基于沸騰換熱的某柴油發(fā)動機溫度場分析

胡庭軍，鄒萍萍，袁曉軍，魏 濤，王功成

（江鈴汽車股份有限公司產品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

0 引言

發(fā)動機氣缸蓋長期處于高溫和高壓的工作環(huán)境中，承受著交變載荷的作用，工作條件十分惡劣。隨著汽車領域排放升級，發(fā)動機排放的氣體溫度越來越高，對發(fā)動機氣缸蓋結構設計也是一個極大的考驗。通過CAE分析技術可以快速、準確獲得缸蓋溫度及熱應力分布情況，驗證缸蓋結構設計是否可行。目前，國內也有相當多的企業(yè)和高校對氣缸蓋的強度展開了研究工作，并獲得了一定的成果[1-5]。

發(fā)動機工作時，氣缸體和缸蓋一直處于高溫狀態(tài)，通過水套中的冷卻水帶走部分熱量，防止缸蓋過熱而出現(xiàn)失效情況。冷卻水與缸蓋之間的換熱方式有三種：自然對流換熱、核沸騰換熱、膜沸騰換熱。換熱系數(shù)與水套壁面溫度關系如圖1所示，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，因而必須控制水套溫度與膜態(tài)沸騰溫度的差距大于20℃。膜沸騰（film boiling）是指發(fā)生在固體-液體界面上的一種傳熱形式，在核沸騰的情況下，繼續(xù)加熱固體，這時固體表面生成大量氣泡，達到很高的密度，最后氣泡連成一片而成為一層氣膜，固體表面被氣膜所包圍不與液體直接接觸，然后整個氣膜脫離界面而形成沸騰膜，這時的界面?zhèn)鳠嵬蝗幌陆怠Ｔ谶@個區(qū)域，加熱的固體表面與液體之間的溫差很大，會導致固體裝置過熱而燒損。在實際工作中，應避免膜沸騰的形成。核沸騰（nuclear boiling）也是指發(fā)生在固體-液體界面上的一種傳熱形式。單位界面、單位時間內從固體表面?zhèn)鹘o液體的熱量Q，起初僅使液體形成自然對流，這時的傳熱系數(shù)很小；當固體與液體的溫差ΔT進一步加大時，在固體表面上形成氣泡，氣泡增大到一定尺度就躍離固體表面，增加了液體的擾動，這時傳熱量大大增加，ΔT突然減小，這樣就形成了界面上的核沸騰現(xiàn)象。

圖1 換熱系數(shù)與壁面溫度關系圖

本研究采用CFD（Computational Fluid Dynamics）-FEA（Finite Element Analysis）耦合技術，分析了某柴油發(fā)動機在額定工況下的溫度分布情況。通過AVL軟件插件計算了水套沸騰換熱，預測發(fā)動機水套壁面沸騰換熱是否滿足要求，為水套設計提供理論指導。

1 發(fā)動機溫度場沸騰分析技術路線

發(fā)動機熱邊界主要有兩方面，一是缸內燃燒產生的熱量，這是缸蓋的主要熱源；二是水套水冷卻，防止缸蓋過熱而失效。本研究的缸蓋溫度場沸騰分析流程如圖2所示。首先由整機一維熱力學仿真計算得到發(fā)動機在額定功率負荷下進排氣道的瞬態(tài)燃氣溫度、質量流量以及燃燒室噴油量，為3D燃燒模型提供所需的進排氣流量、溫度與噴油量邊界條件。然后通過AVL FIRE軟件分別計算缸內燃燒和缸體缸蓋水套CFD分析。將三維CFD計算獲取的近壁面燃氣溫度、水側溫度和換熱系數(shù)映射到氣缸蓋有限元分析邊界，通過ABAQUS軟件對氣缸蓋進行溫度場計算。將計算得到的溫度值與實測溫度進行對比，若誤差在標準范圍內則進行水套沸騰分析；否則需要調整水套壁面溫度，進行新的一輪分析，直到缸蓋溫度與實測值的誤差滿足要求。

