（工程热物理专业论文）内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 内燃机传热过程全仿真的总体思想是将缸内燃烧、固体部件传熟、冷却介质的流动 耦合起来，当作一个整体进行研究。内燃机传热过程的全仿真模拟可以解决常规实验方 法和传统数值模拟技术难以解决的传热问题。例如：活塞组气缸套耦合系统的传热问 题，气缸盖气缸垫气缸套气缸体耦合系统的传热问题，以及其他涉及到固体部件 与固体部件间、流体与固体部件间耦合传热问题。内燃机传熟过程的全仿真模拟作为内 燃机全仿真模拟的一个重要组成部分，将是今后内燃机传热研究的一个主流方向。随着 电子计算机技术与数值模拟技术的飞速发展，内燃机传热全仿真已逐渐成为必然。 内燃机燃烧室接触部件的耦合传热是整个内燃机传热全仿真思想的一个重要环节， 本文对燃烧室部件的耦合传热进行了较为深入地探索具体的研究工作如下； 1 论述了内燃机耦合部件传热的理论意义和应用价值，详细分析了内燃机传热过程 的特点，系统综述了内燃机耦合部件传热的发展和现状。 2 进一步完善了内燃机传热全仿真思想，介绍了围绕内燃机传熟全仿真研究所做的 一些相关工作，并进行了内燃机传热全仿真传热模型的研究，为内燃机传热全仿真的深 入研究打下了基础。 3 在内燃机传热全仿真模型研究的基础上，利用有限元分析方法，进行了内燃机气 缸盖气缸垫气缸套气缸体耦合系统稳态传热的数值模拟研究，预测出耦合系统稳 态温度分布，并进行了燃烧室部件热平衡的计算和分析。经过实验验证，稳态温度分布 与实验数据符合得较好，可以为内燃机热、机械强度的研究提供理论依据。 4 在气缸盏气缸垫气缸套一活塞组耦合系统稳态温度场研究的基础上，进行 了内燃机气缸盖气缸垫气缸套一活塞组耦合系统循环瞬态传热的数值模拟。预测出 耦合系统循环瞬态温度分布，以及活塞环处润滑油膜的非稳态油膜厚度和摩擦热等重要 参数，结果无疑对改善内燃机润滑系统是非常有利的。 5 最后对全文研究工作进行了总结，对今后的工作做出了展望。 关键字：内燃机；燃烧室；耦合；传热；仿真； 内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究 m o d e ls i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o no nc o u p l e dh e a tt r a n s f e ro ft h e c o m p o n e n t s i ne n g i n ec o m b u s t i o nc h a m b e r a b s t r a c t 1 1 1 eh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tw h o l ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g h zi sa c o u p l e dc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e l a t e dt ot h ef l o w , c o m b u s t i o n , c o n v e c t i v eh e a tw a n s f e ro fg a s i nc y l i n d e r ；t h eh e a tc o n d u c t i o no fc o m p o n e n t si nc o m b u s t i o nc h a m b e ra n dt h ef l o wh e a t r c l e a s eo fc i r c u l a t i n gc o o l a n t ，疆i eh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tw h o l ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n ec a ns o l v em a n y 口a n s f e rp r o b l e m st h a tc a 矾d ob yo t h e rw a y sl i k e e x p e r i m e n ta n dg e n e r a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n f o re x a m p l e ：c o u p l e dh e a tt r a n s f e rp r o b l e m a b o u tp i s t o ns e t - c y l i n d e r , c o u p l e dh e a tt r a n s f e rp r o b l e ma b o u tc y l i n d e rh e a d c y l i n d e rh e a d g a s k e t - c y l i n d e rl i n e r - c y l i n d e rb l o c k , a n do t h e rt r a n s f e rp r o b l e m