基于熱平衡和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)分析平臺(tái)開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用

曾小春++駱旭薇+魏濤,+嚴(yán)華+袁曉軍+石勇+李斌

摘要： 建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的動(dòng)力學(xué)、燃燒和流體有限元模型，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究。創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)正向設(shè)計(jì)和分析方法，革新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，自主開(kāi)發(fā)熱平衡計(jì)算平臺(tái)。建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)和水套傳熱、流體、溫度場(chǎng)、強(qiáng)度的計(jì)算模型庫(kù)，設(shè)計(jì)水套優(yōu)化方法和流場(chǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，正向計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和水套散熱。通過(guò)2個(gè)應(yīng)用案例，證明該平臺(tái)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡計(jì)算和結(jié)構(gòu)分析與評(píng)估中的作用。該平臺(tái)可為發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的正向設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 熱平衡； 冷卻散熱； 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； 正向設(shè)計(jì)； 水套； 缸孔變形； 溫度場(chǎng)標(biāo)定

中圖分類(lèi)號(hào)： U464.132 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Development and application of engine analysis platformbased on thermal equilibrium and structural strength

ZENG Xiaochun， LUO Xuwei， WEI Tao， YAN Hua，

YUAN Xiaojun， SHI Yong， LI Bin

（Powertrain Engineering Department， Jiangling Motors Co.， Ltd.， Nanchang 330001， China）

Abstract： To study the thermal equilibrium and cooling heat dissipation and structure strength of engine， the finite element models of dynamics， combustion and fluid on engine block and cylinder head are built. A top-down design and analysis method on engine is established. The product development process is innovative. A heat balance computing platform is developed independently. A calculation model library for heat transfer， fluid， temperature field and strength of engine cylinder and water jacket is built， the jacket optimization method and flow field evaluation standard is proposed， and the top-down calculation on engine thermal equilibrium and water jacket heat dissipation is carried out. It is proved that the platform plays an important role in engine thermal equilibrium calculation and structural analysis and evaluation by two application cases. The platform provides a basis for the top-down design of engine thermal equilibrium， cooling heat dissipation and structural strength.

Key words： thermal equilibrium； cooling heat dissipation； structure strength； top-down design； water jacket； cylinder bore deformation； temperature field calibration

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程發(fā)生在缸體和缸蓋組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)，結(jié)構(gòu)件不但要承受燃燒壓力帶來(lái)的機(jī)械負(fù)荷，同時(shí)還需將燃燒過(guò)程產(chǎn)生的熱量快速傳遞到冷卻系統(tǒng)，這整個(gè)過(guò)程共同決定發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率與結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的要求在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中會(huì)互相制約。[1-3]水套是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，主要為發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋提供冷卻需求，使其在適當(dāng)?shù)臏囟认鹿ぷ?。水套設(shè)計(jì)的好壞直接影響缸體和缸蓋等關(guān)鍵零部件的可靠性和耐久性。[4-6]如何更好地平衡兩方面的性能，是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水套設(shè)計(jì)以及散熱設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

本文通過(guò)CAE、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)協(xié)同開(kāi)發(fā)的方法，以發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)、燃燒、流體和有限元為依托，研究發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并為汽油機(jī)和柴油機(jī)的缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水套設(shè)計(jì)以及散熱設(shè)計(jì)提供重要的指導(dǎo)和解決方案。

1 研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新

1.1 自主開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡計(jì)算程序

目前，行業(yè)較普遍方法是將有效功率的40%～60%作為水套散熱量，范圍跨度大，發(fā)動(dòng)機(jī)需對(duì)外散發(fā)的熱量計(jì)算不準(zhǔn)確。本文自主開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡計(jì)算程序，利用能量守恒原理，使進(jìn)入系統(tǒng)的能量等于排出系統(tǒng)的能量，即使得燃油熱值與空氣焓值的和等于有效功、排氣熱值、水套散熱量、中冷器、油冷器、EGR散熱量和發(fā)動(dòng)機(jī)部件熱輻射的能量之和。燃油能量在發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率、冷卻散熱和排氣廢熱三者間進(jìn)行分配。確定廢氣能量前必須合理估算發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)散熱損失，才能較精確地得到剩余水套的散熱量。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡示意見(jiàn)圖1。

