低温下柴油机活塞烧蚀复现试验
针对某柴油机在低温环境下工作频繁出现活塞烧蚀的问题，通过模拟低温环境试验复现了活塞烧蚀现象。利用三维仿真手段，分析了两种低温环境温度（25℃和40℃）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，阐明了活塞烧蚀工况缸内爆燃时油气混合及燃烧放热特点。仿真结果表明：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，最大压升率增加35.4%，累计湿壁量增加12.7%，瞬态放热最大值增加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，引起局部最高燃烧压力达到20mpa、最高燃烧温度达到2700k的爆燃现象。
实际发动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。本研究在低温环境活塞烧蚀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，然后分析活塞烧蚀与未烧蚀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、活塞烧蚀复现试验
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蚀。低温环境特点为发动机冷却液温度和进气温度低于正常工况时，发动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蚀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蚀现象，其爆燃和烧蚀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，活塞未出现明显烧蚀现象；当回水温度控制在25℃左右时，活塞出现部分烧蚀现象；当回水温度控制在15℃左右时，活塞出现活塞掉块、严重拉缸的严重烧蚀故障。
二、计算方案与模型
计算方案以活塞烧蚀复现试验中发生烧蚀现象和未发生烧蚀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、发动机模型
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，最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，最小计算时间步长为1×10-6s，最大计算时间步长为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
方案
方案1
方案2
缸内初始压力/mpa
0.165
0.165
缸内初始温度/k
350
365
活塞壁温/k
450
465
缸套壁温/k
350
365
缸盖壁温/k
400
415
2、模型验证
低温环境下试验与仿真缸压曲线对比见图1和图2。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。
图1 柴油机试验与仿真气缸压力对比（25℃）
图2 柴油机试验与仿真气缸压力对比（40℃）
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，低温环境对最大瞬态放热率影响最大，其次为最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
参数
方案1
方案2
最高燃烧压力/mpa
11.4
11.2
最高燃烧压力相位/（°）
2.5
2
最大压升率/mpa·（°）-1
6.5
4.8
最大压升率相位/（°）
-5.6
-6.9
最高燃烧温度/k
2032
2044
累计湿壁量/mg
71.7
63.6
最大瞬态放热率/j·（°）-1
5663
3757
最大瞬态放热率相位/（°）
-5.5
-6.8
燃烧始点/（°）
-6.4
-7.7
滞燃期/（°）
15.6
14.3
累计放热量/j
7382
7.456
2、燃烧放热过程分析
（1）缸内平均压力及压力场分析
从图3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，最高燃烧压力比方案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最高燃烧压力为11.4 mpa，方案2为11.2 mpa，方案1最大压升率为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6示出两种方案燃烧室压力场对比。上
