基于熱平衡和結(jié)構(gòu)強度的發(fā)動機分析平臺開發(fā)及其應(yīng)用

曾小春++駱旭薇+魏濤,+嚴華+袁曉軍+石勇+李斌

摘要： 建立發(fā)動機缸體和缸蓋的動力學、燃燒和流體有限元模型，進行發(fā)動機熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強度研究。創(chuàng)建發(fā)動機正向設(shè)計和分析方法，革新產(chǎn)品開發(fā)流程，自主開發(fā)熱平衡計算平臺。建立發(fā)動機缸內(nèi)和水套傳熱、流體、溫度場、強度的計算模型庫，設(shè)計水套優(yōu)化方法和流場評價標準，正向計算發(fā)動機熱平衡和水套散熱。通過2個應(yīng)用案例，證明該平臺在發(fā)動機熱平衡計算和結(jié)構(gòu)分析與評估中的作用。該平臺可為發(fā)動機熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強度的正向設(shè)計提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 熱平衡； 冷卻散熱； 結(jié)構(gòu)強度； 正向設(shè)計； 水套； 缸孔變形； 溫度場標定

中圖分類號： U464.132 文獻標志碼： B

Development and application of engine analysis platformbased on thermal equilibrium and structural strength

ZENG Xiaochun， LUO Xuwei， WEI Tao， YAN Hua，

YUAN Xiaojun， SHI Yong， LI Bin

（Powertrain Engineering Department， Jiangling Motors Co.， Ltd.， Nanchang 330001， China）

Abstract： To study the thermal equilibrium and cooling heat dissipation and structure strength of engine， the finite element models of dynamics， combustion and fluid on engine block and cylinder head are built. A top-down design and analysis method on engine is established. The product development process is innovative. A heat balance computing platform is developed independently. A calculation model library for heat transfer， fluid， temperature field and strength of engine cylinder and water jacket is built， the jacket optimization method and flow field evaluation standard is proposed， and the top-down calculation on engine thermal equilibrium and water jacket heat dissipation is carried out. It is proved that the platform plays an important role in engine thermal equilibrium calculation and structural analysis and evaluation by two application cases. The platform provides a basis for the top-down design of engine thermal equilibrium， cooling heat dissipation and structural strength.

Key words： thermal equilibrium； cooling heat dissipation； structure strength； top-down design； water jacket； cylinder bore deformation； temperature field calibration

0 引 言

發(fā)動機的燃燒過程發(fā)生在缸體和缸蓋組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)構(gòu)件不但要承受燃燒壓力帶來的機械負荷，同時還需將燃燒過程產(chǎn)生的熱量快速傳遞到冷卻系統(tǒng)，這整個過程共同決定發(fā)動機的效率。發(fā)動機熱效率與結(jié)構(gòu)件強度的要求在發(fā)動機設(shè)計開發(fā)中會互相制約。[1-3]水套是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，主要為發(fā)動機缸體和缸蓋提供冷卻需求，使其在適當?shù)臏囟认鹿ぷ鳌Ｋ自O(shè)計的好壞直接影響缸體和缸蓋等關(guān)鍵零部件的可靠性和耐久性。[4-6]如何更好地平衡兩方面的性能，是發(fā)動機缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、水套設(shè)計以及散熱設(shè)計的重要內(nèi)容。

本文通過CAE、設(shè)計、試驗協(xié)同開發(fā)的方法，以發(fā)動機動力學、燃燒、流體和有限元為依托，研究發(fā)動機熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強度，并為汽油機和柴油機的缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、水套設(shè)計以及散熱設(shè)計提供重要的指導和解決方案。

1 研究內(nèi)容及創(chuàng)新

1.1 自主開發(fā)發(fā)動機熱平衡計算程序

目前，行業(yè)較普遍方法是將有效功率的40%～60%作為水套散熱量，范圍跨度大，發(fā)動機需對外散發(fā)的熱量計算不準確。本文自主開發(fā)發(fā)動機熱平衡計算程序，利用能量守恒原理，使進入系統(tǒng)的能量等于排出系統(tǒng)的能量，即使得燃油熱值與空氣焓值的和等于有效功、排氣熱值、水套散熱量、中冷器、油冷器、EGR散熱量和發(fā)動機部件熱輻射的能量之和。燃油能量在發(fā)動機有效功率、冷卻散熱和排氣廢熱三者間進行分配。確定廢氣能量前必須合理估算發(fā)動機各項散熱損失，才能較精確地得到剩余水套的散熱量。發(fā)動機熱平衡示意見圖1。

