柴油机气缸套温度场的三维有限元分析

http://www.paper.edu.cn -1- 柴油机气缸套温度场的三维有限元 何屹 1，王琦 2，田红英 3，朱任杰 4 1.大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连 2.辽河油田滑油环保工程公司，辽宁盘锦 3.锦州市环境工程有限公司，辽宁锦州 4.鞍山市环境检测站，辽宁鞍山 摘 要：文章首先探讨了气缸套温度场计算边界条件的确定，然后利用 ansys 软件建立了 缸套的三维有限元模型，并进行了温度场模拟计算，得到了较为合理的结果。最后,对计算 结果进行了分析并对柴油机气缸套的合理作出了一些探讨。 关键词：气缸套，有限元，温度场 0 引言 随着现代柴油机强化程度、可靠性、耐久性的不断提高，对缸套设计提出了更高的要 求。需要充分考虑刚度、强度、冷却、润滑、应力集中等问题。温度场的分析是研究其它 问题的基础，因此有必要首先进行温度场分析。而利用有限元软件进行模拟计算是目前比 较流行、有效的手段，它比实测方法有许多优点，并且可以得到接近实际的结果。 温度场有限元分析的关键在于准确地确定边界条件。由于缸套的受热情况较为复杂。 因此给其边界条件的确定带来很大困难。本文根据已有的经验和方法，对边界条件的确定 做了一些探讨。 1 气缸内放热系数及缸套换热系数的确定 1.1 气缸内放热系数α的确定 缸内传热过程极其复杂,许多机理至今未能解决。对于对流换热系数的确定，在文献[1] 中介绍了很多种计算公式,本文采用修正的埃肖尔伯格公式： 395.1 mC=α PT (W/m2.K)[1] 式 中：Cm——活塞平均速度,m/s P——缸内气体压力,bar T——缸内气体温度,K 然后对一个工作循环内的瞬时放热系数积分即可求得平均放热系数。 1.2 缸套温度场计算边界条件的确定 1.2.1 燃气侧边界条件的确定 缸套内表面的大部分区域都要受到燃气的冲蚀，在一个循环中缸套上部壁面与燃气接 触的时间较长,受燃气直接传热的影响很大。位于活塞下止点时相应一环位置以下的壁面, 在整个工作循环内没有受到燃气直接传热。气缸体内表面还接受部分活塞侧面的散热,同时 活塞往复运动时同气缸体的摩擦也产生一定的热量。综合考虑上述传热情况，对缸体内表 面稳态传热边界条件在轴向上采用如下分布规律[2] 3 )1()0()( 1 ββαα −⋅+⋅= eKh mm (1) β−⋅+⋅= eKTresTres )1()0( 2 (2) http://www.paper.edu.cn -2- 式 中: β=h/S(0≤β≤1) K1=0.537(S/D)0.24 K2=1.45k1 αm(0)和 Tres(0)分别对应柴油机一个工作循环内燃气的平均换热系数αm 和平均 温度 Tm。 根据式(1)和式(2)可以求得轴向距气缸顶部h(0≤h≤S)范围内各h下的缸内温度和换热 系数。实际情况中,由于进排气门的影响,在同一轴向高度各处的换热系数也应有所不同,但 由于差异较小,因而在本文中忽略了周向差别。 1.2.2 冷却水与缸套外侧的放热系数α和冷却水温的确定 冷却水侧的放热系数可按传热学公式计算,在本例中确定为3000W/(m2.K),冷却水温Tw 定为 363K。 1.2.3 缸套与机架间换热系数的确定 缸套与机架间的换热系数取决于材料性质和接触面之间的比压，因为目前尚缺乏满意 的计算公式,本例按照参考文献中的经验选取。机架温度 T1 可由实测或下式决定 T1=(1.2～ 2.0)Tw[4]。 其他区域诸如缸套下端离高温气体较远,对气缸套热负荷影响较小,故将其视为固定温 度。凸肩顶面、缸套下端面,由于面积较小,热交换弱,作绝热处理[3]。 2 气缸套温度场的 ANSYS 分析 ANSYS 是一个有限元分析通用程序，它主要包括三个部分：前处理模块、分析计算 模块和后处理模块。以下是本分析的具体过程。 2.1 定义单元类型 ANSYS 单元库中有 200 多种单元,每种单元都有适用范围。本例选择第 87 号单元,它 是 10 节点的四面体等参单元,能够准确地拟合缸套边界。 2.2 定义材料特性 本例中,材料被认为是各向同性的,但是有些物性参数随温度而变化（如导热系数），须 将其作为非线性来处理,对随温度基本不变或变化不大的材料特性,本例视为常数。 2.3 建立有限元模型 本文把缸套作为轴对称物体,不考虑边界条件在圆周方向的差别,即忽略进排气涡流的 影响和喷油器的影响。建立 1/4 模型,并作相应的简化,这样既减少了计算量,又能保证准确 性。在划分网格时,控制某些地方的单元大小,以便生成的单元能与边界吻合,并且避免产生 畸形单元。 2.4 加载和求解 影响 ansys 分析结果准确与否的最重要因素是加载的准确性，本文采用上面计算得到 的边界条件进行加载。并且在内表面沿高度方向上将模型划分为 13 段，每一段加载相应的 载荷。在外表面密封处也是按上面的方法进行加载的。确定加载准确后，开始求解。 http://www.paper.edu.cn -3- 3 结果及分析 评定气缸套热负荷的标志是缸套内壁温度和周向温度分布是否均匀，缸套内壁温度将 明显地影响活塞组的润滑和磨损。