柴油机燃烧室部件激光热负荷试验及热疲劳性能研究

With diesel engine developing to be of high-density high power density and high compact characteristics, the thermal damage caused by thermal loading of the combustion chamber components (pistons and cylinder head), have become increasingly prominent. Laser beam is high power density,and has the characteristics of high spatial and temporal controllability.As the heat source,laser is easier to achieve non-uniform temperature distributions on the combustion chamber components changing over time. Laser thermal loading test has become an effective means of evaluation of thermal loading intensity of heated parts.In this project, using laser as heat source temperature distributions in the actual working conditions of the combustion chamber parts (pistonand cylinder head) will be simulated. Diffractive optical elements were adopted to do laser beam shaping to meet the temperature distribution of diesel engine piston and cylinder head fire surfaces in the actual working conditions. Low cycle thermal shock and high cycle thermal fatigue tests will be carried out. Experimental parameters will be optimized. The relationships between laser loading cycle, pulse frequency, pulse shape, laser beam spatial intensity distribution and thermal loading intensity of the piston and gas cylinder head in combustion chamber will be studied. Thermal fatigue law and mechanism of piston and cylinder head in diesel engine combustion chamber will be investigated. This project is not only a new method for laser themal loading of diesel engine combustion chamber components, at the same time will lay the theoretical and experimental foundation for establish of thermal loading specification of the combustion chamber components.

随着柴油机向高功率密度、高紧凑方向发展，由高热负荷引起的燃烧室组件（活塞和气缸盖）的热损伤问题日益突出。激光束具有高功率密度、高时空可控性的特点，以激光作为热源更易于实现燃烧室部件随时间变化的非均匀温度场分布，激光热负荷试验将成为评价受热件热负荷强度的有效手段。本项目以激光为热源模拟燃烧室部件（活塞和气缸盖）实际工况中的温度场分布，采用衍射光学方法对激光束进行整形，分别获得满足柴油机活塞和气缸盖火力面实际工况中的温度场分布，进行低频热冲击和高频热疲劳试验，优化实验参数，研究激光加载周期、脉冲频率以及脉冲波形和激光束空间强度分布与燃烧室活塞和气缸盖激光热负荷强度的关系；研究柴油机燃烧室活塞和气缸盖的热疲劳规律和机理。本项目的研究不仅为柴油机燃烧室部件的激光热负荷提供了新方法，同时为燃烧室部件的热负荷规范的建立奠定了理论和实验基础。

燃烧室部件是内燃机的核心部件。随着发动机往高功率密度方向发展，由高热载荷引起的燃烧室部件表面热疲劳失效已成为影响其使用及安全性能的关键工程问题，热负荷试验是测试和评价其热疲劳性能的重要手段。本项目以激光为加热方式，充分利用激光束在时间和空间上的高可控性，建立了激光热疲劳试验研究系统，模拟了燃烧室部件在不同温度场作用下的热负荷过程，突破了传统加热方式难以实现的空间上非对称、非均匀温度分布和时间间隔为毫秒级的温度波动的局限性。利用连续激光与脉冲激光在能量输出的时间分布特性，结合自编的闭环控制程序，实现了多种类型的激光热疲劳试验循环控制模式。基于二元光学方法设计并制作了光束空间强度变换元件，获得不同激光束空间强度分布，在部件表面实现了与实际工况一致的温度场。分别采用气体和循环水两种冷却方式控制零件表面的冷却速率，研究了其对热疲劳性能的影响规律。通过数值模拟和工艺试验，对功率、脉宽、重复率、单脉冲能量、脉冲波形、离焦量等关键工艺参数进行优化，准确模拟了热疲劳试验过程中的温度场分布及热载荷循环过程，并分析了热应力应变演化规律。开展了铝合金活塞、蠕墨铸铁气缸盖及其材料级试样的高周热疲劳和低周热冲击试验。采用红外测温仪器和热电偶分别实时监测受热表面及基体的温度梯度，结合原位裂纹监测技术实时观测裂纹演化过程，研究热疲劳裂纹的演化机制。本项目研究成果提供了一种在多层次、多过程、多尺度范围内深入研究各类受热表面热疲劳损伤影响因素及规律的研究方法，为燃烧室部件寿命预测和设计提供工程参考依据，并为建立激光热疲劳试验规范和标准奠定了理论和实验基础，同时对本项目的工程应用有重要指导意义。