产生活塞顶部烧蚀现象的主要原因分析

摘要：当进行活塞烧顶现象复原试验时，实际柴油机试验中爆燃现象只能通过采集缸压数据进行分析推断，无法有效展现此工况下喷雾发展变化和燃烧发展过程。而揭示发生爆燃现象时的油气混合及燃烧发展变化必须通过燃烧过程三维仿真手段实现。本文中研究在低温环境活塞烧熔复现试验结果的基础上，进行燃烧过程三维分析，以试验实测缸压曲线对模型参数进行标定，然后分析活塞烧熔与未烧熔两种燃烧过程之间的微观差异，进而阐明低温环境下油气混合和燃烧放热的特点。

一、活塞烧熔原因和试验目的

1、活塞烧顶的原因

      活塞的结构如图1所示。活塞的工作环境十分恶劣，它在高温高压的燃气作用下，不断地做高速往复运动，承受着高强度的热负荷和机械负荷。因此柴油机的机械故障也很多出现在活塞上，包括顶部烧熔、裙部异常磨损等。

      活塞烧熔是指活塞压力过大，使活塞体在温度升高的情况下熔化，较终发生断裂，造成活塞失效的现象。发生活塞烧熔主要原因是由于活塞体的温度过高，导致活塞体金属材料降解，在达到熔点后，形成脆性断裂，形成活塞烧熔的现象。活塞顶部烧熔后，气缸密封性会变差，缸压下降，会有更多的高温气体窜入曲轴箱，加速机油的氧化变质，较终导致柴油机的动力性和经济性下降。活塞顶部烧熔严重后，活塞可能会开裂破碎，损坏缸套、连杆等零部件，甚至导致柴油机报废。

2、活塞烧顶的程度测量

      活塞顶部烧蚀程度可用活塞顶部样板和塞尺进行测量。测量时，将样板置于活塞顶部，用塞尺测量样板与顶部之间的较大间隙，使样板绕活塞轴线运动，每转过45°角测量一次，取其较大值t，如图2所示。测量步骤如下：

（1）将活塞彻底清洁后，目测检查指出烧蚀部位。

（2）在第一道活塞环槽内转入专用测量环。

（3）将测量样板对正活塞轴线垂直地卡在测量环上，如果活塞顶有烧蚀，则样板与活塞顶之间将呈现间隙。

（4）用窄塞尺测量样板与活塞之间的间隙，此间隙值即为烧蚀量，然后每转动一个角度(45°)测量一次，找出较大烧蚀量。

3、模拟活塞烧顶现象的试验

      针对某柴油机在低温环境下工作频繁出现活塞烧熔的问题，通过模拟低温环境试验复现了活塞烧熔现象。利用三维仿真手段，分析了两种低温环境温度（25℃和40℃）在柴油机缸内燃烧过程的微观差异，通过燃烧放热过程和油气混合过程参数曲线以及三维云图对比分析，阐明了活塞烧熔工况缸内爆燃时油气混合及燃烧放热特点。仿真结果表明，柴油机在环境温度较低时存在机械负荷和热负荷同时增加的趋势，低温环境温度由40℃降低到25℃时，较大压升率增加35.4%，累计湿壁量增加12.7%，瞬态放热较大值增加50.7%；喷雾撞壁后向避阀坑扩展，进入侧隙，在上止点附近发生了强烈的压力振荡，促使压力分层，引起局部较高燃烧压力达到20MPa、较高燃烧温度达到2700K的爆燃现象。

      本试验通过设置较低的回水温度模拟低温环境，使柴油机在试验中发生活塞烧熔。低温环境特点为柴油机冷却液温度和进气温度低于正常工况时，柴油机在正常工况时冷却液温度基本上在90℃左右，进气温度由于中冷作用基本在60℃以上。某柴油机模拟低温烧熔故障试验结果为该柴油机在转速1500 r/min、70%负荷工况下存在爆燃和烧熔现象，其爆燃和烧熔现象与环境温度密切相关。当环境温度（冷却液温度和进气温度）控制在40℃以上时，活塞未出现明显烧熔现象；当回水温度控制在25℃左右时，活塞出现部分烧熔现象；当回水温度控制在15℃左右时，活塞出现活塞掉块、严重拉缸的严重烧熔故障。

