某發動機鑄鐵缸體熱負荷分析及優化

朱三平，鐘翔波

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

發動機缸體的缸套內表面作為燃燒室的一部分，工作時接受高溫燃氣的熱量，是缸體的熱量來源。大量的實測數據表明，缸體上相鄰兩個缸筒頂部之間的鼻梁區部位，往往是缸體溫度最高的地方[1]，是誘發燃燒爆震的根源之一[2]，對缸體的熱負荷分析及合理的冷卻設計，是缸體開發的關鍵任務。

缸體的材料主要是鑄鐵和鑄鋁。鑄鋁材料的優點是重量輕，導熱率好，但成本稍高，一般用于乘用車平臺。鑄鐵材料的優點是成本低，強度好，但是導熱率只有鑄鋁的30%左右，因此鑄鐵缸體溫度通常要比鑄鋁缸體高。

某新開發微車的發動機主體借用自某乘用車平臺，出于降成本考慮，把原機的鑄鋁缸體切換成了鑄鐵缸體，在做臺架標定試驗的時候發現，1000～4000轉時爆震傾向嚴重，點火角普遍要比原機推后了3～5°CA，動力下降嚴重，油耗增加，因此需要對鑄鐵缸體熱負荷進行相關分析及優化。

1 鑄鐵缸體熱負荷分析

1.1 缸體模型建立

圖1 缸體簡化的有限元模型

這里定義了缸套和水套的熱交換邊界的面網格，單元類型為DS3，用于傳熱計算時候的第三類邊界條件的設置[3]，分別用不同的顏色表示。主體的單元類型為DC3D4。

1.2 水套邊界計算

為獲得上述缸體模型的水套的換熱邊界，建立了水套的CFD模型，并在FIRE中進行了計算，水套進口設置為額定轉速時的流量，圖2顯示了水套表面換熱系數云圖。在FIRE中可進行上述有限元模型中的水套傳熱邊界的映射，映射結果文件可導入ABAQUS計算。

原機缸體結構比較復雜，并且關注的對象是缸套的溫度分布，因此對缸體模型機型了簡化，截取了缸套周圍15 mm的幾何結構，并進行了ABAQQUS有限元網格劃分，結果如圖1所示。

圖2 水套表面換熱系數云圖

1.3 缸套邊界計算

缸套內表面與高溫燃氣接觸，是熱量的來源，缸內燃氣的瞬時換熱系數α一般用如下經驗公式進行計算[4]：

上式中，Cm表示活塞平均速度，P表示缸內壓力，Tg表示缸內氣體溫度。

在計算的時候，額定功率點的缸內壓力及溫度可通過一維仿真分析獲得。

瞬時溫度及換熱系數可根據能量守恒原理按以下公式進行時間平均：

在計算的時候，額定功率點的缸內壓力及溫度可通過一維仿真分析獲得。

缸套內表面的熱邊界隨著高度的不同而不同，一般按如下公式進行計算：

其中，h為距離缸頂的距離，β=h/s（s：發動機沖程），K1=0.537（D：發動機缸徑），K2=1.45·K1。

在Matlab中根據公式（1）～（5）編制了相關程序，對簡化缸體模型里面的缸套內表面網格逐個單元進行了換熱邊界映射，映射結果文件可導入ABAQUS計算。

1.4 分析結果

圖3顯示了缸套內表面的溫度場分布，可以看到，缸套頂部相鄰之間的部位溫度最高，達到340°C左右，位于2、3缸缸間部位，原因在于此處與水套邊界的距離最大，散熱困難。

圖3 缸套內表面的溫度場分布

2 缸體改進方案

圖4顯示了水套的優化設計方案。針對缸間冷卻困難，熱量積聚的情況，在缸體缸間部位設計了V型鉆孔結構，使得原來的熱點到水套邊界的距離大為縮短。為了最大限度增加缸間孔的進出口壓力差，對排氣側端的出口設計成與缸體水套主體隔離。

圖4 缸體水套變更方案

3 缸體改進分析結果

按照缸體水套變更方案更新了缸體簡化模型，并建立新的整機水套模型，按照上述方法重新計算了新狀態的缸體的溫度場分布，結果如圖5所示。

從圖5可以看到，缸套內表面最高溫度降低到294°C，位于缸間中部，上部的溫度普遍低于200°C，這樣的溫度分布對抑制爆震是有好處的，因為活塞運行到中部高溫區時，燃燒室的燃燒已基本完成，缸套內表面的高溫熱點不可能對燃燒發生影響。

4 試驗結果對比

根據優化方案制造了缸體樣件，并對其進行了臺架試驗，發現點火角恢復成鑄鋁缸體狀態時，發動機爆震強度處在可以接受的范圍，功率油耗基本恢復到原來的水平。圖6顯示了缸體改進前的外特性扭矩對比。

圖6 缸體改進前后扭矩對比

5 結論

缸體材料由鑄鋁改成鑄鐵，會使缸體頂部的缸間部位溫度顯著增加，因而增加了外特性工況的爆震傾向。通過缸間鉆孔，縮短缸間鼻梁區到冷卻液的距離，可明顯降低缸套內表面頂部的溫度，有助于抑制爆震，改善發動機的動力性和經濟性。缸體的熱負荷狀況與發動機的性能有著密切的關系。運用各種模擬分析工具軟件及方法，對缸體的改機設計有很強的實用性和指導性。