低散热发动机隔热件热强度有限元分析

第1期(总第161期)车用发动机No. 1(Serial No. 161)2006年2月VEHICLE ENGINEFeb.2006零部件低散热发动机隔热件热强度有限元分析马向平,骆清国,王书义,韩树(装甲兵工程学院机械工程系,北京100072摘要:论述了低散热发动机在特种车辆上应用的意义及研制存在的困难;分析了低散热发动机的传热特点,运用经验公式确定了传热边界条件;分析了非稳态导热有限元计算的特点,运用有限元法对隔热部件进行了热强度分析。计算结果表明:热负荷和热应力增大是造成隔热件可靠性降低的主要因素之关键词:低散热发动机;非稳态;热强度;有限元法中图分类号:TK422文献标识码:A文章编号:1001-222(2006)01-006103低散热发动机是自20世纪70年代发展起来的节不很清楚;燃烧室隔热后,缸内的传热将更为复项技术,它是对燃烧室主要受热零部件进行隔热。杂。近十几年来,陶瓷隔热发动机引起较大的争论发动机采用隔热技术后可减少发动机的传热损失,各研究者所得出的结论存在着较大的差异。例如,提高热效率,增大功率密度等。但是,发动机燃烧室 Thomas Morel认为过高的壁面温度会降低燃气向部件采用隔热技术后,给发动机带来许多负面影响,壁面的传热量2;而德国 Woschni等认为隔热后随如髙温润滑、高温冷却以及对排气系统的影响等。着陶瓷壁面温度较大幅度上升,缸内传热系数反而对特种车辆发动机来说,采用低散热技术,可以增加使传热量增加3。这些分歧的实质是对发动机降低由于功率增大而产生的散热量剧增的矛盾;减燃烧室采用陶瓷隔热后,究竟能否有效改善发动机小车辆冷却系统的尺寸,简化冷却系统的结构,为车的经济性辆动力舱腾出空间(最多可节省40%空间),而且使在内燃机的一个工作循环中,燃气的流动情况冷却系统的故障减少(据统计,特种车辆冷却系统的及各种热力参数都随时间和空间变化,并且这种变维护工作量约占发动机维护工作量的50%),大大化是周期性和高频脉动的。其中,对传热计算影响减轻维护保养工作量。此外,采用隔热技术实现最大的是燃烧室内表面燃气侧的换热边界条件,它低散热后,可以降低车辆动力舱的外表面温度,减弱不但影响着热量的交换,还极大地影响着高温区温车辆与其背景的红外辐射差别有助于降低车辆被度。不同的换热系数取值,其计算结果包括高温区发现和被识别的概率。这一切对特种车辆来说具有温度有明显差异。通常,利用一些经验公式给出第十分重要的军事意义和价值。3类传热边界条件。由于内燃机缸内参数周期变低散热发动机涉及的3个关键技术是隔热技化,所以一般按循环求出一个当量换热系数和当量术、排气能量回收技术和高温摩擦磨损技术。隔热燃气温度技术除了有关活塞、缸套、缸盖等零件结构设计外,计算燃烧室壁面与燃气之间的换热系数公式很主要与高温陶瓷材料和陶瓷涂层技术有关。由于对多,本研究采用 Woschni于1987年提出的换热系燃烧室部件进行隔热,热负荷明显增大,对陶瓷涂层数公式(,即提出了较高的要求。本研究应用有限元方法对发动,53p0.8T机缸套隔热前后的热强度进行了对比分析。En(p-p。)].。。(1)对于燃烧室隔热的陶瓷发动机, Woschni对系1传热边界条件的确定数c作了修正,内燃机缸内的传热十分复杂,至今尚有不少细中国煤化工0.05,(2)CNMHG收稿日期:200503-29;修回日期:2005-11-21基金项目:国防“十五”预研资助项目(40作者简介:马向平(1973-),男,河北省遵化市人,在读博士,主要从事发动机结构分析及仿真技术、隔热技术和计算机数值模拟等方面的研究车用发动机2006年第1期根据试验实测的示功图计算得到缸内燃气压力构形状特点和边界条件的空间特性,可采用三维轴及燃气温度曲线然后计算出缸内燃气的瞬时温度对称模型并将结构进行简化,建立的有限元模型如(T)和燃气侧换热系数(αg)的瞬时值后,最后得图1所示,接近缸套内壁的部分网格适当加密处理。到它们的当量平均值,当量换热系数-7,/dg,(3)KagfTe)dop当量燃气温度T2计算模型及计算方法图1气缸套有限元模型计算所选用的发动机采用燃烧室局部隔热,气缸盖活塞顶部以及气缸套分别进行了陶瓷喷涂或3有限元结果分析陶瓷镶块处理。计算机型为BDSB-105水冷、4行3.1传热分析结果程、直喷式柴油机;标定功率为13kW;标定转速为计算一个工作循环内缸套温度场的变化,边界2400r/min;采用梅花型燃烧室,压缩比16.5;缸套条件取一个工作循环内的当量值。缸套温度场的计材料为含硼铸铁,其热传导率为54W/(m·K);隔算结果如图2所示。由图看出,非隔热缸套在整个热材料为Z(O2,其热传导率为2W/(m·K);涂层区域内的温度场分布变化很均匀;隔热缸套在接近厚度2mm。表面的薄层内温度变化明显,而远离薄层的区域温内燃机燃烧过程高频变化,各部件承受热负荷度基本趋于稳定,整个区域出现较大的温度梯度情况非常复杂。内燃机燃烧室向冷却系统的传热为隔热后,缸套内侧的温度明显升高可见热负荷增大。非稳态传热,工作过程周期性变化,其高温部件承受热冲击并存在冲击热应力。