基于有限元方法的缸體缸蓋溫度場模擬分析與試驗研究

張雪林

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發動機的缸體缸蓋不僅承受缸內爆發壓力等較高的機械載荷，同時承受燃燒產生的高溫，較高的溫度除了會產生一定的熱應力外，還會使材料的機械性能下降，主要體現在彈性模量以及抗拉強度等的降低，導致缸體缸蓋能承受的機械載荷的水平也降低。

本文主要運用雙向流固耦合的方法，使用全模型對某汽油機的缸體缸蓋進行溫度場研究，并且考慮材料屬性隨溫度變化的非線性特性，得到的溫度與試驗進行對比。以此研究某汽油機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多學科聯合的有限元問題，包括熱能、傳熱學、流體、結構、材料、噴霧以及有限元知識等等。理論復雜，熱固耦合計算的關鍵是實現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，聯接實體的Fourier熱傳導方程和流體的對流換熱控制方程。

式中：Kcond為固體的導熱系數；hconv為局部對流換熱系數；Tf為流體溫度；Tw為壁面溫度。

流體側，采用k-ε湍流模型來計算流體與壁面的對流換熱邊界條件，標準的k-ε湍流模型的輸送方程為：

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

固體側，內燃機固體結構的傳熱為穩態導熱問題，一般假設零件為常物性并無內熱源，其控制方程為：

式中kx、ky、kz為沿x、y、z方向的熱傳導系數。

2 溫度場計算與分析

2.1 網格劃分

使用hypermesh軟件對網格進行劃分，分析模型包括缸體、缸蓋、缸蓋螺栓、進氣門、排氣門、氣門座圈、氣門導管和缸墊，在傳熱分析時還包括進排氣門。使用 Hypermesh對模型進行網格劃分，傳熱分析時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，得到缸內氣體側的溫度及換熱系數邊界，主要包括缸蓋火力面、進排氣道以及缸套等部分。再把氣體側的邊界映射到對應的結構網格中進行傳熱分析，部分溫度及換熱系數邊界如圖2、3所示。

圖2 進排氣道和火力面處的換熱系數邊界

圖3 進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，溫度過高會導致缸蓋的材料性能下降，熱應力增加，使缸蓋發生開裂。溫度過低說明發生過冷卻，燃燒產生的能量被冷卻水帶走的增加，導致發動機功率下降，油耗增加。可以通過調整水泵的能力，缸蓋水套的設計或者調整缸蓋的壁厚來調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的溫度明顯高于進氣側，這是由于排氣溫度較高而進氣溫度低。各缸的溫度分布較一致，四個缸的A、B兩點的溫度值如表1所示。可以看出一、二缸的溫度較低，這是由于缸蓋水套的進水口在一缸側，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，因此一缸的溫度最低。

進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產生較大的應力變化，因此容易產生疲勞斷裂，需要進一步進行應力以及疲勞的分析。

圖4 缸蓋的溫度分布

表1 各缸A、B點的溫度值

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 試驗研究

溫度的測量選擇在缸體缸蓋中預埋溫度傳感器的方式，由于結構本身的限制以及方便連接線的引出，缸蓋共4個測量點，在機體鼻梁區上表面加工3個傳感器孔，在缸體鼻梁區火力面下端65mm處同樣加工3個測量傳感器孔，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動機的加工孔壁要充分接觸，布置之前需要標定傳感器測量精度。測點的布置情況如圖6所示。

圖6 測點的布置情況

缸蓋排氣側鼻梁區均在第四缸測得的溫度最高，第二缸測得的溫度最低，達到32.7℃，排氣側溫度均勻性不高。試驗中測量點在缸蓋內部，垂直距離燃燒室表面4mm處，此處模擬分析結果約為 180℃左右，而試驗測量得到最高 175.4℃。缸體鼻梁區上側溫度均勻性良好，在各轉速下，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。此處模擬分析結果約為210℃。缸體鼻梁區下側溫度均勻性同樣較好，在各轉速下，三處溫度差在 8℃以內，最高溫度為 192.0℃，位于一缸和二缸之間。試驗中缸體鼻梁區下側傳感器測量深度為距離火力面 65mm處，模擬分析結果約為200℃。

4 結論

（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水口在一缸側，冷水最先流入一缸，而隨著冷卻水的流動，水的溫度升高，導致一缸的冷卻效果最好。

（3）通過試驗的驗證，在各測點測得的溫度與分析的結果較一致。

參考文獻

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