缸套内壁温度过低时（370K 以下），则腐蚀磨损增加， 另一方面摩擦功随温度下降而增高，因此为了提高机械效率也应保持缸套内壁温度不低于 370K。而温度过高对润滑不利，活塞在上止点时对应第一环附近的缸套内壁温度不应超过 470K，在更高的温度下润滑油将在表面发生炭化。此外，周向温度应尽可能均匀，以免引 起不规则变形，造成局部磨损。 3.1 缸套整体温度分布 图 1 所示的是缸套整体温度分布云图 从图中可以很直观地看出，缸套整体温度 分布是从上到下逐渐降低。并且上部由于 热交换强烈温差较大，而下面很大一部分 温度相对均匀。 3.2 缸套的内壁面温度分布 根据图 2 我们可以得出下列结论： 1）缸套内壁面的最高温度（485）出 现在其上部区域，这是因为活塞在上止点 位置时，活塞顶上面的区域直接暴露在燃 气中，且不处于冷却水套区域，因而温度 和对应位置的活塞顶部边缘温度接近。 2）缸套内壁轴向愈向下温度愈低，活 塞在上止点时，对应于活塞火力岸和环带 的区域，温度变化比较陡，因为该区域受 燃气影响较大，燃气经活塞至缸壁传给冷 却水的热量，大部分由此传出。 3）对应与活塞裙部和裙部以下的区 域，温度变化比较平缓，这是由于该区域 处于冷却水套区，冷却比较均匀，而且受 燃气影响较小。处于冷却水套下部的缸套 壁面，由于冷却条件不够良好，温度又略 有上升。 1 MN MX 373 385.029 397.057 409.086 421.114 433.143 445.171 457.2 469.228 481.257 SEP 4 2006 09:06:19 NODAL SOLUTION SUB =1 TIME=1 /EXPANDED TEMP (AVG) RSYS=0 SMN =373 SMX =481.257 图 1 缸套的温度场分布 1 376.92 387.354 397.788 408.222 418.656 429.09 439.524 449.958 460.392 470.826 481.257 0 .018 .036 .054 .072 .09 .108 .126 .144 .162 .176 DIST SEP 4 2006 09:00:03 POST1 STEP=1 SUB =1 TIME=1 PATH PLOT NOD1=8 NOD2=1 TEMP 图 2 缸套内壁面的温度分布 3.3 缸套的内外壁温度差 http://www.paper.edu.cn -4- 图 3 缸套顶部内外壁温差曲线 图 4 缸套中部内外壁温差曲线 由上两图可知，缸套顶面的内外壁温差约为 11K，而当活塞在上止点所对应的一环区 内外壁温差约为 17K,与有些缸套相比，温差小一些，因为本缸套壁厚比较小，只有 1.76 毫米，这样传热速率比较快。并且图 3 曲线比图 4 曲线变化要陡一些。由此可见,缸套内外 壁的温度由内而外逐渐降低,内外壁的温差在缸套上部由于远离冷却水套 ,因而数值较小, 而在缸套下部由于冷却情况良好,所以内外壁温差较大。从缸套的热负荷来看，如果需要， 壁厚是可以增加一些。 参考文献 [1] 陆瑞松,林发森,张 瑞.内燃机的传热与热负荷[M].北京:国防工业出版社,1985.76-78. [2] 俞小莉,郑 飞,严兆大.内燃机气缸体内表面稳态传热边界条件的研究[J].内燃机学报,1987(4):329-332. [3] 高世义,李东成,陈庆敏,等.缸套瞬态温度场的有限元分析[J].内燃机学报,1992(3):256-259. [4] 叶秀汉.动力机械热应力理论和应用[M].上海:上海交通大学出版社,1987.132-148. Finite element analysis of temperature field of the diesel engine cylinder He Yi1，Wang Qi2，Tian Hongying3，Zhu Renjie4 1.Dalian Marinetime Universitym, LiaoNingDaLian 2.Oil Field Environment Technology Coporation, LiaoNing PanJin 3.Jinzhou Environment Technology Limited Coporation, LiaoNing JinZhou 4．Anshan Environment Detect Station, LiaoNing AnShan) Abstract The article inquiries into a calculation of cylinder boundary condition firstly, then makes use of the Ansys to build up a model of the cylinder, and simulate the temperature field, getting the more reasonable result.at last,carries on the analysis to result and make some study about reasonable design of cylinder. Keywords: cylinder; finite element; temperature field