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非道路四气门增压中冷柴油机缸盖热负荷研究

逯飞飞  
【摘要】:近年来非道路柴油机得到了快速发展,相比于道路用柴油机,非道路柴油机结构形式复杂多样,应用范围广泛,具有更宽的功率范围。我国于2015年10月1日起开始执行更加严格地非道路用柴油机国Ⅲ排放标准,要求柴油机采用更高的喷油压力以及电控技术降低排放,非道路柴油机强化程度不断提高。加上工作环境恶劣,冲击振动大,冷却效果不佳等,使得非道路柴油机在长时间工作条件下承受很高的热负荷,对主要受热零件地热可靠性提出更高要求。因此,针对非道路柴油机缸盖等零部件进行热负荷研究,对提高内燃机的整机性能和可靠性具有重要意义。论文以一款非道路四气门增压中冷柴油机缸盖为研究对象,采用硬度塞法测试了缸盖火力面温度场,同时测量了标定工况下冷却水套进出水口的温度、流量等参数,作为数值计算的边界条件;建立了缸盖-缸体装配耦合有限元仿真模型,对缸盖及冷却水套进行了流固耦合计算与分析,并进行了缸盖热机耦合计算与分析;最后对缸盖水套进行了结构优化。具体研究结果如下:(1)采用硬度塞法测试了柴油机在标定工况与最大扭矩工况的缸盖火力面温度场。测试结果表明:两个工况测点温度分布规律基本一致,高温区域位于排气门之间鼻梁区,同一工况下3缸要比1缸的最高温度高3-5℃,标定工况要比最大扭矩工况的最高温度高5℃左右;测点温度大部分分布在200-300℃范围内,最高测点温度位于标定工况第3缸排气门之间鼻梁区位置,温度为337.5℃。(2)通过建立“缸盖-机体-缸垫-缸套-螺栓-冷却水套”的有限元模型,计算得到标定工况下缸盖的稳态温度场与不同工况(预紧工况、热载荷工况、爆发工况)下缸盖的应力及变形结果。研究结果表明:缸盖的高温区域主要集中在各缸火力面区域,尤其是第3缸两个排气门之间的鼻梁区附近热负荷最高,最高温度达到321.81℃;在第4缸爆发情况下,最大应力位于第三缸火力面靠近排气侧气门座边缘,为300.43MPa,最大变形量为0.458m m,位于缸盖飞轮端。(3)对原机缸盖水套进行结构优化,结果表明:优化方案能有效的改善水套流动特性和降低缸盖的热负荷,其中,缸盖水套整体的平均流速由1.38m/s提高到1.44m/s,缸盖底板附近的平均流速由1.081m/s提高到1.092m/s,水套表面换热系数均值由8906W·(m2·K)-1升高到9065W·(m2·K)-1;缸盖鼻梁区的最高温度由321.81℃降低到312.69℃,降低了 9.12℃,最大应力由原机的300.43MPa降低到现在的277.72MPa,下降22.71MPa,最大变形量由原机的0.458mm降低到现在的0.447mm,下降0.011mm。


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