sa b o u ts o l i dc o m p o n e n t - s o l i d c o m p o n e n t 、l i q u i d - s o l i dc o m p o n e n t ，i nt h ef u t u r e ，t h eh e a tw a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a b o u tw h o l ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew i l lb eam a i n s t r e a mi nt h ef i e l do ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na b o u tw h o l ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e w i 也t h eh i 【g l ld e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a n dn u m e r i c a ls i m u l a 虹o nm e t h o d s , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f h e a tt r a n s f e ri nw h o l ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n em u s tr e a l i z ei nt h ef i 1 t u r e t h ch e a tt r a n s f e rs i m u l a t i o no f c o n t a c tc o m p o n e n ts y s t e mh a sb e e nt h ek e yo b j e c t i v eo f t h ew h o l eh e a tt r a n s f e rr e s e 甜c hn l i sp a p e re x p l o r e sd e e p l yt h i sr e s e a r c h n 圮f o l l o w i n gi s t h ec o n t e n t so f t h i sw o r k ： l - t b ee n g i n e e r i n ga n dt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h er e s e a r c ho fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n eh e a tt r a n s f e rw e r ef i r s t l yd i s c u s s e d i t sc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e dt h o r o u g h l ya n di t s d e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts t a t ew a sa l s om l m m a t i z e 正 2 s u p p l e m e n ts y s t e m a t i c a l l yt h eo o n c p t i o no f h e a tt r a n s f e rc o m p l e t em o d e ls i m u l a t i o n , i n t r o d u c et h ep r o d u c t i o na n dp r o b l e mc o r r e l a t i 1 0h e a tt r a n s f e rc o m p l e t em o d e ls i m u l a t i o n , t h e ns t u d yt h em o d e lo ft h eh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tw h o l ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e t h es i m u l a t i o ni sa ni m p o r t a n tb a s ef o rh e a tt r a n s f e rc o m p l e t em o d e l s i m u l a t i o nf i 盯蛔r e s e a r c h 3 w i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h es t e a d yh e a tm m s f 町o ft h ec o u p l e dc o m p o n e n t s y s t e mi nc o m b u s t i o nc h a m b e rh a