排气歧管温度场对矿用防爆柴油机防爆性能的影响

王雅珲，岳东鹏

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

防爆柴油机以其热效率高、燃油消耗低、使用安全、操作灵活的特点，日渐成为井下煤炭开采主要动力之一，越来越受到机械行业及煤炭企业的青睐。排气系统承担着发动机尾气排放的责任，是车辆总成中重要的一部分。它的降噪技术、尾气净化技术等问题已被广泛研究，但其温度场的分布却没有引起足够的重视[1]。发动机产生的高温气体传递给排气歧管，恶劣的工作环境使排气歧管长期受到高温气体的侵蚀，因此对排气歧管的温度场进行准确分析，对防爆与消声有着重要意义。本文借助ANSYS软件数值模拟方法，完成了对玉柴YC4FA120-40发动机排气歧管的三维建模，得到了符合实际工作状况的传热边界条件，并评价了排气歧管安全性能的好坏。

1 进排气系统的典型结构及排气歧管建模

在易燃易爆的环境中工作时，由于柴油机气缸内排出的废气中含有大量易燃物质，若直接排进周围环境，容易引燃井下气体。2006年国家发改委发布的《矿用防爆柴油机通用技术条件》中对防爆柴油机规定：任一表面温度不得超过150℃；排气温度不得超过70℃。传统柴油机排气温度可达65℃左右，排气歧管、排气歧管的温度为30～50℃，其壁面温度、排气温度过高，若应用于采矿井下，极易引燃井下气体，引起爆炸危险[2]。为了使柴油机达到防爆性能的要求，降低排气温度及排气系统表面的温度，需要在传统柴油机的基础上进行一系列改造，如在防爆柴油机排气系统中加装防爆辅助装置，如排气水洗箱、排气栅栏等[3]。防爆柴油机进排气系统的典型结构如图1所示。

玉柴YC4FA120-40发动机排气歧管简图如图2所示。在建模时，根据排气歧管的形状特征，选用“零件”模块进行拉伸操作。然后，利用基准线选择合适的尺寸，在拉伸好的长方体上打孔并贯通，用建造斜平面的方式切割凸台，使其与已知平面呈30°角。最后，将凸台空心并打孔，钻出相应的贯通孔并做出工艺要求过渡。排气歧管成品图如图3所示。

图1 防爆柴油机进排气系统的典型结构

图2 玉柴YC4FA120-40排气歧管正视图

图3 排气歧管成品图

2 排气歧管的温度分布

本研究以玉柴某发动机的排气歧管装置为研究对象，发动机的参数如表1所示。基于ANSYS软件对进气管和排气歧管内的气体进行了流场分析。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

表1 玉柴YC4FA120-40发动机的参数

由于本文中所使用的软件为PRO/E和ANSYS，可以将前文在PRO/E中建立的三维立体模型直接导入到ANSYS中，无需其他转换工作。前处理装置的模型在Pro/E软件中建立，完成后将模型导入ANSYS软件中进行模型的后处理操作。由有限元理论得知，用三维实体单元来描述后处理结构，更能反映实际状况。鉴于排气歧管的烟气模型比较简单，进行网格划分时，选用了四面体单元，网格单元类型采用Tet/Hybrid，划分方法采用TGrid。该后处理装置的模型划分为499611个单元和98700个节点，节点单元网格划分后的离散结构如图4所示。

图4 导入ANSYS中的有限元网格示意图

为了对排气歧管的温度场进行分析，在ANSYS中设置了极限的边界条件[4-5]。假设烟气为不可压缩流体，四缸柴油机每次只有一个气缸排气，所以排气歧管的4个排气口一次只设置一个进、出口，本文实例仿真以发动机180°转角时温度场为模型。壁面类型设为Wall，冷却水套内为冷却水。烟气入口处的温度设为900 K，出口处的温度设为580 K，设置界面如图5所示。其余边界设为壁面，壁面采用默认的无滑移边界条件，壁面厚度设为3 mm，密度为7.4×10-9kg/m3，且排气歧管外表面与冷却水之间发生强制冷循环，冷却水温度设为360 K。对于传热边界，排气歧管外部使用自然对流散热边界，通过Interactions-surface film condition添加到模型里，其中surface选择排气歧管外表面。计算出的排气歧管温度分布云图如图6所示。

图5 相关参数的设置界面

图6 排气歧管壁面的温度分布云图

从图6中可以看出，在排气歧管烟气进口处、与发动机缸盖的结合面上及法兰处的歧管壁面温度较高，其温度值最高为546 K。温度分布趋势为：在冷却水入口处的温度较低，而离冷却水较远一端的排气歧管管壁温度较高。排气歧管外管壁的温度都不高于417 K。尤其在高温区域集中的排气歧管烟气进口处、法兰处及排气歧管外壁面温度较低，排气歧管内外壁之间也存在温度梯度，其温度处于296～370 K范围内，温度差小于110 K，不能点燃井下环境中的易燃、易爆气体，满足安全防爆的要求[6]。

众所周知，内外壁温差的大小决定了热应力的大小，整个排气歧管的最大应力就在法兰处，这是因为发动机排出的高温废气从这里流入排气歧管，并且此处是全约束，因此在经过长时间的热应力和机械应力共同作用下，这些位置就是发生热疲劳断裂的地方。在实际工作中，排气歧管的断裂位置也曾出现在这个位置。因此，可以推测，玉柴YC4FA120-40排气歧管在理论上可以达到防爆性能的要求，如要求更高的安全性能，可在法兰处增大壁厚，减小这种断裂的可能性[7-8]。可见，排气歧管的温度场的研究对分析防爆性能具有一定的理论指导意义。

3 结束语

本文建立了发动机排气歧管的三维模型，并借助于有限元分析软件ANSYS计算分析了排气歧管的温度场，得到了符合实际工作状况的传热边界条件，为进一步改进和优化柴油机排气歧管的结构设计提供了有效的依据。从总体上考虑，排气歧管的最高温度仍然是影响柴油机防爆性能的主要方面。未来工作将主要致力于对排气歧管的最高温度进行控制，选取更为合适的材料，以期对矿用柴油机的防爆和消声的研究工作提供有力的支撑。

[1]中华人民共和国发展与改革委员会.矿用防爆柴油机通用技术条件[Z].煤炭标准，2006.

[2]王斌，张翠平，赵明岗.煤矿用防爆柴油机的应用现状与发展趋势[J].矿山机械，2010，38（14）：5-6.

[3]贠少强.防爆柴油机车运输对矿井通风安全的影响分析[J].现代商贸工业，2014（2）：185-186.

[4]GALINDO J.Design of an exhaust manifold to improve transient performance of a high-speed turbocharged diesel engine[J].Sciencedirect，2004，28（8）：863-875.

[5]RAKOPOULOS C D，GIAKOUMISE G.Availability analysis of a turbocharged diesel engine operating under transient load conditions[J].Journal of Power Technologies，2002（27）：1027-1056.

[6]郭艳茹.某车排气系统的性能分析及改进研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[7]傅秋阳.某发动机排气歧管流固耦合分析的应用[J].合肥工业大学学报，2009，11（32）：175-177.

[8]赵楠楠.发动机排气系统优化设计及应用分析[D].武汉：武汉理工大学，2012.