风冷柴油机气缸盖热负荷及换热边界条件的研究

1、性館研究风冷柴油机气缸盖热负荷及换热边界条件的研究investigation on cylinder head thermal load and heat exchangeboundary conditions of the air-cooled diesel engines淅江大学严兆大、处i、莉、张海垛.王根生、沈宏泉、胡章其、沈踰铭n構要本丈抵岀一什计鼻小型高速凤冷集油机儿如人换爲边畀条件的新方法，仪设计阶炭就 能对沒度分市和携浪找况进庁京鼻.关键词i柴油现风冷hum热负趣内燃机运行的可靠性已成为众所关注的 课题而可靠性主要取决于内燃机各零部件 的结构、工艺和林料的改进及系统间的量佳 匹

2、配。风冷柴油机受热零件的热负荷远严重 于水冷内燃机因而热负荷对冈冷柴油机可 靠性的彩响尤为突出诸如奇温条件下工作 将使润滑恶化而导致磨损加剧，由于结构上 的限制冷却不均温度梯度过大使热裂倾向 的增加等等。因而对风冷柴油机热负荷的研 究应予以充分的：视.受热零件的热负荷最直观的是确定其温 度分布，一旦温度分布确定热流、热应力和 热变形随之可以求得。通过对上述物理场的 分析便可提出更为完善的冷却系统和零件 的最优设计方案。通卅受热零件某些特征点 的温度(如气缸盖鼻梁区)可应用较为成熟的 测温方法测取而热应力和热变形的测量尚 存在许多技术问题。但上述方法只能在众多 位置中测得几个点的数值缺乏整体观念

3、因 而用理论方法计算温度场很有必要.有限元 法和边界元法为诸多方法中应用最为普遍和 有效的方法°由于计算机技术的发展计算速 度和精度已不成问題。其关键在于给出接近 实际的换热边界条件才能确保求得较为精 确的温度分布作者曾在参考文献门、2、 3中提出用变区间积分法求得气缸内壁沿 高度分布的换热边界条件.本文主要对气缸 盖换热边界条件作某些探讨提出一种简单 易行的计算方法1气缸盖换热边界条件缸内受热零件表面换热边界条件包括换 热系数和燃气综合平均温度.由于气缸内部 换热过程的复杂性受热零件表面局部换热 系数和燃气综合平均温度随位置而异.正确 地确定换热边界条件难度校大，通常可通过 对许多

4、同类机型的受热零件的实测温度和计 算用数学回归方法近似地确定适合此类机 型的换热边界条件。本文针对具有分隔式燃 烧室小型髙速风冷柴油机气缸盖提岀其火 力面和冷却侧换热边界条件的计算方法.1.1气缸盖火力面换热边界条件在大量的实测和计算中发现最高温度均 发生在分隔式燃烧室和主燃烧室通道的主喷 口处.这是因为混合气的形成阳撚烧首先发 生住分隔式燃烧室经通道以高速喷入主燃 烧室进一步完成燃烧过複。高速冲刷和强烈 的涡流大大增加了该处的趙交换.因而主喷 口处放热系数为最大(图1><图1中n为主 喷口位置沿火力面换热系数可用下式计算，am(r)=签 16 j1+宀小(w/m2k) r<

5、n帛1心一小t.燃气瞬时温度由该机型示功(1)21s1 +严w(w/祝to口与尸反向式中 n主喷口到气缸中心线的距离 r,r由气缸中心到两端的径向距图计算由于分隔式燃烧室内腔几何形狀和换热 状态的复杂性，其换热边界条件难以用确切 的数学形式表达，但根据网性充放气理论可 以近似地估算其换热边界条件并通过逐步调整皆于精确.图l代缸火力面换系数“(j和燃塚合平 均泡度tres(r)分布示童图大量计算还表明燃气综合平均温度对计算结果有很大影响其分布形式可类似于换 热数系数(图1)并写成如下形式，tres(r)= 彳 “丁"：“、, g r<n1 + entntr«(r) =

6、2s(2n 一 r)151 + 1.2风冷傀缸盖冷却侧换热边界条件风冷气缸盖外侧的热交换可归纟吉于散热 片传热过程.作者曾通过测量散热片间冷却 空气流场，计算风冷柴液机气缸套外侧的换 热边界条件(rcb由于气缸盖外侧散热片形 状和布置方式远比气缸套复杂，而且流场测 量必需在三堆空间内进行，要正确地计算气 缸盖外侧的换热边界条件几乎不可能.因而 提出当量换热系数计算的设想，即保持气缸 盖受热面热边界条件不变，而冷却侧边界条 件以当量边界条件代替。具体实施如下，以分别表示冷却侧面表面积和受 热侧表面积，显然g是个复杂的曲面.匚和 t,分别表示各自计算截面处曲线周长.由热平衡计算其传热量'q