發(fā)動機能量平衡過程也是冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算過程，是僅次于發(fā)動機熱力學（性能）設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動機能量平衡計算能夠提出滿足發(fā)動機最大功率的水泵流量和整車散熱器工作性能的要求，并且可以確定缸體和缸蓋的進出水布置和流量，以及發(fā)動機各附屬冷卻器取水、回水的位置和流量。根據(jù)試驗過程中得到的發(fā)動機排氣溫度、油耗、空燃比等試驗數(shù)據(jù)，可以計算出水套散熱量。發(fā)動機熱平衡計算程序可正向計算發(fā)動機熱平衡和水套散熱。自主開發(fā)的熱平衡計算程序見圖2。endprint

1.2 創(chuàng)建水套設(shè)計優(yōu)化方法及其流場評價標準

水套的作用是冷卻缸體和缸蓋使其在合適的溫度下工作，水套設(shè)計的好壞直接影響缸體和缸蓋等關(guān)鍵部件的可靠性和耐久性。傳統(tǒng)的水套設(shè)計主要依靠工程師的經(jīng)驗，以及參考類似機型的設(shè)計應(yīng)用到新的機型中。由于缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)、發(fā)動機功率、冷卻液流量等邊界條件的變化，可能會出現(xiàn)各種問題。如果不能在設(shè)計中及時識別風險并采取措施，待后續(xù)試驗中出現(xiàn)發(fā)動機漏水、氣門燒蝕等失效，會浪費更多的時間和費用。

運用現(xiàn)代計算流體動力學（computational fluid dynamics， CFD）方法建立發(fā)動機水套的數(shù)值分析模型，可以方便、準確、快捷地得到水套內(nèi)部流場分布。通過對各位置流動速度、對流換熱系數(shù)、各缸冷卻均勻性等參數(shù)的評估，可以發(fā)現(xiàn)潛在風險并找到優(yōu)化方案，為冷卻水套的設(shè)計和優(yōu)化提供支撐。

水套總體設(shè)計原則為：除滿足鼻梁區(qū)等關(guān)鍵部位流速外，保證各部位不出現(xiàn)回流，無死水區(qū)域；按照減小通道可以降低流量、增加擾流可以增加阻力等原則，對各部位進行節(jié)流或者擴孔；缸墊孔按照從1缸到4缸截面逐漸增加的原則設(shè)計；對于一些對沖區(qū)域，可以減小或者關(guān)閉其中某水路的流量，降低對沖影響；對于改變流動方向的問題，可以嘗試將氣缸墊孔錯位（見圖3），從而改變流動方向。通過對水套分析研究（見圖4），建立各缸冷卻均勻性評價標準，能夠避免因各缸冷卻不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力；建立沸騰模型和冷卻液流速評價標準，避免流速過低造成局部沸騰和流速過高引起材料沖蝕；建立關(guān)鍵位置對流換熱系數(shù)評價標準，避免斜水孔、鼻梁區(qū)等位置因冷卻不足造成燒蝕。

1.3 創(chuàng)建雙向流固耦合分析方法

燃燒換熱邊界十分復雜，放熱系數(shù)受諸多因素影響。以往工程方法是根據(jù)經(jīng)驗公式求出平均放熱系數(shù)和介質(zhì)溫度，或采用單項耦合方法，然而實際的流體和固體分析邊界是相互影響的。雙向流固耦合分析方法可實現(xiàn)流體分析與固體溫度場分析的無縫耦合，相互提供邊界，提高邊界的準確性。流固耦合分析流程見圖5和6。在雙向流固耦合分析中考慮水套膜態(tài)沸騰影響和評價，見圖7。當水套壁面溫度超過膜態(tài)沸騰溫度后，水套的換熱系數(shù)會急劇下降，因而須控制水套溫度小于膜態(tài)沸騰溫度至少一定限值，沸騰分析結(jié)果見圖8。

