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轻型车辆柴油发动机AlSiCuNiMg活塞在燃烧碗区域热核机械载荷;着重研究先进有限单元分析和仪表化发动机测试技术

摘要

现代汽车柴油发动机的比功率输出和热负荷特性的持续上升给活塞工程师和科学家提出了持续增进其对热机械负荷和耐久性因素的知识和理解的挑战。 在预工程阶段预测热机械疲劳（TMF）效应的能力将增加技术选择和改善部件设计过程，从而达到更高效的开发阶段。

本文回顾了如何使用先进的仪表化发动机测试和有限元建模（FEM）技术帮助工程师改进他们对汽车AlSiCuNiMg活塞中瞬态热负荷状况的理解。该研究提供了在两个柴油机平台中的的高频和低频操作状态下的瞬时测量活塞温度的深入观察。本文的初始部分提供了柴油活塞燃烧碗负载的介绍以及目前使用和正在开发的模拟技术，以增强对随时间变化的热机械变形和疲劳建模的能力。本节总结来说是与AlSiCuNiMg活塞合金的“类发动机”负载的特征和测试相关的关键问题的类似概要。

1.0引言

在柴油发动机开发中，增加比功率输出，同时减少排放和燃料消耗的持续趋势导致汽车柴油活塞的越来越严苛的缸内压力和温度条件。目前为高功率LVD发动机平台开发的AlSiCuNiMg活塞具有420℃的峰值燃烧碗温度，峰值气缸压力超过20MPa。活塞材料峰值温度代表超过0.8的同源TH值（TH是与K中的熔融温度的比率），使得汽车柴油活塞对于疲劳关键设计是相当独特的工程挑战。

为了满足这些要求，Federal Mogul不断寻求开发过程和测试解决方案，以提高其AlSiCuNiMg活塞产品的设计耐久性。该评论旨在讨论影响燃烧碗区域的疲劳的周期性高低频加载方案和用于测量发动机中的部件温度的方法。讨论限于最佳燃烧条件的假设理论，但是应当注意的是，大部分部件失效是在开发期间的燃烧/发动机不稳定性和/或包含来自重力压铸工艺的活塞中固有的微结构缺陷的结果 对于这些故障变量中的任一个的耐久设计指导通常受到用于设计的可用几何包络和汽车工业的成本关键性质的限制。

2.0 柴油燃烧碗负荷

柴油燃烧为活塞顶造成了复杂的机械，热和环境负荷相关的相互作用的组合。在燃烧碗表面处的原位加载可以由周期性或瞬时高周期机械叠加上高和低周期热负载组成。组合的热和机械负载方案的效果通常被称为热机械负载。

缸内负载条件使活塞受到来自在频率范围（7.5Hz-50Hz）中操作的燃烧和惯性力的周期性机械负载。燃烧过程中使活塞顶处于急剧变化的温度中产生了导致热应变-应力场的热梯度。热负载在发动机的高（7.5Hz-50Hz）和低频（0.01Hz-0.001Hz）工作范围内存在程度不同。

2.1. 高周期热疲劳负荷（HCTF）

四冲程发动机循环提供了导致活塞表面温度波动的周期性热通量。 到活塞顶部的热传递的速率和性质主要由燃烧策略和发动机结构决定。 高频温度变化表示“局部表面现象”，其振幅随着与表面的距离而快速衰减，直到达到近似稳态条件，分析如图1.0所示。产生的温度梯度提供导致热负荷的热约束条件。热负荷的分布由温度梯度的大小和它们相对于燃烧碗表面的渗透深度决定。

高频热负荷循环（HCTF）具有异相关系（即在最高温度下观察到热应力最小值），如图1.0所示。了解HCTF循环并验证模拟理论，特别是周期波函数， 振幅和瞬态穿透深度，需要内在和外在设计灵敏度因素的量化，包括：

. 多维燃烧效应和策略。

. 燃烧碗上的热传递的空间变化。

. 燃烧碗几何设计。

. 组件材料。

. 燃烧碗表面的碳沉积。

. 铝氧化层效应。

. 发动机工作频率。

图1.0.数值表示高周期的瞬态温度和相关的热应力响应特性，显示振幅降低与距表面的距离作为时间的函数

1. 高循环温度变化（插图：精细轴对称FEA网格）
2. 高循环热应力幅度作随时间的函数。模拟的是LVD发动机平台转速4000时的最大功率的情况。

在高功率75kW / l LVD应用的最大功率条件下，空间变化的燃烧碗温度的分析表示在图2（a＆b）中示出。该模型使用发动机测试测量来验证作为油冷通道和进排气阀位置的函数的温度场。另外，分析叠加了用于进出喷射器羽流的位置的一组通量条件，所述边界条件是从现代燃烧模拟技术的经验得到的。应当注意，关于表面冲击羽流和离开羽流碗边缘温度的验证燃烧模拟工作的发动机温度测量的详细数据库目前不存在，并且仍然是用于改进阐述的研究的主动来源，并且同样地，任何预测和讨论仍然主要是非量化理论。这一点通过以下事实突出显示：虽然无疑的是，故障喷射器和/或不受控的局部燃烧可以使表面暴露于在入羽流位置周围的局部/熔化，腐蚀和破裂，AlSiCuNiMg合金在正常操作下的预测的热应力场很大程度上不受羽流区内和外的温度预测的空间变化的影响。

