王雅琿，岳東鵬

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

防爆柴油機(jī)以其熱效率高、燃油消耗低、使用安全、操作靈活的特點(diǎn)，日漸成為井下煤炭開采主要動力之一，越來越受到機(jī)械行業(yè)及煤炭企業(yè)的青睞。排氣系統(tǒng)承擔(dān)著發(fā)動機(jī)尾氣排放的責(zé)任，是車輛總成中重要的一部分。它的降噪技術(shù)、尾氣凈化技術(shù)等問題已被廣泛研究，但其溫度場的分布卻沒有引起足夠的重視[1]。發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫氣體傳遞給排氣歧管，惡劣的工作環(huán)境使排氣歧管長期受到高溫氣體的侵蝕，因此對排氣歧管的溫度場進(jìn)行準(zhǔn)確分析，對防爆與消聲有著重要意義。本文借助ANSYS軟件數(shù)值模擬方法，完成了對玉柴YC4FA120-40發(fā)動機(jī)排氣歧管的三維建模，得到了符合實(shí)際工作狀況的傳熱邊界條件，并評價(jià)了排氣歧管安全性能的好壞。

1 進(jìn)排氣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)及排氣歧管建模

在易燃易爆的環(huán)境中工作時，由于柴油機(jī)氣缸內(nèi)排出的廢氣中含有大量易燃物質(zhì)，若直接排進(jìn)周圍環(huán)境，容易引燃井下氣體。2006年國家發(fā)改委發(fā)布的《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中對防爆柴油機(jī)規(guī)定：任一表面溫度不得超過150℃；排氣溫度不得超過70℃。傳統(tǒng)柴油機(jī)排氣溫度可達(dá)65℃左右，排氣歧管、排氣歧管的溫度為30～50℃，其壁面溫度、排氣溫度過高，若應(yīng)用于采礦井下，極易引燃井下氣體，引起爆炸危險(xiǎn)[2]。為了使柴油機(jī)達(dá)到防爆性能的要求，降低排氣溫度及排氣系統(tǒng)表面的溫度，需要在傳統(tǒng)柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列改造，如在防爆柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中加裝防爆輔助裝置，如排氣水洗箱、排氣柵欄等[3]。防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

玉柴YC4FA120-40發(fā)動機(jī)排氣歧管簡圖如圖2所示。在建模時，根據(jù)排氣歧管的形狀特征，選用“零件”模塊進(jìn)行拉伸操作。然后，利用基準(zhǔn)線選擇合適的尺寸，在拉伸好的長方體上打孔并貫通，用建造斜平面的方式切割凸臺，使其與已知平面呈30°角。最后，將凸臺空心并打孔，鉆出相應(yīng)的貫通孔并做出工藝要求過渡。排氣歧管成品圖如圖3所示。

圖1 防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

圖2 玉柴YC4FA120-40排氣歧管正視圖

圖3 排氣歧管成品圖

2 排氣歧管的溫度分布

本研究以玉柴某發(fā)動機(jī)的排氣歧管裝置為研究對象，發(fā)動機(jī)的參數(shù)如表1所示?；贏NSYS軟件對進(jìn)氣管和排氣歧管內(nèi)的氣體進(jìn)行了流場分析。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAE工具之一。

表1 玉柴YC4FA120-40發(fā)動機(jī)的參數(shù)

由于本文中所使用的軟件為PRO/E和ANSYS，可以將前文在PRO/E中建立的三維立體模型直接導(dǎo)入到ANSYS中，無需其他轉(zhuǎn)換工作。前處理裝置的模型在Pro/E軟件中建立，完成后將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行模型的后處理操作。由有限元理論得知，用三維實(shí)體單元來描述后處理結(jié)構(gòu)，更能反映實(shí)際狀況。鑒于排氣歧管的煙氣模型比較簡單，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，選用了四面體單元，網(wǎng)格單元類型采用Tet/Hybrid，劃分方法采用TGrid。該后處理裝置的模型劃分為499611個單元和98700個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)單元網(wǎng)格劃分后的離散結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入ANSYS中的有限元網(wǎng)格示意圖

為了對排氣歧管的溫度場進(jìn)行分析，在ANSYS中設(shè)置了極限的邊界條件[4-5]。假設(shè)煙氣為不可壓縮流體，四缸柴油機(jī)每次只有一個氣缸排氣，所以排氣歧管的4個排氣口一次只設(shè)置一個進(jìn)、出口，本文實(shí)例仿真以發(fā)動機(jī)180°轉(zhuǎn)角時溫度場為模型。壁面類型設(shè)為Wall，冷卻水套內(nèi)為冷卻水。煙氣入口處的溫度設(shè)為900 K，出口處的溫度設(shè)為580 K，設(shè)置界面如圖5所示。其余邊界設(shè)為壁面，壁面采用默認(rèn)的無滑移邊界條件，壁面厚度設(shè)為3 mm，密度為7.4×10-9kg/m3，且排氣歧管外表面與冷卻水之間發(fā)生強(qiáng)制冷循環(huán)，冷卻水溫度設(shè)為360 K。對于傳熱邊界，排氣歧管外部使用自然對流散熱邊界，通過Interactions-surface film condition添加到模型里，其中surface選擇排氣歧管外表面。計(jì)算出的排氣歧管溫度分布云圖如圖6所示。

圖5 相關(guān)參數(shù)的設(shè)置界面

圖6 排氣歧管壁面的溫度分布云圖

從圖6中可以看出，在排氣歧管煙氣進(jìn)口處、與發(fā)動機(jī)缸蓋的結(jié)合面上及法蘭處的歧管壁面溫度較高，其溫度值最高為546 K。溫度分布趨勢為：在冷卻水入口處的溫度較低，而離冷卻水較遠(yuǎn)一端的排氣歧管管壁溫度較高。排氣歧管外管壁的溫度都不高于417 K。尤其在高溫區(qū)域集中的排氣歧管煙氣進(jìn)口處、法蘭處及排氣歧管外壁面溫度較低，排氣歧管內(nèi)外壁之間也存在溫度梯度，其溫度處于296～370 K范圍內(nèi)，溫度差小于110 K，不能點(diǎn)燃井下環(huán)境中的易燃、易爆氣體，滿足安全防爆的要求[6]。

眾所周知，內(nèi)外壁溫差的大小決定了熱應(yīng)力的大小，整個排氣歧管的最大應(yīng)力就在法蘭處，這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)排出的高溫廢氣從這里流入排氣歧管，并且此處是全約束，因此在經(jīng)過長時間的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力共同作用下，這些位置就是發(fā)生熱疲勞斷裂的地方。在實(shí)際工作中，排氣歧管的斷裂位置也曾出現(xiàn)在這個位置。因此，可以推測，玉柴YC4FA120-40排氣歧管在理論上可以達(dá)到防爆性能的要求，如要求更高的安全性能，可在法蘭處增大壁厚，減小這種斷裂的可能性[7-8]?？梢?，排氣歧管的溫度場的研究對分析防爆性能具有一定的理論指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語

本文建立了發(fā)動機(jī)排氣歧管的三維模型，并借助于有限元分析軟件ANSYS計(jì)算分析了排氣歧管的溫度場，得到了符合實(shí)際工作狀況的傳熱邊界條件，為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化柴油機(jī)排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效的依據(jù)。從總體上考慮，排氣歧管的最高溫度仍然是影響柴油機(jī)防爆性能的主要方面。未來工作將主要致力于對排氣歧管的最高溫度進(jìn)行控制，選取更為合適的材料，以期對礦用柴油機(jī)的防爆和消聲的研究工作提供有力的支撐。

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