sb e e ns u c c e s s f u l l ys i m u l a t e do nt h eb a s i so fa b o v em o d e l s 低d i s t r i b u t i o no ft h es t e a d yt e m p e r a t u r e 曲o u tc o u p l e ds y s t e ma r ep r e d i c t e d , a n dt h e c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sa b o u tt h eh e a tb a l a n c ei nc o m b u s t i o nc h a m b e ra r cc a r r yo u t t h ef i n a l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wa g o o da 蓼e e m e u tw i t ht h ea v a i l a b l ee x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hc o n b e u s e d 嬲t h et h c o r c t i c a lb a s i sf o rt h et h e r m a li o a ds t u d ya n dt h er e s e a r c hw o r ko ft h ed i e s e l i i 大连理工大学硕士研究生学位论文 e n g i n e 4 n ec y c l i ei n s t a n t a n e o u sh e a tt r a n s f e ra b o u tt h e c o u p l e ds y s t e mo fc y l i n d e r b e a d - c y l i n d e rh e a dg a s k e t - c y l i n d e rl i n e r - p i s t o ns e th a sb e e ns u c c e s s f u l l ys i m u l a t e d0 1 1t h e b a s i so f t h es i m u l a t i o no f t h es t e a d yh e a tt r a n s f e r n 圯d i s t r i b u t i o no f t h e c y c l i ci n s t a n t a n e o u s t e m p e r a t u r ea b o u tc o u p l e ds y s t e m , t h et h i c k n e s sc u l v eo fo i lf i l m ，a n dt h ep o w e rl o s eo fo i l f i l ma l ea l lp r e d i c t e d ，t h er e s u l tw i l lb ea g o o dw a y t oi m p r o v el u b r i c a t es y s t e m 5 f i n a l l y ，t h es u m m a r yo f t h er e s e a r c hw o r ka n d8 0 m ep r o s p e c t si nt h es t u d yw a so v e n k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；c o m b u s t i o nc h a m b e r ；c o u p l e d ；h e a tt r a n s f e r ； 曩i m u l a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 玄宏国 导师签名：堑互趣盈 丝n 月翌日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 内燃机是最重要、应用最广泛的动力装置之一，尤其在交通车辆、水运船舶、农业、 工业机械及移动电站、军用车、舰等动力设备占据着主导地位，而且这种优势在可预见 的将来也仍将继续保持下去。 内燃机虽然已经经历了一个多世纪的发展，但尚未达到其发展的顶峰，仍然存在许 多不足之处。随着内燃机研究工作的发展，内燃机研究者们仍需从不同角度对内燃机进 行更全面的研究， 在内燃机研究中，内燃机传热研究是一个非常重要的研究方向。内燃机缸内气体与 其他各部件之间的传热现象直接影响缸内工作过程，进而影响内燃机热效率和排放特 性；另外内燃机各部件间的传热及温度变化研究也是热强度设计的基础。因此内燃机传 热研究也成为一个重要的研究方向。 1 1 内燃机传热研究的意义 内燃机燃烧室的整个传热过程可分为：缸内气体燃烧放热；固体部件间导熟( 气缸 盖、气缸体、活塞组气缸套) ；冷却介质( 循环冷却水、润滑油) 对流换热三大部分。 这三部分传热过程的对内燃机各项性能指标产生十分重要的影响【l j 。