第一篇：
基于GW4D20柴油机的气缸盖温度场的实验和数值分析
Baoxin Zhao,Dingwei Gao,Jingqian ShenmZhen,Zheng Zhao,Hao Guan,Gang Liu and Ying G
摘要
研究和工程问题及目的：缸盖的过热问题需要通过分析和评估其热应力场。在这篇文章中对GW4D20柴油发动机的气缸头的温度场进行了实验和模拟分析。方法：利用耦合有限元法（FEM) .对燃烧室进行传热仿真计算。这个方法综合考虑了多循环冷却体的作用：缸内气体的对流热传递和柴油发动机的主要热传导部分，如缸体、气缸盖、气缸垫片、阀座、导向阀等。这些都被认为是一个耦合单元。为改进方案也作出了一个同样的三维流固耦合仿真分析。最后，仿真结果将会基于硬度塞测温法与实验结果进行对比。结果：采用三维流固耦合仿真分析计算了气缸盖的温度场.GW4D20柴油机缸盖的过热问题最后通过为每个气缸增加挡板而得到解决。本研究的局限性:除了头部温度场的研究，还需要考虑的其它组装部件与气缸头的热机械疲劳的效果。缺乏实验数据而仅限于有限元分析在气缸头设计中的作用。关于这篇文章较同领域其他作者研究与工作比较新颖的方面：泡核沸腾应用于研究如何影响冷却剂侧的传热系数（HTC）,这是由FEA在每种情况下获得的冷却水套壁温度为进一步计算流体动力学（CFD）计算的实际边界墙并且冷却液侧的更实际的热边界被映射。最后，真正的流固耦合模拟分析实现并且对汽缸盖的温度场进行进一步评估。结论：随着挡板的增加方案比原来更加可行。并且仿真结果由流固耦合法显示出与发动机试验台的实验结果有很好的一致性。
关键词 温度场·柴油机·流固耦合·硬度塞法·泡核沸腾
1 引言
随着峰值平均有效压力和制动平均有效压力（BMEP）的增加，缸盖已成为发动机耐久考核[1]中最关键的部分之一。铝在气缸盖中的运用越来越多，并且主要困难在于证明基于几个实验的温度场的可靠性。模拟的可靠性及实验可靠性之间的这种关系变得更加难以确定[2]
基于燃烧室的热传导仿真是利用耦合有限元方法（FEM）实现的。对于该方法，有几个因素需要考虑。如缸体，缸盖，缸垫等被认为是一个耦合单元。该方法将通过有限元分析和对照实验进行验证。并且GW4D20柴油机的汽缸盖的稳态分析将被用来指示精度和实用性
2 主要部分
本文主要介绍了缸盖热应力模拟过程的一部分的模拟即温度场的模拟。相关流程图的部署（图1）需要处理以获得可靠和准确的结果：
bull;稳态传热
bull;金属材料拉伸试验
bull;有限元分析和温度场试验
图1 流固耦合的计算流程图
1.1热传导理论
1.1.1 冷却侧热传导
每缸设计的四阀和用于安装燃料喷射器的要求导致冷却水套几何结果的复杂性。这使得难以实现整个气缸盖[1]最佳的冷却条件。该模型是在本文实施，它是基于“气泡剥离”（BDL）模型[3]。根据BDL的壁面热流公式是，
其中，是冷却剂侧的强制对流的HTC。 是冷却液侧壁温度。是流体温度。是核沸腾HTC,是流体的饱和温度。和是过冷却和流动引起的抑制因子。 泡核沸腾的HTC实行分别是是根据Forster和Zuber .
