重型柴油机四气门气缸盖的设计_窦慧莉

[ 摘要 ] 在经验设计的基础上, 采用冷却系统 CFD 与有限元分析相结合的方法, 利用 CFD 定量分析确定了气 缸盖的冷却水量和冷却 水分布, 利用有限元分析了气缸 盖的温 度场和 疲劳安 全系数, 优化 设计了一 重型柴 油机的 四气门气缸盖, 并进行了气缸盖测温和发动机可靠性试验。试验证明, 该气缸盖工作 可靠, 测 量的温度 与计算的温 度基本吻合, 证明了气缸盖设计方法的有效性。
511 发动机可靠性试验 使用该气缸盖的发动机在发动机试验台上进行
了 1 000h全速全负荷试验, 试验结束后拆机检查, 将试验后的气缸盖在水压试验机上使用 015MP a压 力进行缸盖水套泄漏检查, 没有发现漏水, 没有出现 任何裂纹, 证明气缸盖工作可靠。 512 气缸盖测温结果
采用热电偶对气缸盖的排气 门间拱桥进行测 温, 测量结果为 350e , 与 FEA 结果相吻合, 初步说 明采用的 FEA 边界条件合理可行。 513 气缸盖水流分布试验
关键词: 重型柴油机, 四气门气缸盖, CFD, 有限元分析, 设计
The D es ign of C y linderH ead for a H eavy-duty Four-valve D iesel Eng ine
Dou Hu ili1, 2, L iu Zhongchang1, W ang P engcheng2, W ang Gang2, Chen Haie2 & L i Kang2
11C ollege of Au tom otive Engineering, Jilin Un iversity, Chang chun 130025; 21FAW R&D C enter, Changchun 130011
[ Ab stract] Based on emp irica l design, an opt im al design o f the cy linder head for a heavy-duty four-va lve diese l eng ine is carried out by com bining the techniques of com putationa l flu id dynam ics ( CFD) and finite elem ent analysis ( FEA) , in w hich the vo lum e and flow d istribut ion o f coo lant in cylinder head are quant itat ive ly determ ined by CFD, wh ile the tem perature d istribu tion and fatigue safety factor of cy linder head are pred icted by FEA. T he temperature o f cy linder head ism easured and eng ine re liab ility test is conducted. T he results show that the cy linder head operates reliab ly and the m easured tem peratures w ell agree w ith num erical resu lts, wh ich prove the effectiveness of the cy linder head design m ethod presented.
( 4) 结构力求简单, 铸造工艺好。 基于以上要求, 采用图 1所示流程的气缸盖开 发程序。首先利用 Pro /E 经验设计了四气门气缸盖 的三维模型, 称为方案 1, 如图 2所示。在建模过程 中根据发动机的总布置要求, 进行气缸盖螺栓、进排 气道、4个气门及喷油器等的布置, 初步布置了气缸 盖水套。然后, 采用 冷却水套 CFD 和 FEA 相结合 的方法, 反复修改缸盖结构, 直到得到适当的气缸盖 冷却水量和流速、合理的水流场分布和足够的结构 强度, 最终确定气缸盖的结构。
3 气缸盖冷却水套 CFD 分析
重型柴油机气缸盖的冷却至关重要, 冷却水量 的多少及冷却水流分布直接影响到柴油机的冷却效
图 4 排气门间拱桥处的各缸水流速度对比
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汽车工程
2006年 ( 第 28卷 )第 3期
冷却水流速高, 冷却水流过水腔时可以带走足够的 热量, 使气缸盖得到充分冷却。冷却水量较少时, 冷 却水流过水腔内的水流速度减小, 缸盖等零部件得 不到足够的冷却致使局部热负荷增大, 强度下降, 影 响其使用寿命。但如果冷却水量过多, 虽然可使气 缸盖得到充分的冷却, 却增加了水泵 的功率损耗。 经过多种冷却水量的对比计算, 确定采用 420L /m in 冷却水量方案。 313 冷却水分布分析