1.4 創(chuàng)建溫度場對標方法

通過CAE與試驗結(jié)果互相對標，確定計算結(jié)果與試驗結(jié)果的準確性：若滿足精度要求則認定為可靠，若不滿足精度要求則需要通過對標修正溫度場分析邊界，重新計算溫度場。這些反推的參數(shù)能夠固化使用，且在后續(xù)改進中可通過CAE方法篩選出最優(yōu)方案進行試驗。

將發(fā)動機試驗實測溫度與溫度場分析計算結(jié)果進行比對，標定溫度場分析模型，使溫度場分析結(jié)果更加可靠。缸體在發(fā)動機工作時受熱應(yīng)力較大，在計算發(fā)動機應(yīng)力時需使用溫度場分析結(jié)果作為邊界計算熱應(yīng)力，準確的溫度邊界可為缸孔變形和缸體應(yīng)力分析結(jié)果的準確性提供保障。

1.5 創(chuàng)建缸孔變形評價方法及標準

缸孔縱向變形會影響活塞與缸體之間的配合間隙和工作情況，如果變形太大對活塞的運動不利，可能導致拉缸等不良現(xiàn)象。缸孔變形直接影響活塞的運動和整機機油消耗指標。[7]

缸孔變形情況復雜，會影響機油消耗。行業(yè)對缸孔變形一直沒有很好的評價方法和標準。本文對缸孔變形數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，形成不同階次的變形數(shù)據(jù)（見圖9），然后對各階次的變形制定一個評價標準。這樣對缸孔變形情況進行分解，可直觀地對缸孔變形進行評估。

1.6 多角度對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行分析評估

綜合考慮CFD、模態(tài)、溫度分布、應(yīng)力分布、缸孔變形等因素對缸體的影響，結(jié)合各分析結(jié)果可系統(tǒng)地總結(jié)不同缸體之間的差異，為降低發(fā)動機機油消耗、排放和零部件通用性提供正向設(shè)計的理論支撐，并為試驗結(jié)果分析和缸體優(yōu)化提供正確的方向。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析示意見圖10。

2 創(chuàng)新內(nèi)容和應(yīng)用推廣

發(fā)動機熱平衡和結(jié)構(gòu)強度決定發(fā)動機的效率，在發(fā)動機開發(fā)設(shè)計階段有必要對發(fā)動機熱平衡和結(jié)構(gòu)強度進行正向設(shè)計，以提高其工作效率。

本文研究成果成功地運用在某汽油機平臺、某柴油機平臺等多個發(fā)動機平臺上，效果顯著，典型應(yīng)用案例如下。

2.1 某發(fā)動機缸蓋水套優(yōu)化

在某發(fā)動機缸蓋試驗中，第2和3缸排氣道側(cè)面出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，據(jù)查證是缸蓋過熱導致的，需對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化。對缸體和缸蓋水套進行CFD分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使其滿足發(fā)動機工作中的冷卻需求。

方案1在原始方案的基礎(chǔ)上加厚結(jié)構(gòu)、修改下缸蓋到上缸蓋進水口大小；方案2參照方案1的結(jié)果，碗形塞仍采用原來的尺寸，只修改上缸蓋鼻梁區(qū)局部通道。對缸蓋水套進行優(yōu)化，最終確定方案1和2都能夠有效解決發(fā)動機冷卻不足的問題。

不同方案的設(shè)計更改方案和速度矢量見圖11。由此可知：方案2平均流速有所降低，但均勻性不如方案1，趨近于原始方案；與方案1相比，方案2總體橫向速度增加，縱向速度減小；方案2在4缸（紅色圓圈處）的速度分布比方案1好，在2缸和3缸（藍色圓圈處）的速度分布比方案1差，方案2速度矢量圖與原始方案相近。

