柴油機(jī)氣缸套熱變形研究

孫俊花 張創(chuàng)科 馬輝

摘要：柴油機(jī)的氣缸是氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間，并為活塞起導(dǎo)向作用。燃燒過程中氣缸套的內(nèi)壁直接受到高溫高壓燃?xì)庾饔茫?而它的外側(cè)又被冷卻水包圍。在內(nèi)外壁如此大的溫差下，氣缸套將會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力及熱變形，其可靠性對(duì)整個(gè)柴油機(jī)的正常工作有著重要的影響。所以在氣缸套的設(shè)計(jì)過程中必須進(jìn)行深入的熱分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行可靠性有一個(gè)較為準(zhǔn)確的估計(jì)，為合理地改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

Abstract： In the diesel engine， cylinders are space of compressing， burning and expanding gas， and act as a guide for the pistons. During the process of combustion， cylinder liners' internal walls are directly affected by the gas of high temperature and high pressure while the external walls are surrounded by the cooling water. The cylinder liners will generate considerable thermal stress and thermal deformation because of so large temperature difference between internal walls and external walls. The cylinder liners' reliability has important influence on the normal running of the diesel engines. Thus we must carry out in-depth thermal analysis and estimate the running reliability accurately during the process of structural design in order to improve and optimize the design reasonably.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);氣缸套;熱變形

Key words： diesel engine;cylinder liner;thermal deformation

中圖分類號(hào)：TK42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0069-04

1? 概述：氣缸套熱負(fù)荷研究的必要性

隨著國(guó)家對(duì)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃要求，柴油機(jī)的研究和設(shè)計(jì)并不局限于它的工作效率和使用性能，更多的側(cè)重是它的環(huán)保節(jié)能以及耐久性。所以前期從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模擬上，也具有重要意義。

2? 一種典型的氣缸套的溫度分布

首先是通過軟件Ansys計(jì)算可得到氣缸套各個(gè)部位的溫度分布以及內(nèi)壁上某條線沿軸向溫度的變化曲線，見圖1和圖2。

根據(jù)圖1和圖2可以得出下列結(jié)論：

①缸套內(nèi)壁面的最高溫度出現(xiàn)在缸套上部區(qū)域，原因在于該部位不在冷卻水套區(qū)域，得不到充分的冷卻，當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)位置時(shí)，氣體壓力和溫度同時(shí)升高，此時(shí)缸體溫度達(dá)到一個(gè)最高值。

②缸套內(nèi)壁面沿軸向溫度呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)。這和發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的四個(gè)工作沖程原理相關(guān)聯(lián)。隨著活塞上行下移，氣缸內(nèi)的氣體壓力逐步增大或縮小，工作溫度也會(huì)隨著變化。

③對(duì)應(yīng)于缸套中部，活塞導(dǎo)向運(yùn)行的區(qū)間位置，溫度變化比較平緩，因?yàn)樵搮^(qū)域處于冷卻水套區(qū)，有充足的冷卻效果，所以溫度低，而且受燃?xì)庥绊懶　?/p>

計(jì)算結(jié)果表明，該缸套內(nèi)壁面上部的溫度分布偏高，活塞在上止點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)第一環(huán)附近的缸套內(nèi)壁溫度已超過上限（490K），這是由于該缸套的結(jié)構(gòu)特征所決定的。為了改變這種缸套的溫度分布，降低缸套內(nèi)壁面上部的溫度，要對(duì)氣缸套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)后缸套的溫度分布

本文將缸套中部支承位置分別下移20mm、25mm、30mm，如圖3所示。

溫度邊界設(shè)定：氣缸套燃?xì)鈧?cè)（受熱受壓方向）邊界條件不變，缸套冷卻部位（凸肩）僅改變C段的長(zhǎng)度其它條件不變。

三種結(jié)構(gòu)顯示的缸套溫度見圖4、圖5、圖6。

從以上不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，顯示的不同溫度分布圖示，我們可以看到：中部凸肩下移20、25mm后缸套內(nèi)壁面溫度有所降低但不明顯，中部凸肩下移30mm后缸套內(nèi)壁面溫度降低明顯見（圖7），尤其是活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)活塞第一道氣環(huán)對(duì)應(yīng)處的缸套內(nèi)壁溫度下降較為明顯。溫度降低會(huì)減少潤(rùn)滑油受高溫焦化而形成高溫積碳的風(fēng)險(xiǎn)。

