基于有限元方法的缸体缸盖温度场模拟分析与试验研究

2017-05-22张雪林

汽车实用技术 2017年17期

关键词：一缸缸盖缸体

张雪林

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥 230601）

发动机的缸体缸盖不仅承受缸内爆发压力等较高的机械载荷，同时承受燃烧产生的高温，较高的温度除了会产生一定的热应力外，还会使材料的机械性能下降，主要体现在弹性模量以及抗拉强度等的降低，导致缸体缸盖能承受的机械载荷的水平也降低。

本文主要运用双向流固耦合的方法，使用全模型对某汽油机的缸体缸盖进行温度场研究，并且考虑材料属性随温度变化的非线性特性，得到的温度与试验进行对比。以此研究某汽油机的缸体缸盖的温度场分布。

1 双向流固耦合基本原理

缸体缸盖耦合分析是一个多学科联合的有限元问题，包括热能、传热学、流体、结构、材料、喷雾以及有限元知识等等。理论复杂，热固耦合计算的关键是实现流体与固体或交界壁面处的热量传递。由能量守恒可知，在流固耦合界面处，固体传出的热量应等于流体吸收的热量。所以，采用下面的方程来描述这一守恒，联接实体的Fourier热传导方程和流体的对流换热控制方程。

式中：Kcond为固体的导热系数；hconv为局部对流换热系数；Tf为流体温度；Tw为壁面温度。

流体侧，采用k-ε湍流模型来计算流体与壁面的对流换热边界条件，标准的k-ε湍流模型的输送方程为：

式中：k为湍动能；ε为湍动能耗散率；Gk为由平均速度梯度产生的湍动能项；Gb为由浮力产生的湍动能项；YM表示膨胀耗散项；C1ε、C2ε、C3ε为常数；σk、σε为 k和 ε的湍流普朗特数；Sk、Sε为用户定义的源项。

固体侧，内燃机固体结构的传热为稳态导热问题，一般假设零件为常物性并无内热源，其控制方程为：

式中kx、ky、kz为沿x、y、z方向的热传导系数。

2 温度场计算与分析

2.1 网格划分

使用hypermesh软件对网格进行划分，分析模型包括缸体、缸盖、缸盖螺栓、进气门、排气门、气门座圈、气门导管和缸垫，在传热分析时还包括进排气门。使用 Hypermesh对模型进行网格划分，传热分析时单元类型均选择一阶传热单元，有限元模型如图1所示。

图1 温度场分析有限元模型

2.2 热边界的映射

通过 CFD分析，得到缸内气体侧的温度及换热系数边界，主要包括缸盖火力面、进排气道以及缸套等部分。再把气体侧的边界映射到对应的结构网格中进行传热分析，部分温度及换热系数边界如图2、3所示。

图2 进排气道和火力面处的换热系数边界

图3 进排气道和火力面处的温度边界

2.3 温度场分析

图4 为缸盖的温度场分布结果，可以看出，缸盖上最高温度为 247℃，一般要求铝合金材料的工作温度要小于 260℃。缸盖上的最高温度过高或者过低都不好，温度过高会导致缸盖的材料性能下降，热应力增加，使缸盖发生开裂。温度过低说明发生过冷却，燃烧产生的能量被冷却水带走的增加，导致发动机功率下降，油耗增加。可以通过调整水泵的能力，缸盖水套的设计或者调整缸盖的壁厚来调整缸盖上的最高温度。

缸盖的最高温度位置在第三缸的两排气门座圈之间，从整体温度分布可以看出排气侧的温度明显高于进气侧，这是由于排气温度较高而进气温度低。各缸的温度分布较一致，四个缸的A、B两点的温度值如表1所示。可以看出一、二缸的温度较低，这是由于缸盖水套的进水口在一缸侧，也就是说冷水是先从一缸流入，最后流过四缸，一缸的冷却能力较四缸强，因此一缸的温度最低。

进排气门座圈之间的温度梯度较明显，由于温度的变化此部分会产生较大的应力变化，因此容易产生疲劳断裂，需要进一步进行应力以及疲劳的分析。

图4 缸盖的温度分布

表1 各缸A、B点的温度值

图5 缸体的温度分布

缸体的温度分布如图5所示，可以看出缸体上的最高温度为 221℃，一般要求灰铸铁缸体的工作温度小于240℃。

3 试验研究

温度的测量选择在缸体缸盖中预埋温度传感器的方式，由于结构本身的限制以及方便连接线的引出，缸盖共4个测量点，在机体鼻梁区上表面加工3个传感器孔，在缸体鼻梁区火力面下端65mm处同样加工3个测量传感器孔，传感器的直径一般选用1.5mm±0.1，加工孔一般在1.65mm。传感器的探头需要和发动机的加工孔壁要充分接触，布置之前需要标定传感器测量精度。测点的布置情况如图6所示。

图6 测点的布置情况

缸盖排气侧鼻梁区均在第四缸测得的温度最高，第二缸测得的温度最低，达到32.7℃，排气侧温度均匀性不高。试验中测量点在缸盖内部，垂直距离燃烧室表面4mm处，此处模拟分析结果约为 180℃左右，而试验测量得到最高 175.4℃。缸体鼻梁区上侧温度均匀性良好，在各转速下，三处温度差均不超过5℃，最高温度219.7℃，位于二缸和三缸之间。此处模拟分析结果约为210℃。缸体鼻梁区下侧温度均匀性同样较好，在各转速下，三处温度差在 8℃以内，最高温度为 192.0℃，位于一缸和二缸之间。试验中缸体鼻梁区下侧传感器测量深度为距离火力面 65mm处，模拟分析结果约为200℃。