内燃机传热研究与 内燃机设计的其它领域的关系非常紧密( 如图卜1 所示) ，是发动机设计的三大组成部 分之一。内燃机传热研究的直接目的是为了确定内燃机的冷却方式和润滑系统，同时它 还是联系工作过程和强度设计的重要桥梁。因此，内燃机传热研究主要具有以下几个意 义。 图1 - 1内燃机传热研究与相关领域的关系 f 嘻1 - 1t h er e l a t i o n sb e t w e e nh e a tt r a n s f e ra n do t h e rr e s e m c hd o m a i n sf o ra i n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e 1 1 1 内燃机传热对工作过程研究的意义 首先，内燃机的传热过程直接影响内燃机的动力和经济性能。在一般内燃机中，通 过燃烧室壁的传热损失占燃料总能量的( 1 5 3 0 ) ，这种传热作用使充气效率降低， 内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究 导致过量空气系数、有效功率的下降，燃烧恶化，使比油耗、排温增加【2 】。在燃烧和膨 胀过程中，高温燃气向燃烧室壁传热，减少了燃料燃烧放热量向机械功的转换，从而降 低了热效率。内燃机燃烧室气一壁界面的传热是一个高瞬变的过程，在燃烧和膨胀前期 传热率的时间分布，是衡量传热对内燃机热效率影响大小的重要表征之一。绝热发动机 概念提出的前提条件之一就是要考察实施绝热手段后能否减少这一阶段的传热损失。 其次，缸内传热过程在一定程度上反映燃烧过程的某些微观特征，并影响内燃机排 放物的生成。由于气流运动和气壁界面的传热作用，使缸内气体在燃烧室近壁面区域 形成一边界层。边界层尽管很薄，但由于层内气体温度比气缸中心区温度低，从而导致 边界层内的气体密度较高，已有研究表明，边界层内气体占缸内气体总质量的( i o 2 0 ) 。因此，传热现象是造成缸内气体质量和温度分布不均衡的重要原因之一另外，着 火和膨胀其间缸内传热是影响内燃机有害排放物生成的主要原因之一。内燃机排气成分 中的n o x 、h c 、c o 等有害物质的形成都与燃烧室的温度状况有关，不知道缸内气体的最 高温度就无法预测排气成分中n o x 和h c 的生成量。 上述分析表明，缸内瞬态传热可直接或间接地影响内燃机性能、缸内气体循环的微 观工作过程及有害气体排放物生成量。认识缸内气体与燃烧室壁面的传热规律，以及燃 烧室各部件的传熟规律对改善内燃机缸内工作过程及对内燃机燃烧、排放的深入研究具 有重要意义 1 1 2 内燃机传热过程的研究是热强度设计的基础 在内燃机设计中其热强度设计是极为关键的。从目前内燃机的发展来看，内燃机逐 步向高增压、高强化方向发展：另外陶瓷、轻合金新材料在内燃机中的比重不断增加， 这使得热负荷问题变得越来越突出，热负荷和热强度问题的解决往往是提高内燃机技术 水平的关键【3 1 。 内燃机是一种热动力机械，常常会因高温热负荷引起一些部件的故障，如：缸套、 活塞、活塞环、气门的过早损坏；燃烧室活塞顶部的烧蚀：缸盖、活塞、缸套的开裂。 因燃烧室传热部件受燃气的瞬时加热和冷却，特别容易产生低频热疲劳、高频热疲劳等 现象【4 】。在内燃机设计中需对上述零部件进行热负荷计算和评定，而计算和评定的基础是 受熟零部件的温度场，因此，研究这些零件的温度场具有十分重要的意义，温度场的精 度取决于受热零部件传热过程的仿真程度。 1 1 3 内燃机传热过程的研究可以优化冷却系统的设计 发动机工作时，其零件由于与高温气体接触和摩擦而被加热，活塞、气缸、气缸盖、 气门、进气管道、涡轮增压器壳体等都能够被加热到所不允许的高温，这可导致燃烧过 程的破坏，减少发动机的功率和经济性，损坏发动机的零件，因此，必须对受热部件加 以冷却，但冷却过强，汽油机混合气形成不良，机油会被燃油稀释；柴油机工作粗暴， 散热损失和摩擦损失增加，也会使内燃机工作性能变坏。 从提高内燃机循环效率的目的出发，希望通过冷却系统的散热尽量少，但同时也要 保证受热部件的可靠性，因此需要选择适宜的冷却温度。内燃机传热过程的研究，特别 是缸内燃气通过燃烧室壁向冷却液传热的仿真模拟，可预测出燃烧室部件的温度场和热 一2 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 流场，从而为冷却系统的设计提供可靠依据。 1 1 4 内燃机传热过程的研究可以改善润滑系统 内燃机的摩擦功包括活塞组摩擦损失和轴承摩擦损失，它是整机损失的主要来源， 其中活塞组摩擦损失主要是环组摩擦贡献的，环组摩擦功可占整机损失的2 0 5 6 【2 j ，6 ，7 ，引。因此，内燃机环组的良好润滑对内燃机的正常工作尤为重要。 内燃机活塞环组的良好润滑要受受热部件温度分布的影响。摩擦热和燃烧热量的影 响使滑动面的温度较高，而润滑油粘度随温度升高而降低，使油膜形成困难。运转和停 车时的温差较大，滑动面的间隙因热膨胀和热变形而交小，可能引起滑油烧结的现象， 因此正确预测燃烧室各部件乃至润滑油膜的温度分布，对改善发动机的润滑系统是非常 有益的。 1 2 内燃机传热过程的特点 内燃机的传热过程同整个内燃机的运转机理紧密联系，受其影响内燃机的传热过程 非常复杂，具体介绍如下： 空间多维性：燃烧室形状复杂，本身空间多维；缸内流动、燃烧空间分布不均，引 起各部分换热不均；循环冷却系统( 冷却水、润环油) 空间结构不均，流动换热不均。 