活塞—环组—缸套耦合传热及热负荷研究

发布时间：2017-09-14 22:11

  本文关键词：活塞—环组—缸套耦合传热及热负荷研究

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【摘要】：随着排放法规的日益严格,内燃机功率不断强化,缸内热负荷随之增加。活塞、缸套是构成燃烧室的重要部件,长时间接受缸内高温燃气的加热作用,容易产生拉缸、热裂以及活塞环卡死等非正常破坏。在内燃机设计中,了解活塞、环组、缸套在热负荷作用下的热态型面、综合热应力与热变形情况,对提高发动机整机性能具有重要意义。选择一款高压共轨柴油机作为研究对象,采用三维有限元法进行了以下具体研究工作：(1)对柴油机主要受热零部件进行了温度场测试。采用硬度塞法对活塞、缸盖火力面进行了温度测试,选择热电偶测量了缸套内壁面温度,对冷却水套测量了进出口温度、流量,并用来作为流固耦合计算边界条件。测试中,硬度塞测温误差与热电偶测温误差分别控制在±3℃与±1.5℃范围内。(2)建立了“螺栓-缸盖-缸垫-机体-缸套-活塞-环组-活塞销-冷却水”流固耦合仿真模型；采用BOOST软件建立了一维燃烧模型,获得了燃气侧边界条件；通过进行CFD计算得到了冷却水侧边界条件；采用整机耦合计算方法,有限元软件可将活塞-环组-缸套复杂的外边界转换为内边界作内部处理,使仿真环境更加接近真实环境。(3)采用ANSYS Workbench三维仿真平台实现了流-固-热联合仿真计算,获得了活塞、环组、缸套温度场、热应力热应变以及综合热流密度。通过分析发现,活塞喉口处温度最高,从上到下呈递减趋势,活塞最大Mises应力出现在内腔最顶端,最大变形量出现在皮带轮侧；活塞环组温度、热应力由上向下依此降低,变形量由大到小依此为第二气环、第一气环、油环；气缸套高温区域分布在最上端不与冷却水接触的地方,沿轴向向下呈现先下降再上升的趋势,最大应力主要集中在上端,最大变形量分布在靠近机体两端最近的地方,1、2缸与3、4缸成对称趋势分布。将活塞顶部与缸套内壁面特征点计算温度值与试验数据进行了对比分析,误差在10%以内。
【关键词】：柴油机 流固耦合 温度场试验 热负荷 热变形
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外内燃机热负荷研究动态及现状12-17
• 1.2.1 单个受热部件热负荷仿真计算研究12-14
• 1.2.2 多部件耦合传热仿真计算研究14-16
• 1.2.3 燃烧室零部件温度测试研究16-17
• 1.3 论文研究主要内容及技术路线17-19
• 1.3.1 论文研究主要内容17
• 1.3.2 论文研究技术路线17-19
• 第二章 柴油机燃烧室受热部件工作温度测试19-33
• 2.1 温度测试背景与意义19
• 2.2 温度测试方法及原理19-20
• 2.3 燃烧室受热部件温度测试方案20-25
• 2.3.1 测试目的及内容20-21
• 2.3.2 试验工况及传感器的选择21-22
• 2.3.3 活塞特征点布置方案22-23
• 2.3.4 缸套特征点布置方案23-24
• 2.3.5 气缸盖燃烧室特征点布置方案24-25
• 2.3.6 冷却水套进出口边界测试方案25
• 2.4 活塞-缸套-缸盖温度场测试25-26
• 2.5 试验结果与分析26-32
• 2.5.1 活塞温度测试分析26-29
• 2.5.2 气缸套温度测试分析29-31
• 2.5.3 冷却水进出口流量测试分析31-32
• 2.6 小结32-33
• 第三章 柴油机活塞-环组-缸套耦合传热模型分析33-53
• 3.1 有限元法的发展及在内燃机研究中的应用33-34
• 3.2 流固耦合传热基本理论34-40
• 3.2.1 流体动力学基本理论34-36
• 3.2.2 传热学基本理论36-39
• 3.2.3 热弹性力学基本理论39-40
• 3.3 柴油机整机三维实体模型的建立40-43
• 3.3.1 柴油机主要技术性能参数40-41
• 3.3.2 柴油机三维实体模型的建立41-43
• 3.4 有限元模型的建立43-45
• 3.4.1 材料特性参数的定义43-44
• 3.4.2 网格类型的选取44-45
• 3.4.3 网格的划分45
• 3.5 稳态温度场及热应力场边界条件的设置45-51
• 3.5.1 缸内燃气侧换热边界条件45-49
• 3.5.2 冷却水流动换热边界条件49-50
• 3.5.3 润滑油侧换热边界条件50
• 3.5.4 进、排气道换热边界条件50
• 3.5.5 热变形与热应力计算边界条件的设置50-51
• 3.6 小结51-53
• 第四章 柴油机活塞-环组-缸套耦合传热及热负荷计算分析53-77
• 4.1 整机耦合下活塞-环组-缸套热分析53-62
• 4.1.1 活塞温度场分析55-59
• 4.1.2 环组温度场分析59-60
• 4.1.3 气缸套温度场分析60-62
• 4.2 活塞-缸套计算温度值与试验数据对比分析62-65
• 4.2.1 活塞温度仿真与试验对比分析62-64
• 4.2.2 气缸套温度仿真与试验对比分析64-65
• 4.3 活塞-环组-缸套耦合热应力分析65-74
• 4.3.1 活塞热应力与热变形分析67-69
• 4.3.2 活塞环组热应力与热变形分析69-70
• 4.3.3 气缸套热应力与热变形分析70-74
• 4.4 活塞-环组-缸套热流密度分析74-75
• 4.5 小结75-77
• 第五章 全文总结与展望77-81
• 5.1 全文总结77-78
• 5.2 展望78-81
• 致谢81-83
• 参考文献83-89
• 附录A 攻读硕士学位期间参与项目及发表论文89
• 附录1 参与项目89
• 附录2 发表论文89

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7 钟振远;马华e，

本文编号：852616