發(fā)動(dòng)機(jī)能量平衡過(guò)程也是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，是僅次于發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)（性能）設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)能量平衡計(jì)算能夠提出滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的水泵流量和整車(chē)散熱器工作性能的要求，并且可以確定缸體和缸蓋的進(jìn)出水布置和流量，以及發(fā)動(dòng)機(jī)各附屬冷卻器取水、回水的位置和流量。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中得到的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度、油耗、空燃比等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出水套散熱量。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡計(jì)算程序可正向計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和水套散熱。自主開(kāi)發(fā)的熱平衡計(jì)算程序見(jiàn)圖2。endprint

1.2 創(chuàng)建水套設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及其流場(chǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水套的作用是冷卻缸體和缸蓋使其在合適的溫度下工作，水套設(shè)計(jì)的好壞直接影響缸體和缸蓋等關(guān)鍵部件的可靠性和耐久性。傳統(tǒng)的水套設(shè)計(jì)主要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)，以及參考類(lèi)似機(jī)型的設(shè)計(jì)應(yīng)用到新的機(jī)型中。由于缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、冷卻液流量等邊界條件的變化，可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。如果不能在設(shè)計(jì)中及時(shí)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)并采取措施，待后續(xù)試驗(yàn)中出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)漏水、氣門(mén)燒蝕等失效，會(huì)浪費(fèi)更多的時(shí)間和費(fèi)用。

運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics， CFD）方法建立發(fā)動(dòng)機(jī)水套的數(shù)值分析模型，可以方便、準(zhǔn)確、快捷地得到水套內(nèi)部流場(chǎng)分布。通過(guò)對(duì)各位置流動(dòng)速度、對(duì)流換熱系數(shù)、各缸冷卻均勻性等參數(shù)的評(píng)估，可以發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)并找到優(yōu)化方案，為冷卻水套的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供支撐。

水套總體設(shè)計(jì)原則為：除滿(mǎn)足鼻梁區(qū)等關(guān)鍵部位流速外，保證各部位不出現(xiàn)回流，無(wú)死水區(qū)域；按照減小通道可以降低流量、增加擾流可以增加阻力等原則，對(duì)各部位進(jìn)行節(jié)流或者擴(kuò)孔；缸墊孔按照從1缸到4缸截面逐漸增加的原則設(shè)計(jì)；對(duì)于一些對(duì)沖區(qū)域，可以減小或者關(guān)閉其中某水路的流量，降低對(duì)沖影響；對(duì)于改變流動(dòng)方向的問(wèn)題，可以嘗試將氣缸墊孔錯(cuò)位（見(jiàn)圖3），從而改變流動(dòng)方向。通過(guò)對(duì)水套分析研究（見(jiàn)圖4），建立各缸冷卻均勻性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠避免因各缸冷卻不均勻產(chǎn)生熱應(yīng)力；建立沸騰模型和冷卻液流速評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，避免流速過(guò)低造成局部沸騰和流速過(guò)高引起材料沖蝕；建立關(guān)鍵位置對(duì)流換熱系數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，避免斜水孔、鼻梁區(qū)等位置因冷卻不足造成燒蝕。

1.3 創(chuàng)建雙向流固耦合分析方法

燃燒換熱邊界十分復(fù)雜，放熱系數(shù)受諸多因素影響。以往工程方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出平均放熱系數(shù)和介質(zhì)溫度，或采用單項(xiàng)耦合方法，然而實(shí)際的流體和固體分析邊界是相互影響的。雙向流固耦合分析方法可實(shí)現(xiàn)流體分析與固體溫度場(chǎng)分析的無(wú)縫耦合，相互提供邊界，提高邊界的準(zhǔn)確性。流固耦合分析流程見(jiàn)圖5和6。在雙向流固耦合分析中考慮水套膜態(tài)沸騰影響和評(píng)價(jià)，見(jiàn)圖7。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，因而須控制水套溫度小于膜態(tài)沸騰溫度至少一定限值，沸騰分析結(jié)果見(jiàn)圖8。