图2b中详述的分析使用瞬时和循环平均通量条件来导出活塞温度。瞬时通量分析在燃烧碗边缘有大约25℃的波动温度振幅，同时峰值温度值比周期平均通量计算结果高10-15℃。

图2.0（a＆b）

1. 数字表示最大功率状态的75kW / l LVD发动机峰值高周期瞬态温度场
2. 围绕燃烧碗边缘区域的高周期温度变化突出显示最小和最大瞬变范围和稳态循环平均温度

值。

2.2.高周期疲劳负荷（HCMF）

活塞顶上的循环机械载荷是缸内燃烧压力和由汽车动力系的运动提供的惯性力的函数。冠部上的机械负载是在720°曲轴转角上的周期函数，其中最大值在做功冲程的上止点位置之后不久与最大燃烧压力一致实现。在碗边缘，峰值机械负载是不对称的，并且围绕其圆周是正弦的，如图2.0所示。这种应力分布的性质对于疲劳特性是至关重要的，其中活塞销轴线在张力中对在测试中观察到的所有燃烧碗轮缘失效的95％以上负责。剩余大多数故障发生在运行轴上压缩最小值的位置。虽然发生了少量的离轴故障，但是在几乎所有情况下，这可以被认为是通常由于喷射器问题而存在材料缺陷或局部燃烧过载的直接结果。在假定稳态理论体积热应力场在高温下完全松弛的情况下，用于碗边缘位置的机械应力的周期函数基本上如图3.0（a和b）所示。

图3.0. 表示燃烧碗绕碗边缘的峰值周期载荷。该图显示了销轴周围正弦分布支配主应力与拉伸最大值和运行轴上压缩最小值。 活塞A代表一个建筑优化的应力状态和活塞B（对于相同的发动机）一个受不良连杆设计影响非优化的几何状态。

2.3.超声波高频热机载荷

高频热（HCTF）和力（HCMF）负载本质上都是周期性的，但不是同相的并且需要叠加。在图4.0（a＆b）中，所得的叠加的热机械应力响应特性呈现为销轴（图4.0a）和运行轴（图4.0b）碗边缘位置的M T（循环）图。在图4.0中，M T（循环）曲线表示由瞬态机械载荷M和在720度发动机循环上的瞬时活塞温度变化T（循环）导致的失效临界主应力场的叠加。 M T（SS）表示相同的机械发动机负载M，但是叠加在从循环平均稳态温度分析T（SS）导出的热应力场上。在所有情况下，热张量都经历了粘性应力松弛。在高温下，任何表观稳态热应力场都完全松弛，只留下由发动机循环期间的瞬时温度变化引起的波动热应力参与高频热机械应力张量。

（a）. 碗边缘销轴

图4.0（a）. 周期波动的高周期负荷的针轴碗碗（a）和运行轴的主要推力位置（b）. 关键：（1）稳态（SS）周期性机械（HCMF） 热应力响应[M T（SS）]。 使用循环平均热通量值导出SS条件，导致在最大温度下完全弛豫的非波动体积热应力。 （2）循环响应叠加周期性HCMF和瞬态HCTMF周期[M T（Cyclic）]。

（b）.碗边缘运行轴

图4.0（b）.对销轴和运行轴主要推力位置的周期波动的高周期载荷（b）。 关键：（1）稳态周期机械（HCMF） 热应力响应[M T（SS）]。稳态条件是从用导致在最大温度完全松弛的非波动的热应力周期平均热流值获得的。（2）周期响应叠加了周期HCMF和瞬态HCTMF循环[M T（Cyclic）]。

图4.0的关键评估揭示了叠加应力条件将如何影响疲劳分析在振幅和平均负载方面。 重要的是，识别与热异相压缩负载和机械叠加场（由针轴上的机械张力和在运行轴上的压缩表示）相关的相位差关系。