圖2 沸騰換熱溫度場分析流程

2 分析模型及邊界載荷

2.1 有限元模型

分析模型主要包括缸蓋、缸體、氣缸墊、氣門、氣門座圈、氣門導管、缸蓋螺栓等，如圖3所示。溫度場計算網格類型采用一階四面體DC3D4網格。

圖3 CAE分析模型

2.2 熱邊界

缸體缸蓋溫度邊界分為兩類：燃燒氣側邊界和水冷卻邊界。缸體、缸蓋火力面熱邊界通過CFD燃燒分析提供，水冷卻邊界由CFD水套分析提供。設置與機油接觸的表面溫度額定點為140℃，換熱系數(shù)為130 W／(m2·K)。對固體之間接觸設置接觸屬性，實現(xiàn)固體之間的熱量傳遞。

2.2.1 燃氣側邊界

缸蓋和缸套燃氣側邊界是通過三維燃燒分析獲得的，動態(tài)三維燃燒計算是對一個完整的發(fā)動機循環(huán)即進氣—壓縮—膨脹—排氣四個沖程進行的。燃燒計算的工況點采用額定點3 200 rpm，計算一個完整的工作循環(huán)，然后把整個循環(huán)的平均氣體溫度和換熱系數(shù)映射給結構網格，映射結果如圖4所示。

圖4 額定工況缸蓋氣側換熱系數(shù)和溫度

2.2.2 冷卻水側邊界

缸體缸蓋水側邊界是通過三維水套流動分析獲得，首次計算缸體和缸蓋水套壁面采用假設的溫度，之后的計算采用FEA溫度場計算得到的壁面溫度進行映射，如此耦合2～3次，直至HTC及近壁面溫度變化不明顯為止。分析計算額定工況下的水套溫度和換熱系數(shù)，結果如圖5、圖6所示。

圖5 額定工況缸蓋缸體水套溫度分布

圖6 額定工況缸蓋缸體水套換熱系數(shù)分布

3 分析結果評估

如圖7所示，為缸蓋溫度分布結果，缸蓋火力面溫度明顯高于其他部位，且排氣側溫度高于進氣側。缸蓋最高溫度為240.62℃，出現(xiàn)在第三缸排氣側鼻梁區(qū)，分布規(guī)律合理，最高溫度小于鋁合金材料耐溫極限260℃。如圖8所示，為缸蓋水套沸騰分析結果，其壁面溫度離沸騰“開鍋點”最小距離37℃，大于安全距離20℃，無沸騰風險。

圖7 缸蓋溫度分布

圖8 缸蓋水套離沸騰“開鍋點”溫度距離

缸體溫度分布如圖9所示，由于缸孔內壁面直接與氣體接觸，該區(qū)域溫度明顯比其他位置要高。最高溫度為195℃，位于第四缸，小于缸體溫度極限240℃，滿足設計要求。缸體水套沸騰分析結果如圖10所示，其壁面溫度離沸騰“開鍋點”最小距離22℃，大于安全距離20℃，無沸騰風險。

圖9 缸體溫度分布

圖10 缸體水套離沸騰“開鍋點”溫度距離

4 結論

本研究詳細闡述了缸體缸蓋沸騰換熱溫度場分析流程，通過CFD-FEA耦合分析方法計算了某柴油發(fā)動機缸體缸蓋溫度分布和沸騰換熱情況。計算結果顯示，缸體和缸蓋的最高溫度均在設計標準范圍內，水套沸騰溫度距“開鍋點”的最小距離為22℃，滿足設計標準，無沸騰風險。采用該分析方法可以預測缸體缸蓋的溫度和水套的沸騰換熱情況，為發(fā)動機缸體缸蓋及水套設計提供一定的理論依據(jù)。