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正向工程中车用柴油机缸孔变形的研究

徐玉梁  
【摘要】: 本课题紧密联系工程实际,以目前市场上应用范围广泛的493车用柴油机为研究对象,对车用柴油机正向工程开发中的重要环节——缸孔变形问题的机理、评价方法及优化设计思路进行全面深入的研究。目的是解决国内企业在车用柴油机整机开发及老机型改进过程中普遍遇到的机体缸孔变形过大从而影响机油消耗和颗粒物排放量进一步降低的难题,突破了正向工程设计中的技术难点,为由点及面的全面提高自主创新能力奠定基础。 本文提出了整体接触多场分步耦合的研究方法,通过建立包含完整机体、缸盖、缸套、缸盖垫与缸盖螺栓的接触关系模型,避免了以往机体局部模型和单件研究的不足;通过对冷却水侧流场的CFD模拟获得缸体冷却水侧温度场的分布,减少了采用简单经验公式给出边界条件造成的误差;通过分步求解机体温度场的分布与热应力场下的变形,降低计算规模,实现了机体缸孔在机械负荷和热负荷下的耦合计算。 根据缸盖垫各部分的不同力学特性,并结合缸盖垫载荷试验,本文提出了缸盖垫的非线性组合模型,最大限度简化模型的同时反映了零件的真实力学关系。通过在缸盖螺栓预紧力下机体缸孔变形的模拟计算与试验测量,对整体接触模型和边界条件的准确性进行了验证,在此基础上分步进行机械应力场、热应力场和耦合场下缸孔变形的模拟计算。根据耦合场模拟确定的综合优化方案,有效降低了493国Ⅲ样机的配缸间隙。性能与排放试验表明,此样机与原机相比最大扭矩增加10%,机油消耗率降低35%,ESC试验颗粒物排放量为0.09 g/kW?h,大大低于该机型国Ⅲ阶段0.13 g/kW?h的限值水平。 不论是缸孔变形的模拟计算,还是缸孔变形的试验测量获得的都是缸孔的总变形。通过研究发现,机体缸孔的总变形可以分为位移变形和失圆变形两类,而位移变形和部分失圆变形可以被连杆侧隙或活塞环的弹力所弥补,不会造成活塞环密封环带的失效。在对缸孔各个横截面的变形应用快速傅立叶变换(FFT)的基础上,本文提出了缸孔变形的评价参数——最大有效变形?r e ffect?max,应用此参数可以更加准确的预测缸孔变形对机油消耗率和颗粒物排放的影响,为正向工程中机体缸孔变形的研究建立了行之有效的方法,具有重要的工程应用价值。


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