分方案可以对火力面热场域进行更细的划分，且热场的分布范围较其它两种划分方法都大，使得各点热场强度具有更明显的差异性，更易满足关联影像重构中对大差异热场分布的要求，可为气缸盖内壁影像重构提供数据支撑。
Claims (1)
1.气缸盖火力面热场域多尺度探测方法，以排气门中心与喷油嘴中心连接线、进气门中心与喷油嘴中心连接线为分界线进行区域划分，其特征在于：对划分后区域进行多尺度划分，即每个划分后区域分别都以不同半径圆环将其划分为多个子区域，结合缸盖的具体结构、材质以及热传导系数，选取热电偶传感器，对细分后的子区域进行测点数量与位置的设置，该过程依据重点监测区域重点监控的原则来进行，并利用热电偶传感器对各测点温度进行探测，该多尺度探测方法提高了热场探测的精准性；针对单缸四气门缸盖，将缸盖细分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个区域，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ细分区域分别以排气门中心与喷油嘴中心连接线、进气门中心与喷油嘴中心连接线为分界线，即左排气门中心与喷油嘴中心连接线和右排气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为Ⅰ区域，左排气门中心与喷油嘴中心连接线和左进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为Ⅱ区域，右排气门中心与喷油嘴中心连接线和右进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为Ⅱ区域，左进气门中心与喷油嘴中心连接线和右进气门中心与喷油嘴中心连接线所围成的小扇形区域为Ⅲ区域，Ⅰ区域、Ⅱ区域和Ⅲ区域分别都以不同半径圆环将其划分为多个子区域。
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