柴油机气缸盖内流动换热研究及水腔结构改进

发布时间：2020-06-12 15:14

【摘要】：随着柴油机不断向高燃烧压力、高功率密度方向发展,现代柴油机关键零部件热负荷问题日趋严重。气缸盖作为柴油机工作环境极为恶劣的的关键零部件之一,在柴油机实际工作过程中承受着极高的热负荷,受热问题尤为严重,这会严重影响柴油机工作的可靠性和使用的耐久性。因此,在现代柴油机冷却系统设计和改进过程中,精确地预测和评价柴油机气缸盖的换热状态以及合理准确地控制其热负荷具有重要的研究意义。本文以某四缸水冷式柴油机为研究对象,开展了柴油机气缸盖温度场试验,柴油机气缸盖内流动换热模拟研究以及气缸盖冷却水腔的结构改进设计。主要内容如下:(1)在气缸盖火力面温度较高和温度梯度较大的区域布置20个温度测点并完成硬度塞的安装,在标定工况下对气缸盖温度场进行测温试验,获得气缸盖温度场分布。结果表明:第三缸火力面两排气门“鼻梁”区的测点14温度最高,达到580 K,火力面排气道侧测点温度均在550 K以上,火力面进气道侧测点温度均在550 K以下。因此,测温试验结果符合火力面“鼻梁”区温度最高,火力面排气道侧温度普遍比进气道侧高的实际情况。(2)采用ProE软件建立了柴油机气缸体、气缸盖、进排气道等三维模型,应用STAR-CCM+软件分别对冷却系统的流体域和固体域进行网格划分。在相同边界条件下分别采用传统对流换热模型和欧拉两相流沸腾换热模型,对气缸盖流场与温度场进行数值模拟,对比气缸盖火力面各测点的测量值与计算值。结果表明:传统对流换热模型的计算结果与试验测量值的部分误差大于5%,与试验值偏离较大;欧拉两相流沸腾换热模型计算误差均小于5%,计算结果更加接近试验值。欧拉两相流沸腾换热模型的计算结果更加符合气缸盖内冷却液流动与换热的实际状况。(3)基于欧拉两相流沸腾换热模型,对气缸盖冷却水腔内两相流沸腾换热的流场、压力场、温度场等进行了分析。结果表明:气缸盖冷却水腔内冷却液流速、流量分布不均,因上水孔布置不合理,造成冷却水腔鼻梁区存在流速小于0.5 m?s~(-1)的低流速区和流动死区;因冷却液流动存在惯性作用以及冷却水腔容积较大,导致气缸盖冷却水腔底部冷却液流量较小。冷却液流速、流量分布不均造成气缸盖冷却水腔局部温度较高以及出现大片高温区。在柴油机实际运行过程中容易出现热疲劳等问题,对机体造成一定损害。(4)针对原机气缸盖冷却水腔存在的问题,对气缸盖冷却水腔进行了改进设计,提出了两种改进方案,通过流场、温度场对改进方案进行了具体的评价。结果表明:两种改进方案在一定程度上均提高了冷却水腔鼻梁区的流速,降低了高温区域的热负荷。相对于原机,方案1、方案2最大流速分别提高了0.16 m?s~(-1)、0.27 m?s~(-1),低流速区和流动死区面积进一步减小,最高温度降低了1.85 K、4.05 K,高温面积进一步减小。通过流场和温度场的对比分析,方案2在改善低流速区和降低高温区域热负荷方面具有良好效果,改进方案为气缸盖冷却水腔的改进设计提供了参考范例。
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测温的关键为硬度塞的加工，硬度塞测温的精度与制作以在制作硬度塞材料的选择上具有特定的要求。要求材材料的金相显微组织和化学成分均匀，无软点和硬点；硬度能长期保持在稳定和均匀的状态，通常要求：材料直线或者近似成线性关系；材料处在同一回火温度下，，可能保持处于相对稳定状态[55,56]。目前，研究人员制作轴承钢。依据标准件（GB73-66）平端紧固螺钉的形状加工，尺安装于气缸盖，对气缸盖表面破坏较小，较易铆紧，其要求[57,58]。试验用硬度塞如图 2.1 所示。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421.1

【参考文献】