图1  柴油机活塞结构外形图

图2  柴油机活塞顶部烧蚀测量方法

二、计算方案与模型

      计算方案以活塞烧熔复现试验中发生烧熔现象和未发生烧熔现象的温度作为低温环境温度。两种计算方案的进气温度和冷却液温度分别为方案1（25℃）和方案2（40℃）。

1、柴油机模型

      本试验采用一台高比功率柴油机，缸内燃烧过程三维仿真计算采用Converge仿真分析软件，较大网格数量在喷油初期，对喷雾发展过程进行了网格加密处理，网格单元数量达到444万。

      仿真区间从进气门关闭时刻到排气门开启时刻，较小计算时间步长为1×10^-6s，较大计算时间步长为1×10^-6s。相关模型选取为LES湍流模型，KH喷雾破碎模型，O'rourke撞壁模型，CTC燃烧模型。两种低温环境温度方案初始条件和边界条件设置见表1。

表1    两种方案边界条件和初始条件

2、模型验证

      低温环境下试验与仿真缸压曲线对比见图3和图4。从图中可知，二者燃烧放热缸压突变时刻、缸压快速上升区间以及燃烧膨胀期间都基本吻合，说明模型的选取基本合理，仿真的燃烧过程基本能够反映试验工况的燃烧组织情况。后续的结果分析主要以仿真结果为主。

三、燃烧过程分析

      首先对两种方案的燃烧放热参数进行对比分析；然后进行燃烧放热过程分析，主要包括缸内压力曲线及压力场分布、缸内温度曲线及温度场分布、放热率曲线；最后进行油气混合过程分析，主要包括喷雾贯穿距离及油滴分布、蒸发率及燃空当量比分布、湿壁量分布。

1、燃烧放热参数对比

      低温环境下的燃烧放热参数对比见表2。从表中可见，低温环境对较大瞬态放热率影响较大，其次为较大压升率和累计湿壁量，其余参数差别较小。

表2     燃烧放热参数对比见表

2、燃烧放热过程分析

（1）缸内平均压力及压力场分析

      从图5可知，两种方案的缸压曲线整体差别不大，方案2燃烧放热产生的缸内压力曲线拐点比方案1略有提前，较高燃烧压力比方案1略低，在缸压上升和燃烧膨胀阶段缸压曲线基本一致。方案1较高燃烧压力为11.4 MPa，方案2为11.2 MPa，方案1较大压升率为6.5 MPa/C°），方案2为4.8 MPa/C°），说明两种方案从缸内平均压力看整体差别不大，细微差别通过以下微观压力场进行分析。

      图5示出两种方案燃烧室压力场对比。上止点前6°为开始燃烧阶段，由于方案1燃烧始点比方案2滞后约1°，方案1只有局部零星燃烧产生局部较高压力，而方案2已经多点燃烧，压力场整体相对较高。上止点前4°为喷油结束时刻，方案1侧隙和活塞顶面交接处出现一处压力高达20 MPa的区域，而方案2没有高压力区域，说明方案1中在狭窄空间出现了压力积聚。上止点前2°时为压力分层阶段，方案1侧隙和避阀坑附近出现三处压力高达20 MPa的区域，同时侧隙和避阀坑处也出现了两处压力低于10 MPa的区域，而方案2基本都处于12 MPa，说明方案1中在狭窄空间出现了压力积聚和压力衰减，分别对应压力振荡中的波峰和波谷，缸内空间存在明显的压力分层。上止点时刻两种方案大部分压力场处于12 MPa，但方案1侧隙和避阀坑附近仍有两处压力高达17MPa的区域，而方案2没有高压区域。综上所述，方案1在上止点附近避阀坑和侧隙存在较多的可燃油气，引起局部剧烈燃烧形成压力振荡，促使压力分层，但伴随振荡强度的迅速衰减，压力分布逐渐均匀。这与赵明等利用高速摄影在光学柴油机上研究柴油爆震过程的结果类似——爆震源于末端混合气的自燃，极其恶劣的循环出现了冲击波。