非稳定性：受缸内工作过程及活塞往复运动的影响，在内燃机稳定工况下，缸内传 热呈现出周期性变化；在启动、停车、加速和减速等变工况下，缸内传热呈现非稳定变 化。 燃烧室部件间的动接触传热：活塞组气缸套始终处于相对运动状态，这种运动使 活塞组气缸套传热的边界范围和传热情况不断变化。 润滑、摩擦与传热耦合作用：由于活塞组气缸套间的润滑油膜的存在，传热过程 直接影响到润滑，摩擦特性。反过来润滑、摩擦的好坏对传热过程有重要影响。据研究 表明由摩擦而产生的摩擦热占总放热量的比重很大【9 】，这部分热量直接影响到活塞组、 气缸套部分的温度分布。 多物理场耦合作用：在内燃机工作过程中，缸内燃气流动、燃烧放热，燃烧室壁面 ( 气缸盖、活塞组气缸套、气缸体固体部件) 传热，循环冷却介质( 冷却水、润滑油) 流动散热之间相互影响。要真实地模拟其传热过程，必须将上述物理场耦合起来，考虑 它们之间的相互影响。 由于内燃机传热的上述特点，使其成为内燃机研究的难点和重要方向。 1 3 内燃机传热研究的发展与现状 内燃机缸内气体的燃烧以及各零部件间的相互传热是一个非常复杂的过程。其中的 一些细节和机理人们至今未完全掌握。因此人们早期的研究只是对活塞、缸套、气缸盖 及活塞环等单件的温度场进行了数值模拟，而且多数是二维稳态的传热仿真。随着计算 机技术的发展以及有限元理论的日趋完善，人们对柴油机受热零部件的传热研究也有了 长足的发展，对内燃机主要部件的三维耦和的温度场也有了深入的研究。 内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究 i 3 i 国外研究概况及进展 对内燃机的热分析的研究一直是内燃机研究设计人员关注的焦点问题。国际内燃机 传热研究的著名学者，美国m o r e l ，d e n n i s ，r e i t z 和德国的w o s c h n i 均开展了这方面的研 究工作，并在解决动接触边界条件上提出了采用系统整体耦合的研究方法。 在国外的柴油机设计工作中很早就利用了有限元技术，特别是随着计算机技术及有 限元理论及手段的发展，以有限元为代表的c a e 技术在个设计部门起着越来越重要的作 用【1 0 1 锄4 ” 例如：文献 1 3 ，1 4 ，1 5 分别对气缸套、气缸垫以及气缸盖的断裂失效情况运用有限元 法进行了较为详尽的分析；考虑温度、燃气应力、预紧力及摩擦力的作用，文献 1 6 较 精确地计算出了缸套在发动机工作时及工作后冷却至室温时的变形；文献 1 7 ，l s 对缸盖 的温度场及温度应力场进行了有限元分析；文献 1 1 利用有限元技术设计开发了满足欧 三标准的p e k i n sv 6h s d i ( h i g hs p e e dd i r e c ti n j e c t i o n ) 柴油机在软件上，一般借助 大型的c a e 集成化软件包或采用大型c a d 软件与专业有限元分析系统相结合的方式，硬件 上则采用超级计算机或工作站( 如美国a t a c 在进行低散热发动机缸盖热应力分析时就 采用t c r a y 超级计算机【j 习) 。 另外，国外许多著名发动机研究机构如奥地利a 、，l ，英国r i c a r d o 研究所、美军坦克 司令部( u s a t a c ) 。和一些主要发动机生产厂商如美国g m ，f o r d 、日本n i s s a n ，t o y o t a 、 德国m t u 等在结构分析方面专门成立c a e 研发中心。广泛开展了柴油机零部件的有限元 分析，分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，含盖了所有需要分析的零件。 德国大众公司m b i r t h 和s p a p e z 对莱直列四缸水冷柴油机机体作了静刚度和模 态分析，并在动态分析基础上预估了机体表面辐射的噪声：比利时l m s 公司、奥地利a v l 会司将有限元分析技术应用到实际工程设计中，借助其强大的实验能力，在分析确定缸 体激励方面取得了重大进展，使得通过计算机模拟得出动态响应结果同实际情况相当接 近【1 2 1 ；美国通用汽车公司在柴油机的设计开发中已经将有限元结构分析扩展到分析极 限变形、燃烧引起的热应力等诸多分析上，并同实验结合起来进行新产品、新结构的优 化。 因此，可以说，在国外柴油机的有限元研究分析方面，已经非常成熟，甚至于很多 公司已经将计算机模拟分析作为其开发设计流程中必要的阶段，如福特公司在柴油机的 总成及零部件设计就明确规定这一流程。 但由于商业上的原因，国外各企业对其实用的相关数值模拟、经验数据、有关关键 技术环节是高度保密的，而且在分析处理过程中相关问题解决是长期经验的总结，特别 依赖于大量基础实验所的，所以这方面的问题还需要靠我们自己去深入探索。 一4 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 3 2 国内研究概况及进展 1 - 单件分析情况 上个世纪七十年代以前，受技术条件的限制，国内在内燃机强度和可靠性方面的研 究主要采用力学方法初步估算和大量试验结果分析相结合的方法，在设计上广泛采用经 验法。 