柴油機燃燒室部件雷射熱負荷試驗及熱疲勞性能研究

《柴油機燃燒室部件雷射熱負荷試驗及熱疲勞性能研究》是依託中國科學院力學研究所，由虞鋼擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：柴油機燃燒室部件雷射熱負荷試驗及熱疲勞性能研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：虞鋼
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

隨著柴油機向高功率密度、高緊湊方向發展，由高熱負荷引起的燃燒室組件（活塞和氣缸蓋）的熱損傷問題日益突出。雷射束具有高功率密度、高時空可控性的特點，以雷射作為熱源更易於實現燃燒室部件隨時間變化的非均勻溫度場分布，雷射熱負荷試驗將成為評價受熱件熱負荷強度的有效手段。本項目以雷射為熱源模擬燃燒室部件（活塞和氣缸蓋）實際工況中的溫度場分布，採用衍射光學方法對雷射束進行整形，分別獲得滿足柴油機活塞和氣缸蓋火力面實際工況中的溫度場分布，進行低頻熱衝擊和高頻熱疲勞試驗，最佳化實驗參數，研究雷射載入周期、脈衝頻率以及脈衝波形和雷射束空間強度分布與燃燒室活塞和氣缸蓋雷射熱負荷強度的關係；研究柴油機燃燒室活塞和氣缸蓋的熱疲勞規律和機理。本項目的研究不僅為柴油機燃燒室部件的雷射熱負荷提供了新方法，同時為燃燒室部件的熱負荷規範的建立奠定了理論和實驗基礎。

結題摘要

燃燒室部件是內燃機的核心部件。隨著發動機往高功率密度方向發展，由高熱載荷引起的燃燒室部件表面熱疲勞失效已成為影響其使用及安全性能的關鍵工程問題，熱負荷試驗是測試和評價其熱疲勞性能的重要手段。本項目以雷射為加熱方式，充分利用雷射束在時間和空間上的高可控性，建立了雷射熱疲勞試驗研究系統，模擬了燃燒室部件在不同溫度場作用下的熱負荷過程，突破了傳統加熱方式難以實現的空間上非對稱、非均勻溫度分布和時間間隔為毫秒級的溫度波動的局限性。利用連續雷射與脈衝雷射在能量輸出的時間分布特性，結合自編的閉環控制程式，實現了多種類型的雷射熱疲勞試驗循環控制模式。基於二元光學方法設計並製作了光束空間強度變換元件，獲得不同雷射束空間強度分布，在部件表面實現了與實際工況一致的溫度場。分別採用氣體和循環水兩種冷卻方式控制零件表面的冷卻速率，研究了其對熱疲勞性能的影響規律。通過數值模擬和工藝試驗，對功率、脈寬、重複率、單脈衝能量、脈衝波形、離焦量等關鍵工藝參數進行最佳化，準確模擬了熱疲勞試驗過程中的溫度場分布及熱載荷循環過程，並分析了熱應力應變演化規律。開展了鋁合金活塞、蠕墨鑄鐵氣缸蓋及其材料級試樣的高周熱疲勞和低周熱衝擊試驗。採用紅外測溫儀器和熱電偶分別實時監測受熱表面及基體的溫度梯度，結合原位裂紋監測技術實時觀測裂紋演化過程，研究熱疲勞裂紋的演化機制。本項目研究成果提供了一種在多層次、多過程、多尺度範圍內深入研究各類受熱表面熱疲勞損傷影響因素及規律的研究方法，為燃燒室部件壽命預測和設計提供工程參考依據，並為建立雷射熱疲勞試驗規範和標準奠定了理論和實驗基礎，同時對本項目的工程套用有重要指導意義。