非稳态导热的求解特点是在空间域上采用有限单元的网格剖分,在时间域隔热缸套温度内则采用有限差分的网格划分,它是有限单元与有非隔热缸套温度限差分的混合解法。运用有限元求解此类传热问题282.16时,计算结果常出现振荡和阶跃现象,使计算结果失真。活塞等求解表面温度对燃气温度周期性变化的220.727缸套厚度/mm高频脉动响应时,它们都要求计算在极小下的温度变化,为达到同单元边长的匹配,要求在物体表面薄图2缸套温度分布曲线层内剖分极其微小的空间网格。当热传导部件处于近期一些研究发现,零件使用陶瓷材料或表面温度周期性变化的环境中时,部件表面的温度场也喷涂陶瓷层后传热系数反而增大,隔热理论受到争周期性地变化,这种温度波动主要发生在壁面附近议6。这种现象可以解释为,涂层壁面温度上升的的薄层内,温度波动薄层以外的部分,其温度值是不影响超过了涂层热阻增加的影响。本文重点讨论热随时间变化的。因此,在用有限元法求解这类周期应力的变化。性导热问题时,对于温度波动层以外的部分没有必3.2热应力计算要把网格划分得过细。可是,如果环境变化的周期内燃机的热负荷问题有两个方面的含义,一是非常短,而在某些特殊时刻环境条件的变化率又非由于受热零件的温度过高而失去了工作能力(如因常大时,为了能够真实地反映出环境的这种变化,就高温而烧蚀或熔化),因过大的热变形而引起拉缸或必须选取较小的时间步长。因机起活塞环卡死等等;二是由于温度根据内燃机缸内工作过程特点在建立燃烧室梯度中国煤化工人而导致裂纹或疲零部件有限元模型时,对不同部位的网格划分应进劳破CNMHG行疏密处理,以提高计算精度和速度,减少误差。本本研究采用序贯热一应力耦合分析法,将第1研究对气缸套进行热强度分析,考虑到气缸套的结次热分析得到的节点温度作为“体力”载荷施加在后2006年2月马向平,等:低散热发动机隔热件热强度有限元分析续的应力分析中来实现耦合,流程如图3所示。其击和冲击热应力是导致隔热层出现裂纹甚至脱落的计算结果如图4图5、图6和图7所示。主要原因。第1步热训热分析结果载荷:三第2步结构分析结构分析结果0514E图3序贯耦合解法求解热应力流程0.339缸套厚度/mm§-3525图6非隔热缸套热应力分布图6.423缸套厚度/mm图4非隔热缸套热应力曲线目镳3.83-153缸套厚度/mm967图7隔热缸套热应力分布图4结束语17.61热冲击和热应力主要集中在接近燃烧室壁面的缸套厚度/mm薄层内;除了机械负荷等因素的影响外,热冲击和冲图5隔热缸套热应力曲线击热应力的增大是造成低散热发动机燃烧室隔热件图4和图5中SX和SZ分别表示X方向和2可靠性降低的主要因素之一。因此,今后低散热发方向的应力。从图可以看出,由于缸套内侧表面承动机研究的焦点应集中在隔热件的隔热层与基体结受燃气压力,因而表层部分承受压应力(纵坐标中的合强度、抗热疲劳能力和抗热震能力的提高等方面。负值);在接近表面的区域,由于热冲击的存在和温参考文献度梯度发生变化,出现拉应力(纵坐标中的正值),且[1]朱大鑫涡轮增压与涡轮增压器[M].北京:机械工业有应力峰值。有人将这种动力学效应产生的热应力出版社,1992波峰值称为尖峰应力。由于尖峰应力很高,而且[2] Thomas Morel. Heat Transfer Experiments in an Insu-反复交变出现,对材料寿命造成很大影响,甚至会导lated Diesel[C]. SAE Paper 880186, 1988致材料破裂。缸套表面隔热后,由于在隔热层与金[3] Gerhad Woschni. Heat Insulation of Combustion Cham属层之间有较大的温度梯度,故出现了热应力的增ber Wall---A Measure to Decrease the Fuel Comsur大现象。tion of ICE[C]. SAE Paper 870339, 1987对隔热和非隔热两种缸套的温度分布和热应力[4]周非,陶瓷隔热发动机然烧室部件传热有限元分析及室部件的整体温度升高,热负荷显著增大,隔热零部③热效果评价M武汉:武汉交通科技大学,195情况进行计算分析。结果表明,隔热后,发动机燃烧”,由如M烧室瞬态导热有限元计中国煤化工程,2000(4):53-57.件的可靠性存在很大问题。由于热冲击的存在和温[6]肖CNMHG强度[M].北京:机度梯度变化,陶瓷与金属缸套结合处出现较大的应械工业出版社,1988力峰值,热应力增大约10倍以上。这种交变的热冲(下转第67页)2006年2月袁江涛,等:柴油机喷油嘴三维有限元热分析67止喷油后,喷油嘴内换热状况变差,热应力要比喷油侧有热应力集中现象,最大热应力为18.10MPa,热器喷油时大些。由以上分析可见,喷油嘴头部温度应力的波动幅度很小,喷油嘴承受的热负荷可近似梯度较大从而导致此处的热应力也较大,喷孔入口视为稳态载荷;这一结果为柴油机喷油嘴的失效分两侧有热应力集中现象,热应力最大,其他部位的热析及其结构优化提供了重要参考;应力相对较小。但是喷油嘴的最大热应力值也不过b)本文提出的确定柴油机喷油嘴传热边界条18MPa左右,而且热应力的波动幅度不大,所以喷件的方法适用于所有柴油机闭式喷油嘴,并可为开油嘴承受的热负荷为稳态载荷。