发动机缸体温度场计算

发动机缸体温度场计算

田晶

（第一汽车集团公司技术中心）

摘要本文应用msc.patran软件对发动机缸体3D CAD模型进行实体单元的有限元网格划分。在通过CFD软件进行燃烧分析得到热对流系数的基础上应用msc.nastran软件稳态热传导分析模块对发动机缸体进行温度场计算，得到其温度分布规律。

一、前言

发动机缸体的变形将直接影响活塞在其内的运动，如果缸体的变形过大，会造成活塞的严重磨损及拉缸现象，从而使发动机功率降低，寿命缩短。由于气缸工作表面经常与高温燃气相接触，因此在引起缸体产生变形的诸因素中热负荷是重要影响之一。为此，准确掌握发动机缸体热变形规律对发动机的设计开发是至关重要的。而要得到准确的热变形就必须详细掌握其温度分布规律。在通过CFD软件对缸套、水套和油路进行燃烧分析得到其热对流系数的基础上，本文应用msc.nastran软件的稳态热传导分析模块对发动机缸体进行温度场计算，为下一步的热变形计算提供了温度分布规律。

二、计算方法

1、有限元模型划分

对CA6110发动机缸体3D CAD模型进行有限元网格划分，应用msc.nastran中的MPC 卡将缸盖、缸垫和缸体连接，进行计算分析，考虑结构的对称性，只对第一、二、三缸进行网格划分计算分析。

图一为整个有限元模型示意图，包括带缸套的缸体、带气门座的缸盖、缸盖衬垫、和缸盖螺栓。所有的构件，即：缸体、缸套、衬垫、缸盖、气门座圈、缸盖螺栓。

模型划分应用8节点的bricks单元和6节点的wedge单元。在实体单元的基础上提取缸套（包括气门座密封圈）、进排气管、水套和油路上的面单元确定其热传导的边界条件。应用CHBDYG卡定义边界表面条件、应用CONV卡定义对流边界条件、应用SPOINT卡及SPC卡定义边界温度、应用PCONV卡及MAT4卡定义边界性质、应用MATT4卡和TABLEM2卡定义水循环面上随温度变化的热对流系数。

前后处理采用msc.patran软件，计算采用msc.nastran软件。

2、边界条件

热传导的边界条件包括缸套、缸盖、气门座密封圈、进排气管、水套和油路上与燃气接触表面。

缸套的热传导的边界条件见图二。

缸盖点火平台的热传导的边界条件见图三。

进排气管的热传导的边界条件见图四。

油路面上的热传导的边界条件见图五。

水循环面上的热传导的边界条件见图六。

3、计算参数

E_____弹性模量 (Gpa)

ν_____泊松比

α_____热膨胀系数 (10-6/k)

λ_____热传导率 (w/mk)

构件 E ναλ

缸体、缸盖110 0.26 10.2 45 缸套120 0.26 10.2 45 气门座圈177 0.30 11 27 缸盖螺栓210 0.30 11 42 橡胶密封圈 28 0.49 0.015

三、计算结果

通过计算得到整个缸体的温度分布，图七为带缸套的缸体的温度分布，其最大值为230

℃，位于缸套上部。图八为缸套沿轴向温度分布曲线，图九为缸盖的温度分布，其最大值为303℃，位于缸盖底部进排气门之间。这一计算结果得到了试验的验证，说明应用msc.nastran

稳态热传导分析模块进行温度场计算可以得到准确的温度分布。

四、说明

1、缸体、缸垫、缸盖之间的热交换没有考虑。

2、缸套与活塞之间的热交换没有考虑。

3、沿着缸套圆周方向的对流系数不变。

FE MODEL

图一

Heat Transfer Boundary Conditions

Cylinder Liner

Heat Transfer Coefficient (w/m2/℃)Gas Temperature (℃)

623.7

525.7

469.6

430.2

400

374.2

352.5

332.5

314.2

297

280.3

256

231.1

204.5

172.7

143.1

101.2

图二

Heat Transfer Boundary Conditions

Fire Deck

图 三

Heat Transfer Boundary Conditions

Intake and Exhaust Ports

图四

Heat Transfer Boundary Conditions

Oil-Return

图五

Heat Transfer Boundary Conditions Cylinder Head and Block Jackets

图六

Temperature Field Evaluation in the Cylinder Block

Temperature (℃)

七

Liner Temperature at Position 1 Liner Temperature at Position 2 Liner Temperature at Position 3 Liner Temperature at Position 4

temperature (℃) temperature (℃) temperature (℃) temperature (℃)

Liner Temperature at Position 5 Liner Temperature at Position 6 Liner Temperature at Position 7 Liner Temperature at Position 8

temperature (℃) temperature (℃)

图八