某發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸體熱負(fù)荷分析及優(yōu)化

朱三平，鐘翔波

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的缸套內(nèi)表面作為燃燒室的一部分，工作時(shí)接受高溫燃?xì)獾臒崃?，是缸體的熱量來源。大量的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，缸體上相鄰兩個(gè)缸筒頂部之間的鼻梁區(qū)部位，往往是缸體溫度最高的地方[1]，是誘發(fā)燃燒爆震的根源之一[2]，對(duì)缸體的熱負(fù)荷分析及合理的冷卻設(shè)計(jì)，是缸體開發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)。

缸體的材料主要是鑄鐵和鑄鋁。鑄鋁材料的優(yōu)點(diǎn)是重量輕，導(dǎo)熱率好，但成本稍高，一般用于乘用車平臺(tái)。鑄鐵材料的優(yōu)點(diǎn)是成本低，強(qiáng)度好，但是導(dǎo)熱率只有鑄鋁的30%左右，因此鑄鐵缸體溫度通常要比鑄鋁缸體高。

某新開發(fā)微車的發(fā)動(dòng)機(jī)主體借用自某乘用車平臺(tái)，出于降成本考慮，把原機(jī)的鑄鋁缸體切換成了鑄鐵缸體，在做臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，1000～4000轉(zhuǎn)時(shí)爆震傾向嚴(yán)重，點(diǎn)火角普遍要比原機(jī)推后了3～5°CA，動(dòng)力下降嚴(yán)重，油耗增加，因此需要對(duì)鑄鐵缸體熱負(fù)荷進(jìn)行相關(guān)分析及優(yōu)化。

1 鑄鐵缸體熱負(fù)荷分析

1.1 缸體模型建立

圖1 缸體簡化的有限元模型

這里定義了缸套和水套的熱交換邊界的面網(wǎng)格，單元類型為DS3，用于傳熱計(jì)算時(shí)候的第三類邊界條件的設(shè)置[3]，分別用不同的顏色表示。主體的單元類型為DC3D4。

1.2 水套邊界計(jì)算

為獲得上述缸體模型的水套的換熱邊界，建立了水套的CFD模型，并在FIRE中進(jìn)行了計(jì)算，水套進(jìn)口設(shè)置為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的流量，圖2顯示了水套表面換熱系數(shù)云圖。在FIRE中可進(jìn)行上述有限元模型中的水套傳熱邊界的映射，映射結(jié)果文件可導(dǎo)入ABAQUS計(jì)算。

原機(jī)缸體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且關(guān)注的對(duì)象是缸套的溫度分布，因此對(duì)缸體模型機(jī)型了簡化，截取了缸套周圍15 mm的幾何結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了ABAQQUS有限元網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖1所示。

圖2 水套表面換熱系數(shù)云圖

1.3 缸套邊界計(jì)算

缸套內(nèi)表面與高溫燃?xì)饨佑|，是熱量的來源，缸內(nèi)燃?xì)獾乃矔r(shí)換熱系數(shù)α一般用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

上式中，Cm表示活塞平均速度，P表示缸內(nèi)壓力，Tg表示缸內(nèi)氣體溫度。

在計(jì)算的時(shí)候，額定功率點(diǎn)的缸內(nèi)壓力及溫度可通過一維仿真分析獲得。

瞬時(shí)溫度及換熱系數(shù)可根據(jù)能量守恒原理按以下公式進(jìn)行時(shí)間平均：

在計(jì)算的時(shí)候，額定功率點(diǎn)的缸內(nèi)壓力及溫度可通過一維仿真分析獲得。

缸套內(nèi)表面的熱邊界隨著高度的不同而不同，一般按如下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，h為距離缸頂?shù)木嚯x，β=h/s（s：發(fā)動(dòng)機(jī)沖程），K1=0.537（D：發(fā)動(dòng)機(jī)缸徑），K2=1.45·K1。

在Matlab中根據(jù)公式（1）～（5）編制了相關(guān)程序，對(duì)簡化缸體模型里面的缸套內(nèi)表面網(wǎng)格逐個(gè)單元進(jìn)行了換熱邊界映射，映射結(jié)果文件可導(dǎo)入ABAQUS計(jì)算。

1.4 分析結(jié)果

圖3顯示了缸套內(nèi)表面的溫度場分布，可以看到，缸套頂部相鄰之間的部位溫度最高，達(dá)到340°C左右，位于2、3缸缸間部位，原因在于此處與水套邊界的距離最大，散熱困難。

圖3 缸套內(nèi)表面的溫度場分布

2 缸體改進(jìn)方案

圖4顯示了水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。針對(duì)缸間冷卻困難，熱量積聚的情況，在缸體缸間部位設(shè)計(jì)了V型鉆孔結(jié)構(gòu)，使得原來的熱點(diǎn)到水套邊界的距離大為縮短。為了最大限度增加缸間孔的進(jìn)出口壓力差，對(duì)排氣側(cè)端的出口設(shè)計(jì)成與缸體水套主體隔離。

圖4 缸體水套變更方案

3 缸體改進(jìn)分析結(jié)果

按照缸體水套變更方案更新了缸體簡化模型，并建立新的整機(jī)水套模型，按照上述方法重新計(jì)算了新狀態(tài)的缸體的溫度場分布，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，缸套內(nèi)表面最高溫度降低到294°C，位于缸間中部，上部的溫度普遍低于200°C，這樣的溫度分布對(duì)抑制爆震是有好處的，因?yàn)榛钊\(yùn)行到中部高溫區(qū)時(shí)，燃燒室的燃燒已基本完成，缸套內(nèi)表面的高溫?zé)狳c(diǎn)不可能對(duì)燃燒發(fā)生影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)優(yōu)化方案制造了缸體樣件，并對(duì)其進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火角恢復(fù)成鑄鋁缸體狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)爆震強(qiáng)度處在可以接受的范圍，功率油耗基本恢復(fù)到原來的水平。圖6顯示了缸體改進(jìn)前的外特性扭矩對(duì)比。

圖6 缸體改進(jìn)前后扭矩對(duì)比

5 結(jié)論

缸體材料由鑄鋁改成鑄鐵，會(huì)使缸體頂部的缸間部位溫度顯著增加，因而增加了外特性工況的爆震傾向。通過缸間鉆孔，縮短缸間鼻梁區(qū)到冷卻液的距離，可明顯降低缸套內(nèi)表面頂部的溫度，有助于抑制爆震，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。缸體的熱負(fù)荷狀況與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著密切的關(guān)系。運(yùn)用各種模擬分析工具軟件及方法，對(duì)缸體的改機(jī)設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的實(shí)用性和指導(dǎo)性。