2D25卧式柴油机气缸套温度场计算分析611.docVIP

卧式柴油机气缸套温度场测试及热负荷分析 肖森林　雷基林1　毕玉华1　申立中1　陈建明2 （1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室，云南 昆明 650224; 2.云南新天力机械制造有限公司，云南 昆明 650300） 摘要：气缸套在工作过程中，承受着复杂的机械与热负荷。应用有限元技术，建立合理的有限元模型，选择标定功率工况，结合缸套的温度场测试结果，计算出了2D25卧式柴油机气缸套的温度场分布。计算结果表明，缸套最高温度为232.5℃；缸套上端的冷却不足，有待进一步改进；加强支撑凸肩底部的退刀槽处的冷却，可降低缸套上端热负荷，改善缸套的温度场分布。 关键词：气缸套、温度场、柴油机、有限元； 气缸套是柴油机燃烧室组成零件之一，它与活塞、缸盖一起组成柴油机的工作过程空间，并对活塞、活塞环起支撑和导向作用。气缸套工作条件恶劣，承受着复杂的机械与热负荷。过大的热负荷使气缸套温度增高，润滑与冷却条件恶化，热变形增大，加剧气缸套的磨损，从而增大漏气量和机油耗，也影响了柴油机的可靠性和耐久性。因此，了解柴油机气缸套的温度分布规律，对于设计和优化气缸套结构有着重要的意义。 针对新型2D25卧式柴油机缸套的工作状况，结合缸套特征点工作温度的测量，应用NX软件计算分析了缸套的温度场分布，为气缸套的合理改进设计提供理论依据。 1 气缸套温度场计算的理论基础 温度场像重力场、速度场一样，它是各时刻物体中各点温度分布的总称，若物体各点的温度不随时间变动，这种温度场称为稳态温度场[1]。对于导热系数为常数、无内热源、稳态的情形，可用公式表示为： 式中，x、y、z为空间坐标。 导热问题常见的边界条件有以下三种： 第一类边界条件：规定了边界上的温度值。 第二类边界条件：规定了边界上的热流密度。值。 第三类边界条件：规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度。 气缸套的热传导过程可以看作是导热系数为常数、无内热源、稳态的情形，缸套内壁燃气侧、缸套外壁冷却水侧及机架侧采用第三类边界条件，缸套下部采用的是第一类边界条件。 2 气缸套温度场计算过程 2.1 缸套关键点温度测试 采用热电偶测温法对缸套关键点工作温度进行测量，选用北京赛亿凌科技有限公司STTT-V 系列热电偶温度传感器，测点布置如图1、图2所示，共20个测点。测试结果如表1所示。 图1 气缸套测温试验测点轴向分布图 图2 气缸套测温试验测点周向分布图 表1 气缸套温度实测结果，单位：℃ 0° 90° 180° 270° 测点1 198.8 194.3 193.1 196.6 测点2 167.6 165.4 162.9 165.7 测点3 136.9 137.6 135.8 136.2 测点4 112.4 110.2 112.2 114.3 测点5 106.7 108.5 104.4 107.7 2.2缸内换热系数的初步确定 柴油机缸体内部稳态传热边界条件轴向高度上有如下分布规律[4]： h为轴向距离，零点对应活塞上止点，单位m；；S为行程，单位m；为常数，其中,；D为缸径，单位m。 、分别为工作循环中燃气的平均换热系数及综合平均温度，其计算式如下： 其中，对流换热系数的计算采用修正的Eichelberg公式： 为活塞平均速度，单位m/s；为缸内气体压力，单位bar；T为缸内气体温度，单位K。 本文，通过BOOST软件计算出缸内的压力及温度数据，然后按照上面的公式计算出=279.49 W/m2·K，= 1219.15 K。 参考气缸套与周围机件及介质的实际换热方式，分别确定如下，可参考图1所示。 图3 换热区域示意图 （1）AB段按上面所述的经验公式求取。 （2）BC段不与缸内燃气接触，一般作为第一类边界条件处理，这里按测量值116.7℃确定。 （3）DE段悬挂在机体中，可定为50 W/（m2?K）。 （4）EF段为水套密封部分，接触热阻较大，这里一般取116 W/m2?K，环境温度可取为机体的温度。 （5）FG段直接与冷却水接触，大多数文献在这里取值为3000 W/m2?K，根据国内外水套CFD模拟计算参考文献的推荐值，刚体平均换热系数应该在3000-4000 W/m2?K左右[5]，这里结合该柴油机的实际工况、缸内换热系数及所测温度场值，调整为3050 W/m2?K，水温为95℃。 （6）GH、HI、IJ段主要是与机体紧密接触，缸套与机体间的换热系数由缸套与机体间的接触热阻决定，对于接触热阻的分析计算，因为目前尚缺乏满意的计算公式，此处主要参考文献中的实例选取[6]，分别为1163 W/m2?K、4652 W/m2?K、2326 W/m2?K，对应机体的温度可实测或按公式来决定。 （7）CD段与AJ段一般做绝热处理。 2.3 气缸套有限元模型