基于沸騰換熱的某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)分析

胡庭軍，鄒萍萍，袁曉軍，魏 濤，王功成

（江鈴汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)總院，江西 南昌 330001）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋長(zhǎng)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(chē)領(lǐng)域排放升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氣體溫度越來(lái)越高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是一個(gè)極大的考驗(yàn)。通過(guò)CAE分析技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確獲得缸蓋溫度及熱應(yīng)力分布情況，驗(yàn)證缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否可行。目前，國(guó)內(nèi)也有相當(dāng)多的企業(yè)和高校對(duì)氣缸蓋的強(qiáng)度展開(kāi)了研究工作，并獲得了一定的成果[1-5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣缸體和缸蓋一直處于高溫狀態(tài)，通過(guò)水套中的冷卻水帶走部分熱量，防止缸蓋過(guò)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(duì)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(guān)系如圖1所示，當(dāng)水套壁面溫度超過(guò)膜態(tài)沸騰溫度后，水套的換熱系數(shù)會(huì)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(shí)固體表面生成大量氣泡，達(dá)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(gè)氣膜脫離界面而形成沸騰膜，這時(shí)的界面?zhèn)鳠嵬蝗幌陆怠Ｔ谶@個(gè)區(qū)域，加熱的固體表面與液體之間的溫差很大，會(huì)導(dǎo)致固體裝置過(guò)熱而燒損。在實(shí)際工作中，應(yīng)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(shí)間內(nèi)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(duì)流，這時(shí)的傳熱系數(shù)很小；當(dāng)固體與液體的溫差ΔT進(jìn)一步加大時(shí)，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(dòng)，這時(shí)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(guān)系圖

本研究采用CFD（Computational Fluid Dynamics）-FEA（Finite Element Analysis）耦合技術(shù)，分析了某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下的溫度分布情況。通過(guò)AVL軟件插件計(jì)算了水套沸騰換熱，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)水套壁面沸騰換熱是否滿足要求，為水套設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)沸騰分析技術(shù)路線

發(fā)動(dòng)機(jī)熱邊界主要有兩方面，一是缸內(nèi)燃燒產(chǎn)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(guò)熱而失效。本研究的缸蓋溫度場(chǎng)沸騰分析流程如圖2所示。首先由整機(jī)一維熱力學(xué)仿真計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率負(fù)荷下進(jìn)排氣道的瞬態(tài)燃?xì)鉁囟取①|(zhì)量流量以及燃燒室噴油量，為3D燃燒模型提供所需的進(jìn)排氣流量、溫度與噴油量邊界條件。然后通過(guò)AVL FIRE軟件分別計(jì)算缸內(nèi)燃燒和缸體缸蓋水套CFD分析。將三維CFD計(jì)算獲取的近壁面燃?xì)鉁囟取⑺畟?cè)溫度和換熱系數(shù)映射到氣缸蓋有限元分析邊界，通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)氣缸蓋進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算。將計(jì)算得到的溫度值與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，若誤差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)則進(jìn)行水套沸騰分析；否則需要調(diào)整水套壁面溫度，進(jìn)行新的一輪分析，直到缸蓋溫度與實(shí)測(cè)值的誤差滿足要求。

圖2 沸騰換熱溫度場(chǎng)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(mén)、氣門(mén)座圈、氣門(mén)導(dǎo)管、缸蓋螺栓等，如圖3所示。溫度場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格類(lèi)型采用一階四面體DC3D4網(wǎng)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(lèi)：燃燒氣側(cè)邊界和水冷卻邊界。缸體、缸蓋火力面熱邊界通過(guò)CFD燃燒分析提供，水冷卻邊界由CFD水套分析提供。設(shè)置與機(jī)油接觸的表面溫度額定點(diǎn)為140℃，換熱系數(shù)為130 W／(m2·K)。對(duì)固體之間接觸設(shè)置接觸屬性，實(shí)現(xiàn)固體之間的熱量傳遞。

2.2.1 燃?xì)鈧?cè)邊界

缸蓋和缸套燃?xì)鈧?cè)邊界是通過(guò)三維燃燒分析獲得的，動(dòng)態(tài)三維燃燒計(jì)算是對(duì)一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)即進(jìn)氣—壓縮—膨脹—排氣四個(gè)沖程進(jìn)行的。燃燒計(jì)算的工況點(diǎn)采用額定點(diǎn)3 200 rpm，計(jì)算一個(gè)完整的工作循環(huán)，然后把整個(gè)循環(huán)的平均氣體溫度和換熱系數(shù)映射給結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，映射結(jié)果如圖4所示。

圖4 額定工況缸蓋氣側(cè)換熱系數(shù)和溫度

2.2.2 冷卻水側(cè)邊界

缸體缸蓋水側(cè)邊界是通過(guò)三維水套流動(dòng)分析獲得，首次計(jì)算缸體和缸蓋水套壁面采用假設(shè)的溫度，之后的計(jì)算采用FEA溫度場(chǎng)計(jì)算得到的壁面溫度進(jìn)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(jì)算額定工況下的水套溫度和換熱系數(shù)，結(jié)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(jié)果評(píng)估

如圖7所示，為缸蓋溫度分布結(jié)果，缸蓋火力面溫度明顯高于其他部位，且排氣側(cè)溫度高于進(jìn)氣側(cè)。缸蓋最高溫度為240.62℃，出現(xiàn)在第三缸排氣側(cè)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(jié)果，其壁面溫度離沸騰“開(kāi)鍋點(diǎn)”最小距離37℃，大于安全距離20℃，無(wú)沸騰風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 缸蓋溫度分布

圖8 缸蓋水套離沸騰“開(kāi)鍋點(diǎn)”溫度距離

缸體溫度分布如圖9所示，由于缸孔內(nèi)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(shè)計(jì)要求。缸體水套沸騰分析結(jié)果如圖10所示，其壁面溫度離沸騰“開(kāi)鍋點(diǎn)”最小距離22℃，大于安全距離20℃，無(wú)沸騰風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 缸體溫度分布

圖10 缸體水套離沸騰“開(kāi)鍋點(diǎn)”溫度距離

4 結(jié)論

本研究詳細(xì)闡述了缸體缸蓋沸騰換熱溫度場(chǎng)分析流程，通過(guò)CFD-FEA耦合分析方法計(jì)算了某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋溫度分布和沸騰換熱情況。計(jì)算結(jié)果顯示，缸體和缸蓋的最高溫度均在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，水套沸騰溫度距“開(kāi)鍋點(diǎn)”的最小距離為22℃，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)沸騰風(fēng)險(xiǎn)。采用該分析方法可以預(yù)測(cè)缸體缸蓋的溫度和水套的沸騰換熱情況，為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋及水套設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。