7、 =(如(7n =(丁，一 tw*'daj。*jfl.(d>tre$r)=2- ltres1 +(ki.t(k) r,与厂反向 式(1和式(2)中a.和tres为一个循环 内燃气平均换热系数和燃气综合平均温度 可用下式计算*o a/r加卩/燃气瞬时换热系数，用eichel berg公式计算丁 res式中a.d<p w/mzkj afdp (k式中冷却侧、受热侧换热系数.w/n?kt,.tt 冷却空气和燃气温度kti、t,一冷却侧、受热侧堕面温 度，k若作为平面问題处理时则q，= f-tj)jt=j atr-tdt (5) 其中2,冷却侧当量换热系数w/ mlk由式(4和式(

8、5)还不能计算出3“但作 初步估算时，可假设"、tj、t“t“、tw,性餡研究均为常卄(如取平均值九再比较式(4)和式图2 z185f铸铁紅盅度场热流场.o实测值式中l(.l,一一计算截面冷、热周界总长度，ms,、s, 冷、热壁面面积面积与截面曲线长度的比值(s/l)可理 解为一个曲面被简化成以边长为l的矩形 的另一边长。于是式(6)表示冷却侧当量换热 系数二为实际换热系数&与冷、热丧面积和 计算截面处曲线周长之比的乘积.在初步怙 算时只要在这一比值相左较大的区域作分 段处理同时在表面积与计算截面周长相澄 较大处对换热系数作适当调幣便可得到较 为满意的初估值.2计算结果与分析

9、以z185f风冷柴油机(d xs = 85 x 85mmp/n = 5 88kw/2600r/min)<§铁和铝 合金气缸盖为例，其温度场和热流计算结果 如图2和图3所示.由图可见。图3 z185f铝台金缸盖温度场、热瓯场o实测值性館研究铸铁缸盖的总体温度高于铝合金缸盖这显 然是由于铝合金有比铸铁更好的导热性无论是铸铁缸盖或铝合金缸盖温度分布 都不均匀局部温度梯度较大。主要原因是气 缸盖结构复杂和局部区域缺乏充分的冷却所 致*最髙温度均在预燃室主喷孔处这和前 述分析一致.ffl 4、图5分別为铸铁和铝合金气缸盖 火力面温度场和热流场计算结果。由图显见. 鼻梁区的温度最高。高温下

10、林料强度明显下 降待别是铝合金当温度接近或超过300*c 时强度将陡然下降加上温度梯度过大所 形成的热应力将使该区出现裂纹由图2至 图5还可见实测温度值和计算值十分接近 （相对谋差v5%） 因而可以认为本文提出的 换热边界条件的计算方法是合理可行的。3气缸盖热应力气缸盖热应力可在温度场计算基础上计 算碍到。图6示出气缸盖鼻梁区若干个热应 力计算特征点的位置。图4z185f铸铁缸盖火力面温度和热淹场.实测值图6 z185f x缸盖火力面热应力计算位置 （a、b、c、d、e、f）图5 z18sf铝合金缸盖火力面温度 和热淹场.=实测值.图7 铸铁气缸羞热应力or隨 平均有效压力p变化规律图8铝合金

11、气缸蓋热应力巧随平均有效压力p“变化规律铸铁和铝合金气缸盖各特征点热应力随 平均有效压力变化规律见图7和图8由图 可见热应力随平均有效压力pw增大而增 加.虽然铸铁气缸盖热应力6比铝合金缸盖 大得多，但铸铁的热强度比铝合金高出约2. 85倍相比之下铸饮缸盖热负荷比铝合金 缸盖小得多因此对整机重量无特殊要求时. 在高强化的凤冷柴油机中采用铸铁缸盖是多 有神益的。4结论计算和实测表明本文提出的代缸盖火 力面换述边界条件式（1和式（2几利用当最 分析方法所建立的冷却侧换热边界条件式 «6）可以用于计算具有预燃宰式小型高連风 冷柴油机气缸盖热负荷.作者巳用此法对若 干白同类机型气缸盖热负荷在

12、设计阶段进行 先期性预测均取得满意的结果.整考文献1严丸大、曲 飞.倪计民.x冷嬢:由肌収金& 虹冬。态传趁计鼻浙江大学学義198532 乙 yan >f. zheng »x. l» yu » et» al calcu- ktion and prediction of thermal loading of the aircooled diesel engine >sae trans. 8812543 x. l. yui f. zheng» z d yant et. al a study of the thermal boun

13、dary conditions on the cylinder liner surface of ice procc. xixth international symposium b heat and mass transfer in gasoline and diesel engine % 19874 张海埠.内懺机站ji荷嶽机轨制測这及计算 研丸.86年浙h大学黒竹現来硕士论之.5 王戕生.凤冷壊油机弋肛益及喩油g恳負荷 研究.88早浙江大学黑铀理*勺士论无.6 乙 d. yan l. yuet. al« investigation on thermal loading of the high speed small air- cooled diesel engines isae paper 911305.7 尸丸大、沖飞*