張雪林

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體缸蓋不僅承受缸內(nèi)爆發(fā)壓力等較高的機(jī)械載荷，同時(shí)承受燃燒產(chǎn)生的高溫，較高的溫度除了會(huì)產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力外，還會(huì)使材料的機(jī)械性能下降，主要體現(xiàn)在彈性模量以及抗拉強(qiáng)度等的降低，導(dǎo)致缸體缸蓋能承受的機(jī)械載荷的水平也降低。

本文主要運(yùn)用雙向流固耦合的方法，使用全模型對(duì)某汽油機(jī)的缸體缸蓋進(jìn)行溫度場研究，并且考慮材料屬性隨溫度變化的非線性特性，得到的溫度與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。以此研究某汽油機(jī)的缸體缸蓋的溫度場分布。

1 雙向流固耦合基本原理

缸體缸蓋耦合分析是一個(gè)多學(xué)科聯(lián)合的有限元問題，包括熱能、傳熱學(xué)、流體、結(jié)構(gòu)、材料、噴霧以及有限元知識(shí)等等。理論復(fù)雜，熱固耦合計(jì)算的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體或交界壁面處的熱量傳遞。由能量守恒可知，在流固耦合界面處，固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量。所以，采用下面的方程來描述這一守恒，聯(lián)接實(shí)體的Fourier熱傳導(dǎo)方程和流體的對(duì)流換熱控制方程。

式中：Kcond為固體的導(dǎo)熱系數(shù)；hconv為局部對(duì)流換熱系數(shù)；Tf為流體溫度；Tw為壁面溫度。

流體側(cè)，采用k-ε湍流模型來計(jì)算流體與壁面的對(duì)流換熱邊界條件，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型的輸送方程為：

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM表示膨脹耗散項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為常數(shù)；σk、σε為 k和 ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk、Sε為用戶定義的源項(xiàng)。

固體側(cè)，內(nèi)燃機(jī)固體結(jié)構(gòu)的傳熱為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，一般假設(shè)零件為常物性并無內(nèi)熱源，其控制方程為：

式中kx、ky、kz為沿x、y、z方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

2 溫度場計(jì)算與分析

2.1 網(wǎng)格劃分

使用hypermesh軟件對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，分析模型包括缸體、缸蓋、缸蓋螺栓、進(jìn)氣門、排氣門、氣門座圈、氣門導(dǎo)管和缸墊，在傳熱分析時(shí)還包括進(jìn)排氣門。使用 Hypermesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，傳熱分析時(shí)單元類型均選擇一階傳熱單元，有限元模型如圖1所示。

圖1 溫度場分析有限元模型

2.2 熱邊界的映射

通過 CFD分析，得到缸內(nèi)氣體側(cè)的溫度及換熱系數(shù)邊界，主要包括缸蓋火力面、進(jìn)排氣道以及缸套等部分。再把氣體側(cè)的邊界映射到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中進(jìn)行傳熱分析，部分溫度及換熱系數(shù)邊界如圖2、3所示。

圖2 進(jìn)排氣道和火力面處的換熱系數(shù)邊界

圖3 進(jìn)排氣道和火力面處的溫度邊界

2.3 溫度場分析

圖4 為缸蓋的溫度場分布結(jié)果，可以看出，缸蓋上最高溫度為 247℃，一般要求鋁合金材料的工作溫度要小于 260℃。缸蓋上的最高溫度過高或者過低都不好，溫度過高會(huì)導(dǎo)致缸蓋的材料性能下降，熱應(yīng)力增加，使缸蓋發(fā)生開裂。溫度過低說明發(fā)生過冷卻，燃燒產(chǎn)生的能量被冷卻水帶走的增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增加。可以通過調(diào)整水泵的能力，缸蓋水套的設(shè)計(jì)或者調(diào)整缸蓋的壁厚來調(diào)整缸蓋上的最高溫度。

缸蓋的最高溫度位置在第三缸的兩排氣門座圈之間，從整體溫度分布可以看出排氣側(cè)的溫度明顯高于進(jìn)氣側(cè)，這是由于排氣溫度較高而進(jìn)氣溫度低。各缸的溫度分布較一致，四個(gè)缸的A、B兩點(diǎn)的溫度值如表1所示?？梢钥闯鲆弧⒍椎臏囟容^低，這是由于缸蓋水套的進(jìn)水口在一缸側(cè)，也就是說冷水是先從一缸流入，最后流過四缸，一缸的冷卻能力較四缸強(qiáng)，因此一缸的溫度最低。

進(jìn)排氣門座圈之間的溫度梯度較明顯，由于溫度的變化此部分會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化，因此容易產(chǎn)生疲勞斷裂，需要進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力以及疲勞的分析。

圖4 缸蓋的溫度分布

表1 各缸A、B點(diǎn)的溫度值

圖5 缸體的溫度分布

缸體的溫度分布如圖5所示，可以看出缸體上的最高溫度為 221℃，一般要求灰鑄鐵缸體的工作溫度小于240℃。

3 試驗(yàn)研究

溫度的測量選擇在缸體缸蓋中預(yù)埋溫度傳感器的方式，由于結(jié)構(gòu)本身的限制以及方便連接線的引出，缸蓋共4個(gè)測量點(diǎn)，在機(jī)體鼻梁區(qū)上表面加工3個(gè)傳感器孔，在缸體鼻梁區(qū)火力面下端65mm處同樣加工3個(gè)測量傳感器孔，傳感器的直徑一般選用1.5mm±0.1，加工孔一般在1.65mm。傳感器的探頭需要和發(fā)動(dòng)機(jī)的加工孔壁要充分接觸，布置之前需要標(biāo)定傳感器測量精度。測點(diǎn)的布置情況如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)的布置情況

缸蓋排氣側(cè)鼻梁區(qū)均在第四缸測得的溫度最高，第二缸測得的溫度最低，達(dá)到32.7℃，排氣側(cè)溫度均勻性不高。試驗(yàn)中測量點(diǎn)在缸蓋內(nèi)部，垂直距離燃燒室表面4mm處，此處模擬分析結(jié)果約為 180℃左右，而試驗(yàn)測量得到最高 175.4℃。缸體鼻梁區(qū)上側(cè)溫度均勻性良好，在各轉(zhuǎn)速下，三處溫度差均不超過5℃，最高溫度219.7℃，位于二缸和三缸之間。此處模擬分析結(jié)果約為210℃。缸體鼻梁區(qū)下側(cè)溫度均勻性同樣較好，在各轉(zhuǎn)速下，三處溫度差在 8℃以內(nèi)，最高溫度為 192.0℃，位于一缸和二缸之間。試驗(yàn)中缸體鼻梁區(qū)下側(cè)傳感器測量深度為距離火力面 65mm處，模擬分析結(jié)果約為200℃。

4 結(jié)論

（1）缸蓋上最高溫度為247℃，位置在兩排氣門座圈之間，缸體上的最高溫度為 221℃，均沒有超過相應(yīng)材料的溫度限值。

（2）缸蓋各缸溫度均勻性較好，一缸的溫度最低，是由于缸蓋水套的進(jìn)水口在一缸側(cè)，冷水最先流入一缸，而隨著冷卻水的流動(dòng)，水的溫度升高，導(dǎo)致一缸的冷卻效果最好。

（3）通過試驗(yàn)的驗(yàn)證，在各測點(diǎn)測得的溫度與分析的結(jié)果較一致。

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