4? 熱變形結(jié)果及分析

本文在獲得缸套溫度場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在后續(xù)的應(yīng)力分析中，對(duì)缸套進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算，得到缸套熱變形的分布情況，如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，缸套整體發(fā)生變形，但是在接近缸套最上端變形比較明顯，最大變形量接近0.20mm左右，這是和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理相關(guān)的，在壓縮行程結(jié)束前就已經(jīng)點(diǎn)火，點(diǎn)火后能量有一個(gè)釋放的過程，所以一般在上止點(diǎn)后20～35度曲軸轉(zhuǎn)角處達(dá)到最高溫度，此時(shí)的缸套上部溫度最高，所以變形最大。最小變形發(fā)生在缸套中部，即在密封水套附近，最小變形量不足0.001mm，因?yàn)樵撎帨囟茸畹停质苡诙ㄎ煌辜绲淖饔?，所以幾乎沒什么變化。

由圖9可以看出，最大徑向位移發(fā)生在冷卻水套的中部，大小為0.102 mm。因?yàn)榇颂帤飧滋椎臏囟茸兓^大，燃?xì)鈧鹘o氣缸套的熱量也較多。而缸套上部雖然溫度最高，由于受到徑向定位凸緣的影響，此處的膨脹變形受到限制。最小徑向位移發(fā)生在缸套中部，因?yàn)榇颂帨囟茸兓淮笄沂艿綇较蚨ㄎ画h(huán)帶的影響。

以上已經(jīng)得出結(jié)論：該缸套的中部支撐面下移30mm以后，缸套內(nèi)壁面的溫度明顯降低。而此時(shí)缸套熱變形的結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10可以看出，缸套整體發(fā)生膨脹，總體變形量有所增大，最大變形仍發(fā)生在缸套上部，最大變形量增大為0.192mm，這是因?yàn)橹胁恐蚊嫦乱?0mm后，缸套上部的熱梯度增大。冷卻水套部分的變形更加均勻，因?yàn)橹胁恐蚊嫦乱?0mm后，冷卻水套處缸套內(nèi)壁面的溫度梯度明顯減小。

由圖11可以看出，缸套的中部支撐面下移30mm后，整體的徑向位移分布規(guī)律相同，徑向位移量有所減小。最大徑向位移仍發(fā)生在冷卻水套的中部，大小為0.099mm。

5? 小結(jié)

首先對(duì)1125型上部凸緣中支式氣缸套進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得到了它的溫度分布，并在此基礎(chǔ)上通過改變結(jié)構(gòu)尺寸來改善溫度分布，然后對(duì)該缸套以及優(yōu)化后的缸套進(jìn)行了熱變形計(jì)算，得到了它們的徑向位移及總變形分布，并分析了缸套變形及其原因，為合理地改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶文銓.傳熱學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006：35-37.

[2]王希珍，嚴(yán)兆大，周軍.柴油機(jī)缸套熱負(fù)荷評(píng)估的分析及實(shí)驗(yàn)研究方法[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2001，22（4）：62-65.

[3]羅時(shí)友.S195型柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)測(cè)量及軸對(duì)稱邊界元分析[D].鎮(zhèn)江：江蘇工學(xué)院能源與動(dòng)力系，1991.

[4]曹茹，李剛.內(nèi)燃柴油機(jī)車氣缸套熱變形有限元分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26（3）：70.

[5]葉秀汗，等.動(dòng)力機(jī)械熱應(yīng)力理論與應(yīng)用.上海交通大學(xué)出版社，1987.