七十年代以后，开始采用有限元方法研究内燃机零部件的变形、应力和温度场问题， 到八十年代中期开始利用有限元方法研究气缸盖的强度和可靠性【1 9 j o , 2 1 捌。但由于计算 条件的限制，初期多采用二维有限元方法，主要研究气缸盖稳态和非稳态温度场、热应 力这一阶段的有限元计算大都采用非常简单的模型，只对内燃机的单个零部件进行分 析，没有考虑接触零部件的影响，并且零部件的结构大多都进行了简化，划分的单元和节点 很少，施加的边界条件也比较简单。 如文献 1 9 ，2 0 ，2 1 对柴油机气缸盖的热应力和热负荷进行了有限元计算，并对计算 结果做了分析；文献 2 2 对柴油机气缸套进行了二维瞬态温度场的有限元分析，得出了缸 套表面层的温度波动情况。另外，同期国内还开始了边界元方法的研究，但由于边界元本 身的理论还不完善，所以在内燃机零部件分析上较少。 在这之后，随着计算机技术的高速发展，计算机速度的大大提高以及国外大型有限元 程序的引进，内燃机强度和可靠性方面的研究开始广泛地开展起来，在内燃机各部件可 靠性研究上也取得较大进展。九零年前后研究人员开始采用三维有限元方法，主要方式是 采用有限元方法和试验方法相结合的手段研究内燃机各零部件的强度和可靠性问题 四。o l 。近年来，由于软硬件条件的提高，国内利用有限元方法研究内燃机零部件温度场、 应力场等问题。在模型选用上，开始建立几乎不加简化的三维几何模型：在网格划分上， 普遍采用基于几何模型自动生成节点、单元的方法，划分后的网格规模也相当大。 如文献 2 4 采用a s i n a 程序对6 1 3 0 柴油机气缸盖强度进行了分析计算，分别计算了 单纯机械载荷及热、机械载荷作用的应力状态目前；文献 2 8 采用现代c a d 技术建立了 6 儿4 柴油机气缸盖的实体模型和有限元模型，并对有限元模型进行了离散误差的收敛性 分析。并在次基础上进行了缸盖温度场、预紧工况机械应力、爆发热耦合应力的计算分 析。文献 2 9 建立了过度工况( 起动，停车) 气缸套非稳态热应力分析模型以及以及反 映过度工况特点的边界条件数学模型。并对过渡工况下的传热和热应力以及工作循环中 的温度波、波动热应力和脉动机械应力的计算结果进行了重点分析另外。对一些复杂 边界条件的模拟已有进一步的研究。文献 3 1 ，3 2 详细给出了模拟缸盖或机体分析中固 紧螺栓作用的预变形法和温度法，弥补了传统的直接施加固紧力法的不足。 2 耦合分析情况 近几年，由于计算机技术得到了进一步飞速发展，及内燃机传热耦合模拟的思想不断 发展完善，使得对内燃机受热零部件的整体耦合、循环瞬态温度场的数值模拟变为了现 实。接触算法的出现，更进一步促进了耦合分析的发展。 内燃机燃烧室部件耦合传熟仿真研究 如文献 4 2 进行的连杆组装部件的分析。计算模型中含有衬套、轴瓦、连杆螺栓、 活塞销和曲柄等部件，保留螺栓孔；大端盖与连杆体分离；结合面之间用三维接触单元 ( 此处实际为间隙元，b p g a p 单元) 或表面接触边界条件模拟力的传递；通过设置接触单 元的过盈量或采用热胀冷缩方式实现装配预紧力。算例表明，由于这些方法的使用，计 算结果与电测结果吻合得很好。文献 4 3 在分析柴油机结构和作用载荷特点基础上，提出 了对机体用子结构的方法建模并结合参数二次规划法求解的策略进行精细分析。这种方 法效率高，耗时小，计算结果精度较高。文献 4 4 用有限元分析技术对6 1 1 0 型柴油机的机 体、缸盖、曲轴、主轴承盖、缸套等零部件进行结构强度和刚度分析。分析中采用实验 的方法获得边界条件，并用试验结果标定有限元计算模型。文献 4 5 进行的柴油机气缸 套变形分析。 另外，在活塞组气缸套动接触部件耦合传热模拟方面，自敏丽教授i 4 6 4 7 】先将润滑 油膜从耦合系统中分离出来，先对其润滑、摩擦模拟，并将润滑油膜简化成热阻由此联 系活塞组气缸套，先后完成了活塞组气缸套耦合部件的循环瞬态，过渡工况耦合传 热二维模拟。钱作勤【4 8 】在对有限元商业软件 n s y s 二次开发基础上，实现了活塞组气 缸套耦合传热三维模拟，但受商业软件开发上的限制，对活塞组气缸套耦合边界及润 滑油膜只能作简单的处理。杨万里，陈国华【4 9 】等人进一步提出解决三维耦合传热边界的 有限元处理方法。 3 内燃机传热全仿真 内燃机传热全仿真的总体思想是将缸内燃烧、冷却介质的流动、固体部件传热耦合 起来，当作一个整体进行研究。全仿真能真实准确地模拟内燃机的整个传热过程，但实 施起来难度较大。近几年计算机技术得到飞速发展，有限元网格的划分可以达到几十万 至几百万个单元，计算速度也大大提高。f e a 与c f d 分析进一步发展，单独对内燃机冷 却流动、缸内燃烧、固体部件间传热模拟变得容易。进一步将各部分模拟综合起来考虑 既内燃机的传热全仿真即将成为可能。本文的研究也是对内燃机的传热全仿真思想的总 结和发展，内燃机传热全仿真方面的内容将作为本文的研究重点内容，在第二章进行详 细的分析。 1 4 本文研究的主要内容 内燃机燃烧室部件的整体耦合模拟，是内燃机传热过程全仿真模拟的一个重要组成 部分。 作为一种常用热能动力装置的内燃机，由于其在运行过程中承受较高的热、机械负 荷作用，因而必须满足可靠性、耐久性等方面的要求。