高强化柴油机缸盖-排气歧管的热-机械应力分析

摘要

内燃机逐渐向着低油耗、高功率密度的方向发展，这势必造成其热负荷、机械负荷随之增加，因此其可靠性需要达到更高的要求。缸盖和排气歧管作为内燃机中最直接的受热部件，也是承受最大的机械负荷的部件。它们的可靠性直接影响着内燃机整体的可靠性。因此进行缸盖-排气歧管的热机械耦合应力分析，能够为缸盖-排气歧管系统的结构设计优化提供有价值的依据，进而提高内燃机整体的可靠性。 本文基于某一台高强化的六缸电控高压共轨柴油机，研究了其缸盖、排气歧管以及相应的连接部件在复杂热机械负荷下的可靠性。首先根据该柴油机数据建立了排气系统的一维与三维耦合计算模型、缸内工作过程的三维计算模型、缸盖冷却水腔的三维计算模型，获得了各换热表面的热边界条件，并通过时均化处理以及流固耦合，得到缸盖-排气歧管的温度场结果。再通过分步加载将机械载荷和温度载荷施加到缸盖-排气歧管上，获得其热机械耦合应力分布，并对此计算结果进行分析。 计算过程表明通过一维与三维的耦合计算可以获得较为准确的排气道以及排气歧管内表面的热边界条件，并且进行缸盖-排气歧管联合分析可以获得更准确的温度场数据，更准确评估缸盖与排气歧管的可靠性。计算结果表明在一个载荷循环下，该缸盖结构基本可以满足强度要求，排气歧管则会发生少量塑性变形，密封垫基本满足气密性要求。它们的最危险工况都在施加螺栓预紧力以及温度载荷时，其热-机械应力最大的区域分别是进-排气门之间的鼻梁区和法兰与横向直管的过渡区域。其中，缸盖最主要威胁是温度载荷，而排气歧管最主要的威胁是应力集中。因此，可以通过降低缸盖热负荷、优化排气歧管结构，来提高它们的结构强度。

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