基于多场耦合的重载柴油机气缸盖优化设计

为了降低柴油机气缸盖的热负荷,以重载柴油机气缸盖为研究对象,进行了缸盖底部温度测量实验,并建立了发动机一维工作过程计算与缸盖内三维流动、传热与应力的多场耦合仿真模型,在此基础上提出了优化鼻梁区冷却通道尺寸并削薄缸盖底板的优化设计措施.结果表明:改进措施使该气缸盖的最高工作温度由336.3℃降低为325.7℃,最大热机耦合应力由498 MPa降低为491 MPa,有效降低了气缸盖的热负荷.     

车用甲醇发动机冷却系统的优化设计研究

六缸商用柴油发动机改成M100甲醇发动机,在保证发动机性能一致的前提下,在台架可靠性试验中因冷却系统散热问题出现了活塞环卡滞,活塞销发蓝,缸盖鼻梁区裂纹等故障。通过采用数值模拟方法对冷却系统进行分析,优化设计水套结构,提高缸体缸盖的冷却能力,通过更改气缸垫片水孔优化缸盖各缸水流量分配,增大水泵流量等一系列措施,改善冷却系统。分析结果表明,优化后的水套流速和缸盖散热能力大大改善。最后,通过发动机台架1000h耐久试验验证,解决了甲醇发动机的散热问题。     

车用甲醇发动机冷却系统的优化设计

六缸商用柴油发动机改成M100甲醇发动机,在保证发动机性能一致的前提下,在台架可靠性试验中,因冷却系统散热问题出现了活塞环卡滞、活塞销发蓝、缸盖鼻梁区裂纹等故障,通过采用数值模拟方法对冷却系统进行分析,优化设计水套结构,提高缸体缸盖的冷却能力。通过更改气缸垫片水孔优化缸盖各缸水流量分配,增大水泵流量等一系列措施,改善冷却系统。分析结果表明,优化后的水套流速和缸盖散热能力大大改善。最后,通过发动机台架1 000 h耐久试验验证,解决了甲醇发动机的散热问题。     

四缸发动机冷却系统冷却性能分析及实验验证

为了给发动机冷却系统冷却性能分析提供方法参考,以某四缸发动机冷却系统为研究对象,基于计算流体力学仿真手段对其冷却系统冷却性能进行模拟分析。结果表明该四缸发动机冷却系统在发动机转速10000 r/min时的工作流量为90 L/min,该流量工况下缸体水套排气侧区、缸头鼻梁区冷却液流速满足高温区域流速不低于1.5 m/s的设计要求。4缸鼻梁区截面流量最小,3缸鼻梁区截面流量最大。经发动机台架热平衡实验验证,4缸的缸头火花塞垫片温度最高,3缸的缸头火花塞垫片温度最低。实测温度结果分布趋势与各缸鼻梁区截面处流量分布、发动机缸头温度场分布趋势基本一致,表明构建的冷却系统数值仿真模型是可靠的。缸头火花塞垫片在极限工况下的最高温度213℃在可接受范围内（小于250℃）,表明该四缸发动机冷却系统的冷却性能较好,可满足该四缸发动机的冷却。     

基于有限元的发动机受热零件温度场分析

针对490柴油机燃烧室改型后各受热零件热负荷上升的问题,采用有限元方法对其进行温度场的计算分析.在应用VB高级计算机语言编程计算气缸内气体瞬时温度和瞬时放热系数作为有限元热分析边界条件的基础上,用UG软件对活塞、缸盖及缸套进行三维建模,并导入有限元软件ANSYS进行网格划分.在ANSYS软件中采用热分析单元对各零件的温度场进行了模拟计算.结果表明:该机活塞的最高温度出现在受燃气影响最大的燃烧室喉口位置,活塞整体温度分布沿轴线向下逐渐降低,第1道环槽处温度值偏高易出现热故障,在优化设计中应采取冷却或隔热措施;缸盖底板火力面的最高温度出现在受进排气影响最大而冷却困难的鼻梁区;缸套温度沿轴线方向从上往下逐渐降低.     

柴油机缸盖水腔内沸腾换热仿真分析

为了更好地了解柴油机水腔内冷却液的流动和传热问题,根据Eulerian两相RPI(rensselaer polytechnic institute)沸腾模型,建立了一套适用于柴油机水腔沸腾换热的气液两相流模型.以某直列四缸柴油机为研究对象,通过缸盖温度场实验对缸盖火力面20个测点进行温度测量,并将实验测得的温度值与传统单相强制对流和两相流模拟得到的温度值进行对比.结果表明:与传统单相流模型相比,Eulerian两相RPI沸腾模型的精度更高,误差小于5%;优化后缸盖水腔底部冷却液的流动与冷却更加均匀,水腔壁面最高温度降低了4.05℃,第三、四缸水腔鼻梁处高温区域面积减小,缸盖水腔换热效果得到改善.研究结果为柴油机缸盖水腔沸腾换热研究和冷却水腔的设计提供了依据.     