特别是气缸盖，直接与高温、高 压的燃气接触，受到强烈的热、机械冲击但是，在气缸盖有限元分析中大部分不考虑 一6 一 大连理工大学硕士研究生学位论文 各部件的接触关系，仅仅分析单个部件的热机械负荷，在这种分析中由于没有考虑各部 件之间的相互影响，所以不能准确地反映部件间的热、机械传递过程。为了更加真实的 进行模拟必须将内燃机燃烧室部件耦合起来整体进行分析。而内燃机气缸盖气缸垫一 气缸套气缸体耦合系统热、机械强度的数值模拟的前提条件是获得耦合系统稳态温度 场的数值模拟结果。因此，有必要对内燃机气缸盖气缸垫气缸套气缸体耦合系统 的稳态传热过程进行数值模拟研究。 另外，内燃机缸内的循环瞬态传热可直接或间接地影响内燃机的性能、缸内气体循 环的微观工作过程以及有害气体排放物生成量。对内燃机气缸盖气缸垫气缸套一活 塞组耦合系统循环瞬态数值模拟，模拟的结果无疑会对认识缸内气体与燃烧室壁面的传 热规律，改善内燃机缸内工作过程，及对内燃机燃烧、排放的深入研究具有重要意义。 本文主要针对燃烧室部件进行耦合传热模拟分析。研究是建立在以往关于内燃机传 热过程全仿真模拟思想基础之上的，并进一步发展和完善了内燃机传热过程全仿真模拟 思想。 具体研究内容和分析方法概括如下： 1 进一步完善内燃机传热全仿真思想，介绍围绕内燃机传热全仿真研究所做的一 些相关工作，并进行内燃机传热全仿真传热模型的研究。 2 在内燃机传热全仿真模型研究的基础上，利用有限元分析方法，进行内燃机气 缸盖气缸垫气缸套气缸体耦合系统稳态传热的数值模拟研究，预测出耦合系统稳 态温度分布，进行燃烧室部件热平衡的计算和分析。并对模拟结果进行实验验证。 3 在气缸盖气缸垫气缸套一活塞组耦合系统稳态温度场研究的基础上，进行 内燃机气缸盖气缸垫气缸套一活塞组耦合系统循环瞬态传热的数值模拟。预测耦合 系统循环瞬态温度分布，以及活塞环处润滑油膜的非稳态油膜厚度和摩擦热等重要参 数。 ? 一7 一 内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究 2 内燃机传热全仿真 内燃机传热全仿真的总体思想是，将缸内燃烧、冷却介质的流动、固体部件传热耦 合起来当作一个整体，进行多场、多部件的耦合研究。全仿真能真实准确地模拟内燃机的 整个传热过程，但实施起来难度较大。近几年计算机技术得到飞速发展，有限元网格的 划分可以达到几十万至几百万个单元，计算速度也大大提高。f e a 与c f d 分析进一步发展， 单独对内燃机冷却流动、缸内燃烧、固体部件问传热模拟变得容易。进一步将各部分模 拟综合起来考虑既内燃机的传热全仿真即将成为可能。本文的研究也是对内燃机的传热 全仿真思想的总结和发展 2 1 内燃机传热全仿真总体思想 很久以来，内燃机传热全仿真就是人们追求的方向。内燃机全仿真模拟的设想最初 起源于对绝热发动机的传熟研究需要。1 9 7 4 年英国皇家海军工程学院率先进行了绝热发 动机的研究，之后美国、西欧和日本都开始了绝热发动机的研制、试验和理论预测。绝 热机的兴起起初被认为具有降低油耗、改善排放、燃用多种燃料、优化冷却系统和变成 单液设计( 即无水，仅用润滑油) 的巨大潜力。然而早期对绝热机性能的预测大多采用 了常规水冷发动机的传热公式，且所用的预测模型和方法各不相同，因此得到预测结果 相差很大。首先m o r e lt 【5 0 】提出对于内燃机耦合传热模拟的思想并在绝热机上实施； d e n n i sn a s h 等人将整个内燃机传热简化为由众多热阻一热容模型构成的热阻网络：l i u y o n g 与r e i t zrd t 5 2 1 采用有限差分法，建立整个燃烧室固体部件二维传热模型；国内张 卫正 5 3 1 等人关于内燃机整机散热量的多模型耦合计算的研究等。但受到计算机的计算能 力和计算技术的限制，在以上研究中燃气的燃烧及循环冷却水流动模拟都采用经验半经 验公式；对固体部件的传热模拟也做很大简化。在上述研究工作的基础上，目前内燃机 传热研究的一个重要方向是把缸内流动、燃烧、对流换热、辐射换热模型与燃烧室部件 整体( 气缸盖、气缸垫、气缸体、活塞组、气缸套) 耦合起来，进行整体耦合分析 内燃机传热全仿真模拟。内燃机传热全仿真设想虽然是针对绝热机提出的，但它确是内 燃机传热研究发展到一定阶段的必然结果，也将是今后内燃机传热研究的主流和方向。 近几年，计算机计算能力大幅度提高、计算技术迅速发展，所有这些预示着内燃机 传热全仿真即将成为现实。其中，c a d 、c a e 、c f d 技术的发展是最具有代表性的方面。 c a d 可以用于提高产品的设计质量，如造型、装配、制图、平面布置等。近几年各 种c a d 建模软件迅速发展，对以前无法应付的复杂工程三维建模问题，现在已不再是难 点。目前比较著名的c a d 软件主要有a u t o c a d ( 二维模型) 、p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、 s o l i d w o r k s 、i d 队s 等，这些软件具有很强的建立模型的能力，并且软件间都带有通用 模型格式的接口，便于在c a d 软件内相互调用，同时也可比较方便与c a e 软件集成应用。 c a e 、c f d 技术能显著提高产品设计的科学性，减少盲目性，提高设计效率，主要用 于预测、估计设计产品的强度、寿命及性能。