柴油機氣缸套熱變形研究

孫俊花 張創(chuàng)科 馬輝

摘要：柴油機的氣缸是氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間，并為活塞起導向作用。燃燒過程中氣缸套的內壁直接受到高溫高壓燃氣作用， 而它的外側又被冷卻水包圍。在內外壁如此大的溫差下，氣缸套將會產生相當大的熱應力及熱變形，其可靠性對整個柴油機的正常工作有著重要的影響。所以在氣缸套的設計過程中必須進行深入的熱分析，對其結構設計和運行可靠性有一個較為準確的估計，為合理地改進和優(yōu)化設計方案提供依據(jù)。

Abstract： In the diesel engine， cylinders are space of compressing， burning and expanding gas， and act as a guide for the pistons. During the process of combustion， cylinder liners' internal walls are directly affected by the gas of high temperature and high pressure while the external walls are surrounded by the cooling water. The cylinder liners will generate considerable thermal stress and thermal deformation because of so large temperature difference between internal walls and external walls. The cylinder liners' reliability has important influence on the normal running of the diesel engines. Thus we must carry out in-depth thermal analysis and estimate the running reliability accurately during the process of structural design in order to improve and optimize the design reasonably.

關鍵詞：柴油機;氣缸套;熱變形

Key words： diesel engine;cylinder liner;thermal deformation

中圖分類號：TK42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0069-04

1? 概述：氣缸套熱負荷研究的必要性

隨著國家對國六標準的計劃要求，柴油機的研究和設計并不局限于它的工作效率和使用性能，更多的側重是它的環(huán)保節(jié)能以及耐久性。所以前期從結構設計的模擬上，也具有重要意義。

2? 一種典型的氣缸套的溫度分布

首先是通過軟件Ansys計算可得到氣缸套各個部位的溫度分布以及內壁上某條線沿軸向溫度的變化曲線，見圖1和圖2。

根據(jù)圖1和圖2可以得出下列結論：

①缸套內壁面的最高溫度出現(xiàn)在缸套上部區(qū)域，原因在于該部位不在冷卻水套區(qū)域，得不到充分的冷卻，當活塞運行到上止點位置時，氣體壓力和溫度同時升高，此時缸體溫度達到一個最高值。

②缸套內壁面沿軸向溫度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。這和發(fā)動機活塞的四個工作沖程原理相關聯(lián)。隨著活塞上行下移，氣缸內的氣體壓力逐步增大或縮小，工作溫度也會隨著變化。

③對應于缸套中部，活塞導向運行的區(qū)間位置，溫度變化比較平緩，因為該區(qū)域處于冷卻水套區(qū)，有充足的冷卻效果，所以溫度低，而且受燃氣影響小。

計算結果表明，該缸套內壁面上部的溫度分布偏高，活塞在上止點時對應第一環(huán)附近的缸套內壁溫度已超過上限（490K），這是由于該缸套的結構特征所決定的。為了改變這種缸套的溫度分布，降低缸套內壁面上部的溫度，要對氣缸套的結構進行優(yōu)化改進。

3? 結構優(yōu)化改進設計后缸套的溫度分布

本文將缸套中部支承位置分別下移20mm、25mm、30mm，如圖3所示。

溫度邊界設定：氣缸套燃氣側（受熱受壓方向）邊界條件不變，缸套冷卻部位（凸肩）僅改變C段的長度其它條件不變。

三種結構顯示的缸套溫度見圖4、圖5、圖6。

從以上不同結構的設計，顯示的不同溫度分布圖示，我們可以看到：中部凸肩下移20、25mm后缸套內壁面溫度有所降低但不明顯，中部凸肩下移30mm后缸套內壁面溫度降低明顯見（圖7），尤其是活塞運行到上止點時活塞第一道氣環(huán)對應處的缸套內壁溫度下降較為明顯。溫度降低會減少潤滑油受高溫焦化而形成高溫積碳的風險。

4? 熱變形結果及分析

本文在獲得缸套溫度場分布的基礎上，將熱分析得到的節(jié)點溫度作為體載荷施加在后續(xù)的應力分析中，對缸套進行熱應力計算，得到缸套熱變形的分布情況，如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，缸套整體發(fā)生變形，但是在接近缸套最上端變形比較明顯，最大變形量接近0.20mm左右，這是和柴油發(fā)動機工作原理相關的，在壓縮行程結束前就已經點火，點火后能量有一個釋放的過程，所以一般在上止點后20～35度曲軸轉角處達到最高溫度，此時的缸套上部溫度最高，所以變形最大。最小變形發(fā)生在缸套中部，即在密封水套附近，最小變形量不足0.001mm，因為該處溫度最低，又受于定位凸肩的作用，所以幾乎沒什么變化。

由圖9可以看出，最大徑向位移發(fā)生在冷卻水套的中部，大小為0.102 mm。因為此處氣缸套的溫度變化較大，燃氣傳給氣缸套的熱量也較多。而缸套上部雖然溫度最高，由于受到徑向定位凸緣的影響，此處的膨脹變形受到限制。最小徑向位移發(fā)生在缸套中部，因為此處溫度變化不大且受到徑向定位環(huán)帶的影響。

以上已經得出結論：該缸套的中部支撐面下移30mm以后，缸套內壁面的溫度明顯降低。而此時缸套熱變形的結果如圖10和圖11所示。

由圖10可以看出，缸套整體發(fā)生膨脹，總體變形量有所增大，最大變形仍發(fā)生在缸套上部，最大變形量增大為0.192mm，這是因為中部支撐面下移30mm后，缸套上部的熱梯度增大。冷卻水套部分的變形更加均勻，因為中部支撐面下移30mm后，冷卻水套處缸套內壁面的溫度梯度明顯減小。

由圖11可以看出，缸套的中部支撐面下移30mm后，整體的徑向位移分布規(guī)律相同，徑向位移量有所減小。最大徑向位移仍發(fā)生在冷卻水套的中部，大小為0.099mm。

5? 小結

首先對1125型上部凸緣中支式氣缸套進行溫度場計算，得到了它的溫度分布，并在此基礎上通過改變結構尺寸來改善溫度分布，然后對該缸套以及優(yōu)化后的缸套進行了熱變形計算，得到了它們的徑向位移及總變形分布，并分析了缸套變形及其原因，為合理地改進和優(yōu)化設計方案提供理論依據(jù)。

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