排氣歧管溫度場對礦用防爆柴油機防爆性能的影響

王雅琿，岳東鵬

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

防爆柴油機以其熱效率高、燃油消耗低、使用安全、操作靈活的特點，日漸成為井下煤炭開采主要動力之一，越來越受到機械行業及煤炭企業的青睞。排氣系統承擔著發動機尾氣排放的責任，是車輛總成中重要的一部分。它的降噪技術、尾氣凈化技術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]。發動機產生的高溫氣體傳遞給排氣歧管，惡劣的工作環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行準確分析，對防爆與消聲有著重要意義。本文借助ANSYS軟件數值模擬方法，完成了對玉柴YC4FA120-40發動機排氣歧管的三維建模，得到了符合實際工作狀況的傳熱邊界條件，并評價了排氣歧管安全性能的好壞。

1 進排氣系統的典型結構及排氣歧管建模

在易燃易爆的環境中工作時，由于柴油機氣缸內排出的廢氣中含有大量易燃物質，若直接排進周圍環境，容易引燃井下氣體。2006年國家發改委發布的《礦用防爆柴油機通用技術條件》中對防爆柴油機規定：任一表面溫度不得超過150℃；排氣溫度不得超過70℃。傳統柴油機排氣溫度可達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，若應用于采礦井下，極易引燃井下氣體，引起爆炸危險[2]。為了使柴油機達到防爆性能的要求，降低排氣溫度及排氣系統表面的溫度，需要在傳統柴油機的基礎上進行一系列改造，如在防爆柴油機排氣系統中加裝防爆輔助裝置，如排氣水洗箱、排氣柵欄等[3]。防爆柴油機進排氣系統的典型結構如圖1所示。

玉柴YC4FA120-40發動機排氣歧管簡圖如圖2所示。在建模時，根據排氣歧管的形狀特征，選用“零件”模塊進行拉伸操作。然后，利用基準線選擇合適的尺寸，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 防爆柴油機進排氣系統的典型結構

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

本研究以玉柴某發動機的排氣歧管裝置為研究對象，發動機的參數如表1所示。基于ANSYS軟件對進氣管和排氣歧管內的氣體進行了流場分析。ANSYS軟件是融結構、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，是現代產品設計中的高級CAE工具之一。

表1 玉柴YC4FA120-40發動機的參數

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入到ANSYS中，無需其他轉換工作。前處理裝置的模型在Pro/E軟件中建立，完成后將模型導入ANSYS軟件中進行模型的后處理操作。由有限元理論得知，用三維實體單元來描述后處理結構，更能反映實際狀況。鑒于排氣歧管的煙氣模型比較簡單，進行網格劃分時，選用了四面體單元，網格單元類型采用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個節點，節點單元網格劃分后的離散結構如圖4所示。

圖4 導入ANSYS中的有限元網格示意圖

為了對排氣歧管的溫度場進行分析，在ANSYS中設置了極限的邊界條件[4-5]。假設煙氣為不可壓縮流體，四缸柴油機每次只有一個氣缸排氣，所以排氣歧管的4個排氣口一次只設置一個進、出口，本文實例仿真以發動機180°轉角時溫度場為模型。壁面類型設為Wall，冷卻水套內為冷卻水。煙氣入口處的溫度設為900 K，出口處的溫度設為580 K，設置界面如圖5所示。其余邊界設為壁面，壁面采用默認的無滑移邊界條件，壁面厚度設為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生強制冷循環，冷卻水溫度設為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。計算出的排氣歧管溫度分布云圖如圖6所示。

圖5 相關參數的設置界面

圖6 排氣歧管壁面的溫度分布云圖

從圖6中可以看出，在排氣歧管煙氣進口處、與發動機缸蓋的結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。尤其在高溫區域集中的排氣歧管煙氣進口處、法蘭處及排氣歧管外壁面溫度較低，排氣歧管內外壁之間也存在溫度梯度，其溫度處于296～370 K范圍內，溫度差小于110 K，不能點燃井下環境中的易燃、易爆氣體，滿足安全防爆的要求[6]。

眾所周知，內外壁溫差的大小決定了熱應力的大小，整個排氣歧管的最大應力就在法蘭處，這是因為發動機排出的高溫廢氣從這里流入排氣歧管，并且此處是全約束，因此在經過長時間的熱應力和機械應力共同作用下，這些位置就是發生熱疲勞斷裂的地方。在實際工作中，排氣歧管的斷裂位置也曾出現在這個位置。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]。可見，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意義。

3 結束語

本文建立了發動機排氣歧管的三維模型，并借助于有限元分析軟件ANSYS計算分析了排氣歧管的溫度場，得到了符合實際工作狀況的傳熱邊界條件，為進一步改進和優化柴油機排氣歧管的結構設計提供了有效的依據。從總體上考慮，排氣歧管的最高溫度仍然是影響柴油機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行控制，選取更為合適的材料，以期對礦用柴油機的防爆和消聲的研究工作提供有力的支撐。

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