2.1.2气侧传热
传热主要是由强制对流和工作气体的温度梯度来燃烧离子室壁。牛顿定律的冷却一般是用来描述的热传递。热交换过程可以被描述为如下。
是气体侧HTC。是燃烧侧温度，是在燃烧室的气体温度。用于计算HTC和一个完整发动机循环的局部气体温度三维CFD模拟的空间变化在本文中被应用。但CFD分析仍表示一些困难，其中包括高效，快速的网格划分。
时间平均数据。其可在移动的燃烧室的网眼的边界。被转移到一个静态有限元网格然后取平均的时间轴，以获得周期平均HTC和局部气体温度。平均按照下列关系进行
其中和是局部时间平均HTC和有效的气体温度。 此外，h和是与时间相关的热传递和局部气体温度的有限元网格。
2.1.3稳态传热过程
可以稳态过程中获得HTC中温度的计算。在固体的热通量，根据制剂中读取，
其中lambda;是所述汽缸壁的热导率，delta;为壁厚,.是燃烧侧壁温度，是冷却剂的侧壁温度。
稳态态传热过程示于图 2.对于FEM,通常的序列是：在生成CFD模型的固体部分只有四面体。然后在每个时间步长，传送固体部分温度的结果给结构元件，用于获取内的固体中间节点温度负荷和温度分布执行热行为分析。
图2冷却套和燃烧室之间的热传递过程
图3.GW4D20气缸盖
2.2发动机说明和金属材料拉伸试验
2.2.1发动机说明
这篇文章研究饿了一种涡轮装入直列四汽缸柴油发动机。气缸盖是由铝硅合金（图3）的。燃烧室是❤类型，每缸四气门和一个中央喷射器。 所有的阀包括八个排气阀和八个进气阀分别布置在线路。表I总结了GW4D20柴油机的主要参数
2.2.2金属材质表，拉伸试验
铝合金气缸盖的材料性征可以由金属材料拉伸试验而获得。样品和汽缸盖用在T6条件下的同样的热处理：固溶热处理在温度535℃（一段8小时）的水骤冷（温度范围从70到80厘米，小于15秒）和热老化处理在范围从170的温度到I80℃（为一个周期的6小时）。
表1 GW4D20柴油机的主要技术参数
主机 四缸，水冷，GW4D20
缸径x行程（mm) 83.1 times;92 压缩比 16.7：1
最大平均有效压力（kpa)） 1951@1800~2800rpm 最大功率(KW) 110@4000rpm
最大扭矩 (Nm) 310@1800~2800rpm 排量（L） 1.996
燃油喷射系统 共轨 燃烧室 ❤ 型
图4.测试棒的热导性
热导率和热膨胀系数可以通过测试棒以建立一个“真”的模拟测量。图4和5示出了热导率和该材料的热膨胀系数。
2.3温度场试验和有限元分析
为了便于在气缸盖的火接触面处安装和保证温度测试的精确性，硬度塞法在本文中被用来测试其温度场。
2.3.1硬度塞法
硬度插头方法利用的硬度随温度的降低特性。这减少了金属的硬度被称为“年龄软化”，平衡相图显示部分合金元素的固溶度现象在高温度情况下比低温度更容易出现。为了获得温度场试验准确的结果。硬度测量应在相同的环境温度（室温）下进行。十个电子显微硬度插头都配备在每缸缸盖的火接触面。图6示出在测试发动机的测量系统。
图5.测试棒的热膨胀系数
lsquo;、za，，
．，．，．lsquo;．．．、
图6.在火接触面采用硬度塞测温法的位置
2.3.2温度场试验的说明
在接收到峰值信号时实验开始持续进行2小时并且每十分钟进行一次检测数据的记录。在气缸盖降到室温以后开始进行硬度测量。
2.3.3 FE分析与仿真结果
为了获得FE模型的温度场，需要采用表面温度法[7].这个用来分析温度场的FE模型大约包含1,043,402个四面体单元。壁温度和气体侧和冷却剂侧的强制对流的HTC从CFD模拟结果计算（图8和图9）
图7.GW4D20柴油发动机总成的FE-模型
图8.温度和气体侧的HTC分布。
其中，以油/气混合为主体的结构在与所述HTC和温度经验值以热传导的形式给予其边界条件。模型的不同部分之间的相互作用，用其中被给予间隙电导值[8]的接触表面来模拟分析。
在最大负载点的热交换过程的数值模拟结果转化为有限元网格的稳态HTC和气体温度。 接着，冷却套的壁温度反馈到CFD模型作为实际壁的边界。这个分析用非线性有限元分析溶胶版本进行。
图9.温度和冷却液侧的HTC分布
图10.气缸盖的火甲板面对局部温度分布（a,b,c,d显示了气缸1,2,，3，4的温度结果）