設(shè)計上缸蓋鼻梁區(qū)流量統(tǒng)計通道見圖12，流量統(tǒng)計結(jié)果見表1，表中N0，N1，N2分別表示原方案、方案1和方案2的流量。由此可知：上缸蓋鼻梁區(qū)流量重新分配，方案2與方案1相比，1-2，2-3，4-3通道流量增加，尤其是2-3通道增加較多，達到68%；1-1，2-1，4-1通道流量有所減少，原因是通道入口2、入口3和入口4直徑減小，縱向流動趨勢減弱；由于通道經(jīng)過多次修改，各通道壓阻特性都有所變化，與原始方案相比，1-2，2-3，3-3，4-3通道流量變化情況較大，這4個通道的流向與其他通道相反，由進氣側(cè)流向排氣側(cè)。

原始方案缸蓋開裂位置分析結(jié)果顯示疲勞安全因數(shù)為1.600。更改設(shè)計方案后對缸蓋重新進行疲勞分析，結(jié)果顯示開裂位置疲勞安全因數(shù)僅為1.020，比評價標準1.250小。對缸蓋水套進行優(yōu)化，優(yōu)化方案1和方案2原開裂位置疲勞安全因數(shù)分別提升到1.273和1.266，均滿足要求并能通過耐久試驗。缸蓋開裂位置及疲勞計算結(jié)果見圖13。endprint

2.2 某發(fā)動機水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化及缸體和缸蓋強度驗證 某發(fā)動機設(shè)計項目對缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)進行變更，并且增加EGR冷卻需求：EGR從缸體取水，取水量由6 L/min增加到40 L/min。經(jīng)水套CFD分析，缸蓋進-排氣鼻梁區(qū)前端的HTC大幅下降，不滿足評價指標，需對水套結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。采用減小缸體后端節(jié)流孔、減小缸墊排氣側(cè)主孔外其他水孔面積、對缸墊排氣側(cè)主孔進行錯位等優(yōu)化方案，增加缸蓋上水量及主孔流量。經(jīng)過多輪CFD優(yōu)化計算，缸蓋流場最終滿足要求。

水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，為獲得缸體和缸蓋的溫度分布，驗證變更后缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)是否滿足強度要求，使用水套CFD計算結(jié)果和燃燒分析結(jié)果作為溫度邊界進行缸體和缸蓋一體化分析。分析結(jié)果認為，該發(fā)動機缸體和缸蓋、氣門及氣門座圈等零件溫度均小于其材料的溫度極限，缸墊的密封壓力滿足密封要求，缸體和缸蓋疲勞強度滿足設(shè)計要求，各缸缸孔變形均在設(shè)計限值以內(nèi)。發(fā)動機部件的溫度分布和疲勞強度分析結(jié)果見圖14。

4 結(jié)束語

（1）通過創(chuàng)建正向設(shè)計和分析流程，革新產(chǎn)品開發(fā)流程，減少設(shè)計過程中的“拍腦袋”現(xiàn)象。

（2）自主開發(fā)發(fā)動機熱平衡計算程序，正向計算發(fā)動機熱平衡和水套散熱，控制發(fā)動機各金屬邊界的溫度在最大熱負荷條件下不超過許可值，使發(fā)動機結(jié)構(gòu)有足夠的強度儲備，并盡可能地減少缸蓋金屬的溫度梯度，使溫度分布均勻，減少溫差熱應(yīng)力。

（3）建立發(fā)動機缸內(nèi)和水套的傳熱、流體、溫度場和強度計算模型庫，并形成規(guī)范和評價標準，指導發(fā)動機熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強度的正向設(shè)計，為后續(xù)發(fā)動機設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

（4）基于性能、流體和動力學的有限元聯(lián)合仿真，可互相提供邊界，提高CAE分析的準確度，加強CAE、設(shè)計和試驗等各項工作協(xié)同開發(fā)的能力。

該研究已成功運用于多個發(fā)動機開發(fā)項目，成果顯著，后續(xù)可推廣到更多的CAE分析工作應(yīng)用中，對汽車發(fā)動機行業(yè)乃至制造業(yè)的自主開發(fā)有很大幫助。

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