作者以三维 P ro /E 经验设计为基础, 采用冷却 系统计算流体动力学 ( CFD) 与有限元分析 ( FEA )相 结合的方法, 在气缸盖合理冷却以及结构强度和刚 度方面优化, 研究设计了一种重型柴油机的四气门
气缸盖, 并进行了 气缸盖温度测 量, 得到了与 FEA 计算结果非常吻合的实测温度。该气缸盖通过了发 动机 1 000h可靠性试验, 未出现任何损坏。
图 5 方案 2的各缸水流速度分布
图 6 2种方案 排气门间拱桥处的水流速度对比
图 7为方案 1与方案 2的各缸冷却水质量流量 分配对比图。可见, 缸盖结构改进后, 发动机各缸冷 却水流量分配趋于均匀, 保证了各缸的均匀冷却。
图 7 2种方案 各缸冷却水流量分配对比
4 气缸盖三维温度场及疲劳安全系数
图 9是方案 2 的气缸盖疲劳安全系数计算结 果。从图 9( a) 可以看到, 在两个进气道之间连接处 的疲劳安全系数偏低, 从图 9( b) 可见, 在缸盖底板 的冷却面, 沿气缸盖侧壁圆角连接处安全系数偏低。
2006( V o .l 28) N o. 3
窦慧莉, 等: 重型柴油机四气门气缸盖的设计
2006年 ( 第 28卷 )第 3期
汽车工程 A utom otive Eng ineer ing
2006( V o .l 28) N o. 3
2006052
重型柴油机四气门气缸盖的设计
窦慧莉 1, 2, 刘忠长1, 王鹏程 2, 王 刚 2, 陈海娥 2, 李 康 2
( 11 吉林大学汽车工程学院, 长春 130025; 21 中国第一汽车集团公司技术中心, 长春 130011 )
图 3为采用 420L /m in和 380L /m in两种不同冷 却水量的水套底面水流速度分布图。图 4为水套底 面两排气门间拱桥处的水流速度对比。由图 3、图 4 可见, 采用 420L /m in较大水流量时, 冷却水套内的
图 1 气缸盖开发程序流程图
图 3 方案 1的各缸水流速度分布
图 2 气缸盖的三维模型
图 8是气缸盖温度场计算结果。气缸盖的一个 高温区位于火力面上两排气门之间的拱桥处, 另一 个高 温 区 位 于 排 气 管 法 兰 处, 计 算 温 度 分 别 为 352e 和 372e 。该温 度在气缸盖的许用温 度范围 内, 不会引起气缸盖沿排气门拱桥处热裂, 也不会造 成因排气管法兰的温度过高而引起排气管垫密封不 严。结果表明根据冷却水套 CFD 分析确定的气缸 盖水套结构和冷却水流量是合适的。 413 气缸盖疲劳安全系数
2 气缸盖的设计要求及开发程序
设计开发的气缸盖为每缸一盖结构, 该气缸盖 的设计应满足以下要求。
( 1) 气 缸 盖 应 有 足 够 的 强 度 和 刚 度, 承 受 16M Pa的缸内最高爆发压力时, 缸盖变形在允许的 范围内, 并保证与气缸的结合面和气门座的结合面 密封良好。
( 2) 气缸盖冷却良好, 防止出现气缸盖温度过 高及温度分布不均匀导致热应力过大的情况。
K eyw ord s: Heavy-du ty d iesel engin e, Four-va lve cy linder head, CFD, FEA, D esign
1 前言
随着发动机技术的不断发展, 发动机的强化程 度持续增加, 导致结构复杂的气缸盖承受的机械负 荷和热负荷不断提高。经验设计的气缸盖在使用过 程中经常会出现裂纹等缺陷。因此, 设计人员一直 在寻求各种方法, 期望在设计过程中准确预测气缸 盖的冷却和结构可靠性, 为设计提供定量分析的理 论依据, 以实现在有限的气缸盖空间内, 既布置合理 的冷却水套, 又使其具有足够的强度和刚度。
从图 3( a) 也可看到, 虽然冷却水量合适, 冷却 水分布却不甚合理, 有些区域水流速度过大, 有些区 域有流动死区, 这势必造成局部热应力过高, 导致零 件过早损坏。因此, 在方案 1基础上, 对气缸盖水套 结构进行了改进, 增加导流筋, 在流动死区部位增加 旁通水孔, 改变局部区域的水套形状, 得到新的缸盖 结构模型, 称为方案 2。方案 2的水套底面水流速 度分布如图 5所示, 方案 1和方案 2的水套底面两 排气门间拱桥处的水流速 度对比如图 6 所示。可 见, 改进后的整个水套水流速度分布趋于合理, 原来 流速过高的区域通过适当的导流而使流速降低, 消 除了流动死区。尤其在气门镶圈区域以及 / 鼻梁 0 区, 水流速度达到要求。
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底面水流速度分布计算结果。增大圆角后, 水套内 1、2处的局部区域水流受到影响, 但总体上看, 该缸 盖的水流分布和水流速度可以接受, 方案 3作为最 终设计方案。
图 8 方案 2的缸盖计算温度场
图 11 方案 3的各缸水流 速度分布
5 发动机试验结果
图 9 方案 2的缸盖疲劳安全系数计算值
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率、缸盖的热负荷、热量分配和能量利用等。气缸盖 冷却水套 CFD分析是现代发动机气缸盖设计过程 中寻求适当的冷却水量、压力以及合理的流场分布 的重要手段。 311 建模及网格生成