第一个实验的结果和模拟结果之间的比较示于图11。
可以观察到，基于硬度插头方法模拟温度字段指示与试验吻合良好。源于这个事实带有铝硅合金的汽缸盖在250℃工作时会失效果
图11. 温度场的结果和模拟结果（A，B，C，D示出的实验结果和气缸1，2，3，4的模拟结果的比较）获得硬度T6状态。过热的问题可能会导致在气缸盖底部板或排气阀桥的裂缝。
2.4 通过有限元分析来改善温度条件
由于峰值温度（图10）,原来的冷却水套的方案需要去提高冷却条件。
2.4.1局部设计变更
具有不同特性的两个气缸盖在该研究中使用。并且冷却套的改善（在图12中所示）使得降低底甲板面的温度。通过有限元分析对每个气缸增加挡板的影响。
第二温度场实验结果和模拟结果。同样的流固耦合模拟分析也用来改善以得到更好的结果。与第一个实验的结果相比较，第二模拟结果的温度梯度表示着火甲板面（图13）显著减少.
图12.两个冷却套的几何形状的方案（A B：分别示出了初始和改进方案）
图13.第二个实验结果和模拟结果（A，B，C，D示出了两个模拟结果和缸体的第二个实验结果1. 2. 3.4)
2.5讨论
除了头部温度场的研究。在下一步骤中它还会需要考虑其他的装配和热机械疲劳所带来的影响。同时，缺乏实验数据也限制了气缸盖在有限元分析中的作用。
3结语
热应力的可靠性直接关系到温度场的结果。模拟结果和实测值之间获得的结果证实该流固耦合的方法是相对于使用的冷却剂侧恒定温度（120℃）的常规方法的改进。这种方法具有以下优点：
bull;泡核沸腾的模型应用于CFD模拟。泡核沸腾过程中，只有中等流速和高热通量的鼻子区域的桥发挥重要的作用，并且不能在求解传热问题被忽视。
bull;使用第一次的温度结果。冷却剂侧的更实际的热边界将被映射到有限元分析模型
bull;在本文中。燃烧假定在与对时间轴平均HTC和局部气体温度的整个周期是在稳定状态，因此，腔室壁上的温度和热流量可容易地计算。
对于铝硅合金材料，早已提出一个更好的方案用来完整的分析其温度场。已经表明，通过给每个气缸增加挡板比原来通过降低温度能更好地改善其冷却效果。
参考文献
[1]Zieher F,Langmayr F,Jelatancev A,Wieser K(2005)Thermal mechanical fatigue simulation of cast iron cylinder heads.SAE paper no.2005-01-0796
[2]Prince O,Morin G,Jouzean C(2005)Validation test optimization based on a statistical approach for diesel engine.SAE paper no.2005-01-1780
[3]Steiner H,Kobor A,Gebhard L(2004)A wall heat transfer model for subcooled boiling flow.ASMEZSIS international thermal science seminar(ITSSII)
[4]Steiner H,Kobor A,Gebnard L(2005)A wall heat transfer model for subcooled boiling flow.Int J heat mass transf 48:4161-4173
[5]Forster HK,Zuber N(1955)Dynamics of vapor bubbles and boiling heat transfer.AIChE JI(4):531-536
[6]Jayamathy M,Vasanth R(2006)Aluminium piston alloy to retard age softening charancteristics in motorcycle engines.SAE paper no.2006-32-0030
[7]Wimmer A,Pivec R,Sams Th(2000)Heat transfe
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