2.4.可变负荷发动机操作下低周热疲劳负荷

发动机的热循环描述了导致通过活塞的温度变化的可变负载操作事件。与HCTF循环相比，发动机负载摆动在比在高频操作循环中存在的那些时间段低几个数量级的时间段上跨越设计临界区段传递更大幅度的温度变化。所得到的温度梯度和热约束中的变化提供幅度上高于HCMF信号的瞬态热机械负载，直到达到稳态温度条件。变负载发动机操作被称为与其频率相关的“低循环”或“低频”疲劳循环0.01Hz - 0.001Hz）和在瞬态负载期间获得的较大的应力应变幅度。在本文中，低周期（LC）可变负载热疲劳（TF）将由缩写“LCTF”表示。

在低周期方案中，存在复杂的异相负载响应，其中机械应变最小值和最大值相对于温度峰值在200°-300°的范围内偏移。 该相移在图5.0中示出，以及热负荷率对相移和应力循环最大值和最小值位置的影响。 LCTF振幅和相移程度取决于许多因素，其主要参数如下所示：

. 几何布局

. 冷却策略

. 部件材料的热惯性。

. 燃烧策略。

. 发动机设计。

. 测试周期。

图5.0(aamp;b).(a)对典型的发动机热低负荷到高负荷方形波热周期的周期温度响应。在10-25摄氏度范围内的四个加热和冷却率施加载荷(这些速率表示的是所测量的汽车柴油测试发动机很宽的跨度部分).插图是燃烧碗边缘位置，正是从这里我们获得了响应曲线。（b）在燃烧碗边缘与图（a）中所示温度分布相关的位置的应力响应.

在汽车柴油机测试中的热循环通常根据对于最大功率或转矩条件从0％负载到100％宽开节流阀（WOT）的偏移量来讨论。 瞬态负载的严重性由上面给出的设计影响的组合确定，并且可以根据在加热和冷却事件期间临界部分的温度变化范围和速率来测量。

2.5. 高频和低频叠加的热机械负荷

周期性机械（HCMF）和热负载（HCTF和LCTF）循环的叠加产生了热机械负载情况，其表示在可变负载发动机操作期间的在用状态。 作为示例，对于在低负载和高负载之间发生的典型的发动机方波热循环，在30Hz的平均发动机循环频率下具有180秒的持续时间，单个LCTF事件由5400个叠加的高频周期组成。 低和高周期信号的叠加的表示在图6.0中示出为使用FEA模拟技术从高速率依赖的粘塑性材料模型导出的第n个发动机循环的应力应变滞后回线。

图6.0. 叠加的高周期和低周期碗边缘载荷（HCMF HCTF） （LCTF），表现为从180s方形波（空-满载）发动机热周期分析的应力-应变滞后。模拟显示的是第n个发动机周期。

3.0. AlSiCuNiMg活塞合金的形变和失效特性

在现代柴油发动机中在高温（高于0.8TH）下的重力铸造AlSiCuNiMg合金主要易于在铸造过程中固有的内在缺陷以及在测试期间由非最佳燃烧/发动机操作条件提供的过载下失效。这些失效模式虽然是非常令人关注的，但是是现实，并且非常难以从开发过程进行有效地预工程。

假设柴油发动机处于受控的稳定运行，Federal Mogul积极参与研究大变形率叠加热机械行为，以了在短程微观结构和长程宏观结构变形和损伤特性上热和机械载荷的相互作用。先进的时间依赖性模拟技术的发展需要疲劳算法，其包括关于在特定叠加LCTF和HCMF负载下实现的损伤响应的材料寿命预期。类似地，使用FEA对时间相关性质建模所需的变形模型必须包括时间和速率依赖的粘塑性

图7.0（a-c）.对与（a）所示的原始材料条件的HCMF载荷（b）和叠加热机械载荷（HCMF LCTF）局部微观结构响应。测试是用定制试验台在叠加高周机械载荷（70Hz）和低周热载荷下完成的。（可变约束和加载率能力）

在图7.0中，示出了用于半原位叠加热机械钻机试验的局部微结构损伤效应。初始步骤包括在350℃下等温热完全逆转HCMF负载的10e7个循环。在测试的第二阶段中，用燃烧碗边缘区域典型的加热和冷却速率使LCTMF信号与在200-440摄氏度范围内的5000三角波温度周期叠加（没有热约束，即平均应力被控制为零）。进行这些测试以评估具有叠加的HCMF信号的热循环的纯短程微观结构效应。所得到的微结构在HCMF循环之后的图7.0（b）中和在叠加测试之后的图7.0（c）中示出。微结构突出了叠加循环的效果，因此确认疲劳结果的预测显示叠加信号的疲劳寿命的预测需要从叠加台架测试中存在寿命数据。

4.0.零件仿真方法

在理解加载在叠加状态下的变形和损坏效应方面取得的当前技术进步集中在开发特定的控制的类似发动机的非发动机试验策略，以帮助材料科学家理解微结构中的变形和损伤发

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