基于热-力耦合磨削表层残余应力的仿真分析

为研究磨削后工件表面残余应力的分布特征需要先进行磨削区温度场的分析.通过建立磨削区温度场的数学模型和传热模型,应用ANSYS分析不同磨削参数对磨削区温度场的影响,仿真结果表明磨削深度对最高温度的影响最大.结合磨削过程中产生的磨削力,用APDL程序对磨削区的热-力耦合场进行ANSYS分析,获得工件在恢复室温时磨削残余应力大小及分布状态,揭示热-力耦合情况下对磨削表面残余应力形成的影响机制.通过残余应力试验对比试验结果和仿真结果,验证了仿真方法的有效性.     

冲击载荷作用下的锻锤热力耦合分析

以用于径向锻造且由基体、过渡层、耐磨层三部分构成的材料复合锻锤为研究对象,分析瞬态热流、循环冲击载荷和热载荷导致的锻锤裂纹失效问题。通过构建热力耦合模型确定锻锤的裂纹危险区域,探讨冲击载荷、温度场与变形的传递关系,进而得到锻锤分别在冲击载荷、温度场和热力耦合作用下的应力和变形分布特征。研究结果表明,锻锤温度场分布不均匀,热影响区主要位于耐磨层工作面,温度随工作面纵向深度的增加而降低;耐磨层的机械应力远大于热应力,是产生疲劳裂纹的主要原因;锻锤变形主要是机械应力和热应力共同作用的结果,最大变形区域位于耐磨层工作面靠近预变形区一侧。仿真分析结果与锻锤实际失效情形一致,可为锻锤的优化设计提供参考。     

某缸盖热机疲劳分析

利用AVL-Fire对缸内工作过程和水套进行CFD分析,得到缸内及水套壁面的热边界条件,通过有限元技术把对流热边界耦合至固体传热的计算中,达到共轭传热的目的.分别完成了机械载荷和温度载荷下的缸盖应力计算,结合经过温度修正的材料特性,计算得到疲劳安全因子分布.分析结果表明:对于缸盖疲劳而言,热载荷贡献明显大于机械载荷;缸盖设计满足使用要求.     

柴油机冷却水套优化设计

为快速设计柴油机冷却水套,采用建模仿真的方法,建立某柴油机样机的冷却水套模型,采用非结构化方法进行网格划分,进行CFD模拟计算,通过计算结果的分析对整个冷却系统的冷却效果进行评价,发现原机冷却水套存在的问题,针对出现的问题提出改进方案,并对改进后的模型进行计算分析,结果表明,改进后结构缸体各缸冷却更为均匀,缸盖鼻梁区冷却液速度得到极大提高,缸体水套涡流减少,杜绝因局部过热蒸汽形成气囊的可能,缸体水套上部流场速度大幅度增加,并形成了有规律的横流,满足了设计要求.     

基于整场离散的气缸盖热流固多物理场耦合状态数值模拟

针对柴油机气缸盖工作状态数值模拟的复杂性及高耗时性,提出一种基于整场离散的高温燃气(热)、冷却液(流)、机械负荷(固)之间多物理场耦合分析方法.首先分析了热-流-固耦合的基本原理及关键问题,构建了气缸盖流固耦合传热的物理模型及有限元模型,采用整场离散法对气缸盖流固传热状态进行了耦合求解,得到了气缸盖的温度场,并在此基础上进一步与机械负荷产生的应力场进行耦合求解,得到多场共同作用下气缸盖的温度场及应力场,并分析了产生原因,实现了柴油机气缸盖热-流-固多物理场的耦合状态分析.结果表明:文中研究通过对流固耦合传热区域建立控制方程,使得传热交界面成了求解区域的内部,简化了热-流-固边界区域之间的反复迭代,相比于传统的分区计算-边界耦合法,提高了计算效率.      

柴油机气缸盖传热规律研究

利用Star CCM+软件,采用多面体网格技术和基于流体体积函数方法(VOF)的两相流沸腾模型,对单缸柴油机气缸盖的冷却传热进行了流-固耦合仿真计算,通过气缸盖的测试温度对仿真结果进行了校验.在此基础上,对气缸盖的传热规律进行了研究.研究表明,单缸柴油机负荷增加时,气缸盖冷却水壁面排气门鼻梁区的传热系数HTC呈现出在较小负荷增加迅速,在较大负荷增加变缓的规律;气缸盖向冷却水传递的热流量则随单缸柴油机负荷的提高呈现出加速上升的趋势,转速为2 000r.min-1时,单缸柴油机功率由44kW增加到61kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为31.4%;功率由61kW增加到80kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为61.3%.     