随着计算机技术的高速发展，极大的推动 了相关学科研究和产业的进步，有限元、有限体积、以及有限差分等方法与计算机技术 一8 一 大j 毫理工大学硕士研究生学位论文 的结合，诞生了新兴的跨专业的和跨行业的学科分支；计算机辅助工程作为一项跨学科 的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程结的重视。目前流体c f d 分析软件主要 有f l u e n t ，s t a r - c d 等；f e a 软件主要有a b a q u s ，a n s y s ，m s c ，等。这些软件各有特点， 用户可根据不同的几何模型，针对不同的分析要求，选择合适的网格划分软件及网格划 分方法。对于本文中的缸体f e a 采用h y p e r m e s h 专用有限元软件手动六面体网格划分， 对于循环冷却水采用s t a r - c d 前处理软件p r o - a m 自动六面体结构网格划分，对于活塞 组气缸套耦合系统采用g i d 软件，自动非结构四面体网格划分。 c a d 是准确进行三维实体造型的主要方式，c a e 是用于分析内燃机热机械强度有力 工具，c f d 是用于模拟流动换热过程的最准确、最快捷的手段。总之，计算机技术的发 展对推动内燃机传热全仿真的实现具有重要意义。 内燃机整个传热过程指的是缸内燃气通过燃烧室壁面把热量传给冷却介质的过程， 可分为三部分：缸内燃气放热，固体部件间传热( 气缸盖、气缸垫、气缸体、活塞组、 气缸套) ，冷却介质( 循环冷却水、润滑油) 散热，如图2 - i 。 图2 - 1 内燃机传热过程总体构成 f 培2 - is c h e m a t i co f a l lh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t si no n # h e 一9 一 内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究 相应的，内燃机燃烧总发热量流向可分成三部分：即转化为有效功的热量、废气带 走的热量、及传给燃烧室壁面的热量，如图2 - 2 所示。冷却介质带走的热量包括冷却水 带走的热量和润滑油带走的热量。 圈2 - 2 内燃机传热全过程 f i g 2 - 2h e a t 灯锄皓括fe n t i r ep r o c e s sf o r 总传热过程可描述为：q = q 。+ q ，+ 幺+ q + q 式中，q 为燃料燃烧放出的热量：q 为转化为有效功的热量；q 0 为润滑油带走的 热量；q ，为废气带走的热量；q o 为冷却水带走的热量；q 为余项热损失。 整个传热过程是一个互相联系，互相影响的整体。准确的传热过程模拟应该考虑到 各种传热的相互关系，把整个传热过程作为一个整体，进行耦合分析 2 2 内燃机传热全仿真模型研究 内燃机传热全仿真思想实现的首要问题是建立起全仿真传热计算所需要耦合模型。 在以往对内燃机全仿真的模拟研究中已经傲了大量该方面的工作，本文是对内燃机全仿 真耦合模型的总结和补充。内燃机全仿真模型既要包括部件的耦合模型( 静接触：气缸 盖气缸体气缸套气缸垫：动接触：活塞组气缸套) ，又要包括流场与固体部件 间的耦合模型( 缸内燃气一固体部件；冷却水一固体部件) 。 本分析是将缸内燃气、冷却介质、固体部件( 固定部件和动接触部件) 整体耦合起 来，充分考虑燃气放热、冷却介质的换热、固体部件的导热三者之间的耦合关系，采用 流固耦合的分析方法对内燃机受热零部件进行数值模拟分析。下面将就这一方法，分别 对固体部件间耦合、燃气与固体部件间耦合、冷却介质与固体部件问耦合进行分析。 大连理工大学硕士研究生学位论文 2 2 1 部件间的耦合换热 内燃机固体部件问耦合换热问题主要包括：静接触部件( 气缸盖气缸垫气缸套 气缸体) 耦合换热问题和动接触部件( 活塞组气缸套) 耦合换热问题。本节将对这 两种耦合换热问题进行详细分析。 2 2 1 1 静接触部件耦合换热问题 气缸盖一气缸垫气缸套气缸体所组成的静接触部件耦合系统整体温度场的精 确确定，是耦合体热应力求解的首要条件。温度场的精度取决于模型的建立和边界条件 的精确确定。以往由于计算条件和数值模拟技术发展水平的限制，在对内燃机复杂部件 的热应力的分析中多采用单件独立分析的方法，以减少计算规模、降低计算难度。 很显然内燃机工作时各固体部件间是有热量传递的，例如气缸盖通过气缸垫与气缸 体之间的接触换热、气缸套通过气缸垫与气缸盖间的接触换热、气缸套和气缸体之间的 接触换热。如果我们忽略部件间的接触关系而采用单件分析，会使接触部位的边界条件 无法给出。并且由于忽略了接触部位的部件间换热，会使得计算结果与真实不相符合。 为了真实反应内燃机工作时各主要部件间换熟，提高耦合体温度场计算精度，为内 燃机耦合体熟应力模拟创造条件，本文采用接触分析的方法将内燃机气缸盖气缸垫一 气缸套气缸体耦合起来，作为个整体，充分考虑接触部件间的换热进行模拟分析。 图2 3 为缸内燃气、冷却介质、固体部件( 固定部件和动接触部件) 的耦合关系示意图。 图2 - 3 耦合关系图 f i g 2 - 3c o u p l e dr e l a t i o n s 内燃机燃烧室部件耦合传热仿真研究 由图2 - 3 可以看出，气缸体通