1.4 創(chuàng)建溫度場(chǎng)對(duì)標(biāo)方法

通過(guò)CAE與試驗(yàn)結(jié)果互相對(duì)標(biāo)，確定計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性：若滿(mǎn)足精度要求則認(rèn)定為可靠，若不滿(mǎn)足精度要求則需要通過(guò)對(duì)標(biāo)修正溫度場(chǎng)分析邊界，重新計(jì)算溫度場(chǎng)。這些反推的參數(shù)能夠固化使用，且在后續(xù)改進(jìn)中可通過(guò)CAE方法篩選出最優(yōu)方案進(jìn)行試驗(yàn)。

將發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)實(shí)測(cè)溫度與溫度場(chǎng)分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，標(biāo)定溫度場(chǎng)分析模型，使溫度場(chǎng)分析結(jié)果更加可靠。缸體在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)受熱應(yīng)力較大，在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力時(shí)需使用溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為邊界計(jì)算熱應(yīng)力，準(zhǔn)確的溫度邊界可為缸孔變形和缸體應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提供保障。

1.5 創(chuàng)建缸孔變形評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)

缸孔縱向變形會(huì)影響活塞與缸體之間的配合間隙和工作情況，如果變形太大對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)不利，可能導(dǎo)致拉缸等不良現(xiàn)象。缸孔變形直接影響活塞的運(yùn)動(dòng)和整機(jī)機(jī)油消耗指標(biāo)。[7]

缸孔變形情況復(fù)雜，會(huì)影響機(jī)油消耗。行業(yè)對(duì)缸孔變形一直沒(méi)有很好的評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)缸孔變形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，形成不同階次的變形數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖9），然后對(duì)各階次的變形制定一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這樣對(duì)缸孔變形情況進(jìn)行分解，可直觀地對(duì)缸孔變形進(jìn)行評(píng)估。

1.6 多角度對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)估

綜合考慮CFD、模態(tài)、溫度分布、應(yīng)力分布、缸孔變形等因素對(duì)缸體的影響，結(jié)合各分析結(jié)果可系統(tǒng)地總結(jié)不同缸體之間的差異，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗、排放和零部件通用性提供正向設(shè)計(jì)的理論支撐，并為試驗(yàn)結(jié)果分析和缸體優(yōu)化提供正確的方向。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析示意見(jiàn)圖10。

2 創(chuàng)新內(nèi)容和應(yīng)用推廣

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段有必要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，以提高其工作效率。

本文研究成果成功地運(yùn)用在某汽油機(jī)平臺(tái)、某柴油機(jī)平臺(tái)等多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上，效果顯著，典型應(yīng)用案例如下。

2.1 某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套優(yōu)化

在某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋試驗(yàn)中，第2和3缸排氣道側(cè)面出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，據(jù)查證是缸蓋過(guò)熱導(dǎo)致的，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)缸體和缸蓋水套進(jìn)行CFD分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使其滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)工作中的冷卻需求。

方案1在原始方案的基礎(chǔ)上加厚結(jié)構(gòu)、修改下缸蓋到上缸蓋進(jìn)水口大小；方案2參照方案1的結(jié)果，碗形塞仍采用原來(lái)的尺寸，只修改上缸蓋鼻梁區(qū)局部通道。對(duì)缸蓋水套進(jìn)行優(yōu)化，最終確定方案1和2都能夠有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不足的問(wèn)題。

不同方案的設(shè)計(jì)更改方案和速度矢量見(jiàn)圖11。由此可知：方案2平均流速有所降低，但均勻性不如方案1，趨近于原始方案；與方案1相比，方案2總體橫向速度增加，縱向速度減??；方案2在4缸（紅色圓圈處）的速度分布比方案1好，在2缸和3缸（藍(lán)色圓圈處）的速度分布比方案1差，方案2速度矢量圖與原始方案相近。