式喷油嘴传热边界条件的建立及其热负荷研究借鉴参考文献[1]许道延,丁贤华.高速柴油机概念设计与实践[M].北京:机槭工业出版社,200:59-64[2]王补宣,工程传热传质学[M].北京:科学出版社,1982:184-193[3]王希珍.S195柴油机气缸套温度场与热变形的三维有限元分析[D].合肥:合肥工业大学,2000图7喷油时喷油嘴的热应力分布[4]俞小莉,郑飞,严兆大,内燃机气缸体内表面稳态传热4结论边界条件的研究[].内燃机学报,1987,5(4):324333[5]陆瑞松,林发森.内燃机的传热与热负荷[M].北京:国a)喷油器不同工作状态下的喷油嘴温度场分防工业出版社,1985:76-78布不均,喷油终了时喷油嘴头部最高温度达[6]袁江涛,欧阳光耀,刘镇.柴油机噴油嘴流动的CFD510.102K(237.102℃);喷油嘴针阀体的热变形分析[].柴油机,2005(2):21以轴向为主,最大伸长量为0.172mm;喷孔入口两[门]吴克刚,曹建明.发动杌测试技术[M.北京:人民交通出版社,2002:52-683-D Finite Element Analysis of the Thermal load of nozzle in Diesel engineYUAN Jiang-tao, OUYANG Guang-yao, YANG Li, LIU ZhenCollege of Naval Architecture and Power, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: A method was presented to define the thermal boundary conditions of the nozzle in diesel engine. The thermalboundary conditions of the nozzle in a certain diesel engine were set up using the above method. 3-D finite element analysis ofthe thermal load of the nozzle was performed by using the ANSYS software. The temperature field, the thermal deformationand the heat stress field of the nozzle were obtained. These results are very useful for further failure analysis of nozzle and optmum design of its structure parameters.Key words: diesel engine: nozzle; FEA; temperature field; heat stress.[编辑:李建新](上接第63页The Finite Element Analysis of the Hot Intensity of the Heat Insulation Part inthe Low Heat Rejection EngineMA Xiang-ping, LUO Qing-guo, WANG Shu-yi, HAN Shu(The Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)Abstract: This article discusses the significance in special vehicle and the difficulty in research of the Low Heat Rejection (LHR) En-gine. The heat transmiting character of the Low Heat Rejection Engine is- analysed and the heat transmiting boundary conditions of theuted by experience formular. This article analyses the中国煤化工 unstable heat transmi-ting. The hot intensity of the heat insulation parts is analysized by the finiteCNMHGthat the accretion ofthe hot burden and the hot intensity is one of the main reasons to lower the secneat insulation parts.Key words: LHR engine; unstable state; hot intensity; FEA[编辑:潘丽丽]