（2）缸内平均温度及温度场分析

      从图6缸内平均温度曲线对比可知，方案2缸内平均温度整体稍高于方案1。在上止点前7°左右，方案2缸内平均温度曲线开始快速上升，并且温度曲线拐点比方案1稍微提前，缸内平均温度较大值二者基本相同，均在2000K左右。两种方案缸内温度场对比如下：

① 方案1温度分布情况如下：

      燃烧始点在上止点前6°时，燃烧室内只有零星燃烧产生的局部较高温度场，避阀坑、活塞顶以及侧隙温度场处于600 K左右未燃烧状态的低温区域；在上止点前4°喷油结束时，燃烧室内大部分燃气开始燃烧，燃烧室温度分布不均匀，中间部分有明显低温区域，避阀坑、活塞顶以及侧隙局部温度较高；在上止点前2°为出现压力分层阶段，由于喷雾碰壁后扩展到避阀坑及侧隙，避阀坑、活塞顶以及侧隙形成局部易燃混合区，燃烧后温度高达2400 K，压力接近20 MPa；上止点时，燃烧室顶面以及侧隙局部温度大部分在1800 K，避阀坑部分区域温度高达2400K。

② 方案2温度分布情况如下：

      燃烧始点相对靠前，在上止点前6°时，喷雾前端基本都已燃烧，燃烧室内温度较高，温度分布不均匀，避阀坑、活塞顶以及侧隙局部已有2000 K以上高温区域；在上止点前4°喷油结束时，燃烧室内温度分布较为均匀，中间部分处于高温区域，避阀坑、活塞顶以及侧隙温度与燃烧开始阶段基本一致；上止点前2°时，燃烧室中间部位温度较高，但避阀坑、活塞顶以及侧隙温度较低；上止点时，燃烧室中间部位温度较高，但避阀坑、活塞顶以及侧隙温度较低。说明方案1由于燃烧始点滞后，喷雾碰壁后扩展到避阀坑及侧隙，发生了局部剧烈燃烧，导致避阀坑及凸台环岸处于高温区域时间较长，这与烧熔活塞故障区域统计结果一致；而方案2由于燃烧始点靠前，喷雾碰壁后在扩展到避阀坑及侧隙前就已蒸发汽化发生燃烧。

（3）放热规律差异分析

      由图7瞬态放热率曲线对比可知，两种方案在上止点时刻主要放热基本结束，放热规律整体表现为预混燃烧作为主导的预混扩散燃烧形式。温度由方案2的40℃降低到方案1的25℃时，燃烧放热始点推后约2°，相应地，滞燃期较长，预混燃烧占比增加，放热峰值增加，瞬态放热较大值由3757J/（°）升高到5663J/（°），瞬态放热较大值对应角度推后了1.3°（靠近上止点）。这与较大压升率变化相一致。

      图8示出两种方案累计放热量曲线对比。由图6可见，两种方案累计放热量基本相同，主要差别为上止点前方案2累计放热量较多，但上升幅度较缓，上止点到40°阶段，方案1累计放热量较多，40°后二者累计放热量基本一致。

      综上所述，两种方案缸内平均压力、缸内平均温度相近，较大压升率和放热峰值存在明显差异。而局部微观压力场、温度场差别较大。二者的差异存在与预混放热阶段混合气的形成过程关系密切，以下分析油气混合过程中的差异。

