天燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排氣管優(yōu)化分析

李國(guó)紅 王亮

摘要：本文圍繞市場(chǎng)的一款天燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的排氣管進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和仿真分析，通過(guò)仿真分析表明，加大排氣管的壁厚。增加法蘭厚度以及在排氣管上布置筋條，均可有效的提高排氣管的可靠性，文中所優(yōu)化的兩款排氣管都可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)，能有效的解決市場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：天然氣;排氣管;應(yīng)力分析;最高溫度

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0091-03

0? 引言

近年來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對(duì)石油的需求越來(lái)越大，由此產(chǎn)生了能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題。中國(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的《2018年國(guó)內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報(bào)告》稱(chēng)，2018年中國(guó)的石油進(jìn)口量為4.4億噸，同比增長(zhǎng) 11%，石油對(duì)外依存度升至69.8%，已嚴(yán)重影響到我國(guó)的能源安全。作為用油大戶(hù)的汽車(chē)行業(yè)，近幾年也獲得快速發(fā)展。到2018年底，我國(guó)的汽車(chē)保有量已達(dá)到2.4億輛，汽車(chē)消耗了大量的石油，同時(shí)也排放了大量的污染物。為緩解石油短缺帶來(lái)的問(wèn)題，改善大氣環(huán)境，發(fā)展天然氣汽車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)有效的替代方案[1]。

滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在采用當(dāng)量燃燒路線后，缸內(nèi)溫度比稀燃路線下的溫度高，爆燃邊界變窄;高增壓、降轉(zhuǎn)速使其向高功率密度和高負(fù)荷方向發(fā)展[2]。在升功率提升的同時(shí)，天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷會(huì)越來(lái)越大，這勢(shì)必會(huì)對(duì)排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，本文作者圍繞市場(chǎng)出現(xiàn)的一款發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管斷裂的故障現(xiàn)象，針對(duì)現(xiàn)有故障件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，排氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)差異如表1所示，同時(shí)開(kāi)展CAE仿真分析，以便需求更優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

1? 計(jì)算模型

有限元模型包括氣缸蓋、排氣管、渦后接管、渦后接管支架、排氣管墊片、增壓器底座、螺栓。氣缸蓋、排氣管、增壓器座、墊片用SimLab劃分網(wǎng)格，螺栓用HyperMesh劃分網(wǎng)格，在FIRE中計(jì)算內(nèi)流場(chǎng)的溫度，通過(guò)映射程序獲取熱邊界，在Abaqus里施加邊界條件，最后用Abaqus求解。

進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，墊片采用DC3D6單元，實(shí)體采用DC3D10單元。進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，墊片采用GK3D12M單元，實(shí)體采用C3D10M單元。其有限元模型如圖1所示。

2? 計(jì)算邊界

2.1 溫度場(chǎng)分析

排氣管內(nèi)壁及缸蓋排氣道內(nèi)壁由流體CFD計(jì)算提供映射邊界。水套、缸蓋油道、缸蓋進(jìn)氣道、缸蓋火力岸、排氣管和缸蓋外壁面的溫度和換熱系數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)施加;同時(shí)設(shè)置輻射溫度和系數(shù)。

2.2 帶熱負(fù)荷的靜力分析

①溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為溫度邊界輸入;

②螺栓軸力：根據(jù)工藝試驗(yàn)可知，M10的排氣管螺栓擰緊力矩為60～70N·m，強(qiáng)度計(jì)算取上限值;增壓器螺栓為M12螺栓，擰緊力矩為110N·m，則對(duì)應(yīng)的螺栓軸力為：

③增壓器質(zhì)量為13.8kg，在增壓器質(zhì)心處按照上下左右前后方向分別施加一定倍數(shù)的重力加速度。

2.3 約束施加

溫度場(chǎng)分析不施加位移約束，靜力分析時(shí)，缸蓋封火圈位置、機(jī)體頂面缸套安裝臺(tái)階面約束上下方向（Y向）;缸蓋截面Z方向采用對(duì)稱(chēng)約束;機(jī)體頂面左右分割線上若干點(diǎn)約束左右方向（Z向）;缸蓋底面前后中間分割線、機(jī)體頂面前后中間分割線上若干點(diǎn)約束前后方向（X向）。

3? 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

從溫度場(chǎng)云圖圖2-圖4可以看出，高溫區(qū)域主要分布在增壓器到EGR取氣口之間，對(duì)應(yīng)是故障位置，兩種方案最高溫值區(qū)別不大，方案1稍小于方案2，但兩種結(jié)構(gòu)的排氣管最高溫度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

從應(yīng)力云圖圖5對(duì)比，大板筋附近的應(yīng)力值方案1稍小于方案2。

3.3 高周疲勞計(jì)算結(jié)果

將應(yīng)力分析結(jié)果文件導(dǎo)入到FEMFAT軟件中，使用TransMAX方法進(jìn)行高周疲勞求解。

從圖6排氣管高周疲勞結(jié)果對(duì)比來(lái)看，大板筋附近安全系數(shù)相當(dāng)，兩種結(jié)構(gòu)的差異不大，疲勞安全系數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩個(gè)排氣管進(jìn)行最高溫度、應(yīng)力分析，高周疲勞分析，最終結(jié)果如表2所示。

①兩個(gè)方案最高溫度相差很小，均合格;②三個(gè)方案最小安全系數(shù)也相差很小，均合格;③從應(yīng)力云圖上分析，五六缸大板筋及周?chē)膽?yīng)力對(duì)比，SF1優(yōu)于SF2。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳本林，等.國(guó)六排放天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2021，11（1）.

[2]蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[3]曾麗麗，等.天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃仿真分析與試驗(yàn)研究[J].汽車(chē)與新動(dòng)力，2020.