基于STAR-CCM+的冷却水套三维仿真分析

冷却水套是发动机冷却系统的主要散热部件之一,水套结构的合理设计对发动机工作性能有着重要的影响。冷却水套主要由缸头水套、缸垫、缸体水套组成,其中,缸头水套的鼻梁区为高温区域,产生的热量需要高效的冷却才能保证其散热性能。为评估水套结构设计合理性及系统分析水套内冷却液的流动特性,采用CFD分析软件STAR-CCM+对某发动机冷却水套进行了数值模拟研究,提出了一种基于流动路径的冷却水套结构改进方法,通过对冷却液流动路径及速度分布均匀性的数值模拟相关研究,可以有效对现冷却水套冷却液流动不足进行优化改善,明显提升鼻梁区、排气侧区域的冷却,整体改善冷却水套的散热性能。基于流动路径的冷却水套CFD仿真及结构改进方法可为发动机冷却水套的设计及优化提供理论指导。     

4190型船用中速柴油机配气相位优化仿真

以4190型船用中速柴油机为研究对象,利用MATLAB/Simulink软件建立柴油机工作过程仿真模型,通过仿真结果与实验数据的对比,验证模型的正确性。将该模型的配气相位偏移量进行由负到正的变化,得出其对柴油机功率、扭矩、燃油消耗率、缸内最高温度、最高爆发压力、NOx排放、排气温度、充气效率的影响规律。仿真结果确定了4190型柴油机最佳配气相位值:进气提前角66℃A;进气滞后角54℃A;排气提前角58℃A;排气滞后角56℃A。为4190型柴油机的性能优化改造提供了理论依据。     

基于CART决策树的柴油机故障诊断方法研究

采用一种自适应局部有效值（RMS）计算方法提取柴油机缸盖振动信号时域特征,结合分类回归树（CART）算法建立故障分类模型并进行柴油机的状态识别。通过实验获取柴油机失火和撞缸两种故障工况及正常工况下的振动数据,计算出原始信号的局部RMS后,根据自适应阈值确定点火冲击区域和非点火上止点冲击区域提取局部特征,最后将特征输入CART算法中构建分类模型来验证所提取特征的有效性。结果表明：柴油机在3种状态下的识别率均达到100%,基于CART算法和局部特征提取的方法能够有效诊断柴油机故障。     

6E160柴油机活塞组有限元三维耦合分析

为提高6E160柴油机的可靠性，采用三维有限元分析的 方法对活塞、活塞环、气缸套和活塞销进行了组合分析，对活塞组进行了机械负荷和热负荷的耦合分析，计算了活塞的温度场和耦合应力场，以深入了解 活塞的热负荷状态及综合应力分布情况，进而为完成降低热负荷、改善应力分布的改进设计和进一步强化奠定理论基础，为提高温度场的分析精度，采用了活塞组－缸套耦合模型进行分析，计算结果与实测值吻合很好。     

初始条件及喷雾对柴油机缸内流动影响研究

将柴油机缸内气体与整个燃烧室部件(气缸盖-气缸套-活塞组)作为一个耦合体,在对耦合体进行传热数值模拟的基础上得到缸内流动计算的壁面边界条件.利用大型通用CFD软件STAR-CD及ES-ICE对6110柴油机缸内三维非稳态流动进行数值模拟研究,着重分析不同初始条件及燃油喷射对缸内流动的影响.研究结果表明初始条件在柴油机进气过程缸内流场多维计算中主要影响流场的流动状态,特别是涡团形状和中心位置;喷雾过程中燃油的喷射流动直接影响到缸内的流场分布.     

DME发动机着火与燃烧过程的数值模拟研究

从含氧清洁燃料二甲醚（DME）低温着火的化学反应机理入手，开展了DME自燃着火过程的数值模拟研究，进而建立了不同温度、压力和燃空当量比条件下DME着火滞燃期的数据库，通过将该数据库与发动机工作过程的模拟模型相耦合，对DME发动机的运转性能进行了变参数预测分析，预测结果与实验结果符合较好。     

喷射策略对某重型柴油机高原燃烧特性的影响

为研究高原条件下不同喷射策略对某重型柴油机燃烧特性的影响。建立基于ECFM-3Z燃烧模型的某增压柴油机燃烧室三维模型并将其与平原台架试验结果进行对比验证,分析在海拔4 550 m条件下不同喷射策略对柴油机缸内燃烧过程的影响。结果表明,随着喷油提前角增大,单次喷射时缸内高温区域缩小,温度分布变得均匀,缸内预混合燃烧增强。和平原条件下的结果相比,喷油提前角的增大可以减少碳烟的排放但是增加了NO_x的排放。采用多次喷射策略时,预喷的提前可以使燃油与空气混合更充分,从而有助于主喷燃油更好地燃烧,功率能够得到进一步提升,较单次喷射NO_x排放增加,碳烟排放减少。根据模拟结果最终选择预喷提前角为22°CA BTDC和主喷提前角为2°CA BTDC的喷射策略,示功图面积较单次喷射相比有所提高,可恢复至平原的85.6%。