3、油气混合过程对比

（1）喷雾贯穿距离及燃油液滴分布

      从图9两种方案喷雾贯穿距离曲线对比可知，二者喷雾过程开始阶段一样，在上止点前12°附近喷雾贯穿距离达到较大，此时油束撞壁。到上止点前6°附近，方案2由于壁面温度和缸内气体温度相对较高，油束蒸发汽化开始燃烧，喷雾贯穿距离快速减小，而方案1由于缸内气体温度和壁面温度较低，油束蒸发汽化和开始燃烧相对靠后。

（2）蒸发率与油气混合

      图10示出燃油蒸发率曲线对比，蒸发率是气态的燃油质量与总燃油质量的比值，主要反映可燃气体的数量。主要分析区间为从开始喷油到开始燃烧阶段，上止点前22°开始喷油，上止点前18°燃油开始明显蒸发汽化，之后直到上止点前7°左右为蒸发率快速上升期，在这期间方案2的蒸发率一直高于方案1，说明方案2由于缸内气温稍高有助于燃油蒸发汽化，因此燃烧始点靠前；上止点前7°到上止点前4°阶段，两种方案蒸发率基本一样，主要是方案2在上止点前7°蒸发率出现拐点上升率有所放缓，而方案1直到上止点前5.5°左右蒸发率才出现拐点，上升率放缓；在上止点前4°到上止点阶段，方案2的蒸发率高于方案1，说明喷雾结束后全面燃烧，蒸发率主要取决于液滴附近的气体温度。

（3）燃烧室湿壁量

      从图11燃烧室湿壁量曲线对比可知，上止点前12°左右喷雾开始碰壁后燃烧室湿壁量快速增加，在燃烧始点时达到较大值，方案2在上止点前7°左右，方案1在上止点前6°左右；随着蒸发混合和局部燃烧开始，缸内温度上升使蒸发汽化量增加，湿壁量逐渐降低。方案2由于缸内温度和壁面温度较高，燃烧始点相对较早，蒸发汽化量较多，湿壁量相比方案1较少。随低温环境温度由40℃降到25℃，累计湿壁量由63.6 mg上升到71.7 mg，增幅为12.7%。这是由于燃烧始点缸内平均温度的差异造成的，说明油气混合主要取决于湿壁量和油膜蒸发速率。

      综上，喷雾撞壁后油气混合过程中的差异取决于燃烧始点的缸内温度和油膜蒸发速率（工作结构图如图12所示）。低温环境下油气混合过程中存在明显油束撞壁后向避阀坑和侧隙扩展现象，温度较低时上止点附近避阀坑可燃油气较多。

四、结论

（1）低温环境温度由40℃降低到25℃时，缸压和缸温曲线相近，压升率和放热率相差较大，较大压升率增幅为35.4%，累计湿壁量增幅为12.7%，瞬态放热率较大值增幅为50.7%，说明环境温度降低时存在机械负荷和热负荷同时增加的趋势；

（2）环境温度较低时，喷雾过程容易出现撞壁后向避阀坑扩展进入侧隙，在上止点附近发生了强烈的压力振荡，促使压力分层，局部较高燃烧压力达到约20MPa，较高燃烧温度达到2700K;

（3）低温环境下喷雾撞壁后湿壁量增加、滞燃期增长，导致急剧燃烧、瞬态放热量剧增的爆燃现象，附壁燃烧和局部急剧燃烧形成高温高压是造成活塞发生烧熔现象的主要因素。

总结：

    活塞烧熔是指柴油机活塞顶部受到高温烧灼形成的铸铁氧化物，会导致活塞与缸套之间的密封失效，并可能烧坏活塞、缸套和汽缸盖。活塞烧熔是柴油发电机使用过程中经常会发生的严重问题，因此，对活塞烧熔的产生机理有较好的了解和掌握，以及必要的预防措施，如调整及控制活塞体的组织结构、改善活塞体的设计、严格控制温度及选用优质的铸造原料。对确保柴油发电机的维修质量和使用过程，具有重要的意义。