設(shè)計(jì)上缸蓋鼻梁區(qū)流量統(tǒng)計(jì)通道見(jiàn)圖12，流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，表中N0，N1，N2分別表示原方案、方案1和方案2的流量。由此可知：上缸蓋鼻梁區(qū)流量重新分配，方案2與方案1相比，1-2，2-3，4-3通道流量增加，尤其是2-3通道增加較多，達(dá)到68%；1-1，2-1，4-1通道流量有所減少，原因是通道入口2、入口3和入口4直徑減小，縱向流動(dòng)趨勢(shì)減弱；由于通道經(jīng)過(guò)多次修改，各通道壓阻特性都有所變化，與原始方案相比，1-2，2-3，3-3，4-3通道流量變化情況較大，這4個(gè)通道的流向與其他通道相反，由進(jìn)氣側(cè)流向排氣側(cè)。

原始方案缸蓋開(kāi)裂位置分析結(jié)果顯示疲勞安全因數(shù)為1.600。更改設(shè)計(jì)方案后對(duì)缸蓋重新進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果顯示開(kāi)裂位置疲勞安全因數(shù)僅為1.020，比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.250小。對(duì)缸蓋水套進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案1和方案2原開(kāi)裂位置疲勞安全因數(shù)分別提升到1.273和1.266，均滿(mǎn)足要求并能通過(guò)耐久試驗(yàn)。缸蓋開(kāi)裂位置及疲勞計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖13。endprint

2.2 某發(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化及缸體和缸蓋強(qiáng)度驗(yàn)證 某發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更，并且增加EGR冷卻需求：EGR從缸體取水，取水量由6 L/min增加到40 L/min。經(jīng)水套CFD分析，缸蓋進(jìn)-排氣鼻梁區(qū)前端的HTC大幅下降，不滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)，需對(duì)水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。采用減小缸體后端節(jié)流孔、減小缸墊排氣側(cè)主孔外其他水孔面積、對(duì)缸墊排氣側(cè)主孔進(jìn)行錯(cuò)位等優(yōu)化方案，增加缸蓋上水量及主孔流量。經(jīng)過(guò)多輪CFD優(yōu)化計(jì)算，缸蓋流場(chǎng)最終滿(mǎn)足要求。

水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，為獲得缸體和缸蓋的溫度分布，驗(yàn)證變更后缸體和缸蓋結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，使用水套CFD計(jì)算結(jié)果和燃燒分析結(jié)果作為溫度邊界進(jìn)行缸體和缸蓋一體化分析。分析結(jié)果認(rèn)為，該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋、氣門(mén)及氣門(mén)座圈等零件溫度均小于其材料的溫度極限，缸墊的密封壓力滿(mǎn)足密封要求，缸體和缸蓋疲勞強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，各缸缸孔變形均在設(shè)計(jì)限值以?xún)?nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)部件的溫度分布和疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果見(jiàn)圖14。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)創(chuàng)建正向設(shè)計(jì)和分析流程，革新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的“拍腦袋”現(xiàn)象。

（2）自主開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡計(jì)算程序，正向計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡和水套散熱，控制發(fā)動(dòng)機(jī)各金屬邊界的溫度在最大熱負(fù)荷條件下不超過(guò)許可值，使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備，并盡可能地減少缸蓋金屬的溫度梯度，使溫度分布均勻，減少溫差熱應(yīng)力。

（3）建立發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)和水套的傳熱、流體、溫度場(chǎng)和強(qiáng)度計(jì)算模型庫(kù)，并形成規(guī)范和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡、冷卻散熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的正向設(shè)計(jì)，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

（4）基于性能、流體和動(dòng)力學(xué)的有限元聯(lián)合仿真，可互相提供邊界，提高CAE分析的準(zhǔn)確度，加強(qiáng)CAE、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)等各項(xiàng)工作協(xié)同開(kāi)發(fā)的能力。

該研究已成功運(yùn)用于多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，成果顯著，后續(xù)可推廣到更多的CAE分析工作應(yīng)用中，對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)乃至制造業(yè)的自主開(kāi)發(fā)有很大幫助。

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