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分析增压柴油机缸套力学特性与变形

收藏本文 2024-03-17 点赞:19119 浏览:84251 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:随着节能减排政策的日益严格,柴油机缸内爆发压力提升到16Mpa以上,缸套-活塞组摩擦副的热负荷和机械负荷大幅度增加。受缸盖螺栓预紧力、活塞高速周期性往复运动、气缸体刚度不均匀以及冷却不均匀产生的影响,缸套与活塞环容易产生变形。当缸套变形失圆无法由活塞环的弹力进行补偿时,将产生不正常的间隙,以而产生油气泄漏,柴油机微粒(PM)排放量的50%是机油窜入燃烧室燃烧后产生的可溶有机物,由此制约缸套与活塞摩擦副变形与失圆,提升缸内密封性能,对降低机油耗,改善摩擦性能,以及减小排放,都具有重要的作用。以增压中冷柴油机为探讨对象,针对缸套安装变形与工作变形的产生机理及影响因素进行了探讨,提出了制约缸套变形的制约对策及解决案例,具体开展了以下探讨工作:(1)预紧工况下缸套安装变形的特点与影响因素探讨建立了机体-缸盖-缸套的装配耦合模型,在预紧工况下进行了装配体的静力浅析,探讨了缸套变形特点,并运用正交设计法,探讨了结构因素与非结构因素对缸套变形的影响,优化了缸套结构。探讨表明:预紧工况下各缸缸套整体呈现上部截面收缩变形,中下部截面扩张变形,最大变形处出现在缸套的上部;四个缸的缸套变形不均匀,其中一、四缸缸套变形较大,二、三缸变形较小;非结构因素中的螺栓预紧力、结构因素中的螺栓沉孔深度与缸套壁厚对缸套变形影响较大。(2)热负荷下缸套热态变形的特点与影响因素的探讨在测试基础上,运用流固耦合传热策略,探讨了缸盖、机体、缸套的热负荷以及冷却水套的流动均匀性,并探讨了冷却水套结构对冷却均匀性以及缸套热变形的影响。探讨表明:缸套上部热变形及变形梯度较大,中下部热变形及变形梯度相对较小,热负荷工况下的缸套平均热变形是预紧工况平均变形的16倍;相邻两缸间的缸套热变形相对较小,在第一缸和第四缸自由端出现较大的缸套热变形。由于各缸缸盖、机体、缸套温度场分布不均匀,冷却水套流动均匀性与冷却均匀性对应的最优案例是有差别的。(3)工作负荷下缸套热机耦合变形的特点与影响因素的探讨考虑机械负荷与热负荷耦合作用,对机体与缸套的装配耦合模型进行了热机耦合浅析,探讨了不同负荷加载情况下缸套变形的特点。相比预紧工况与热负荷工况,工作负荷下的缸套最大主应力大幅度增加,缸套整体变形与热负荷工况相似,缸套变形幅度增加较小。综合浅析,相比冷却均匀性的优化案例,预紧工况优化案例对于减小缸套的失圆度更有效;此外,受机体刚度影响,二缸与三缸、一缸与四缸的缸套变形对称,且变形呈豌豆形规律,机体结构刚度分布均匀性对于缸套变形起重要作用。(4)缸套动态变形的测试与浅析采取应变测试策略,在外特性工况下对增压前后的缸套的动态应变进行了测试与浅析,比较浅析了增压中冷前后柴油机周向应变与径向变形的变化规律。随着转速的升高,柴油机缸套主推力面应变、次推力面应变、侧面应变随之增加;当发动机处于高转速时,自然吸气柴油机缸套的变形呈现显著无规则的振动特性,增压中冷柴油机缸套呈现有规则的、与最大爆发压力对应的振动特性,且最大转矩工况下的缸套主推力面变形大于其它工况变形。(5)缸套工作变形对活塞动力学特性以及密封性能及摩擦损失的影响探讨在考虑缸套变形的基础上,探讨了活塞组件结构、缸套变形均匀性以及对活塞二阶运动、机油耗、窜气量以及摩擦损失的影响联系。随着活塞头部间隙、配缸间隙、活塞销偏置量的增加,活塞平均摆角增大,活塞峰值敲击能量(KEP)增加;对于机油耗影响最大的是一环的切向弹力,对于窜气量影响最大的是二环切向弹力,对于摩擦磨损影响最大的是油环的切向弹力;随着各环切向弹力增大,机油耗、窜气量减小,摩擦损失增加。随着转速的增加,缸套变形不均匀性增加,机油耗、窜气量、环摩擦平均压力增加。通过对不同优化案例的活塞环组动力学特性浅析,各案例对环组FMEP影响较小,对窜气量与机油耗的改善比较显著,其中预紧力优化案例对于机油耗的减小影响较大。关键词:增压中冷柴油机论文缸套变形论文动态测试论文机油耗论文

    摘要3-5

    ABSTRACT5-8

    目录8-12

    第一章 绪论12-32

    1.1 课题的背景与作用12-14

    1.2 国内外探讨近况与进展14-28

    1.2.1 缸套-活塞摩擦副受力与变形定性浅析14-15

    1.2.2 缸套-活塞组变形与适应性的评价策略15-18

    1.2.3 缸套变形机理与活塞环适应性探讨18-23

    1.2.4 缸套-活塞摩擦副动力学特性对发动机工作性能的影响探讨23-28

    1.3 课题探讨的主要内容28-30

    1.4 课题探讨的技术路线30-32

    第二章 预紧工况下缸套机械变形及影响因素探讨32-52

    2.1 缸套结构32-33

    2.2 弹性力学基本论述33-34

    2.3 建立有限元模型34-39

    2.3.1 建立装配耦合模型34-36

    2.3.2 模型材料属性36

    2.3.3 边界条件36-39

    2.4 螺栓预紧力作用下缸套变形浅析39-41

    2.4.1 整体变形浅析39

    2.4.2 单缸缸套变形浅析39-41

    2.4.3 模型验证41

    2.5 预紧工况下缸套变形影响因素探讨41-49

    2.5.1 非结构因素对缸套变形的影响浅析42-44

    2.5.2 结构因素对缸套变形的影响浅析44-49

    2.6 小结49-52

    第三章 基于流固耦合传热的柴油机缸套热变形探讨52-90

    3.1 引言52

    3.2 流固耦合传热浅析的基本论述52-59

    3.2.1 流体制约方程53-56

    3.2.2 固体制约方程56-57

    3.2.3 流固耦合传热57-58

    3.2.4 流固耦合传热的耦合求解58-59

    3.3 流固耦合传热边界条件的测试与浅析59-64

    3.3.1 冷却水套水流试验59-61

    3.3.2 缸套温度测试61-62

    3.3.3 缸盖温度测试62-64

    3.4 流固耦合系统浅析模型64-70

    3.4.1 缸体-缸套-缸盖-冷却水套耦合系统模型64-65

    3.4.2 材料属性65

    3.4.3 传热边界条件65-69

    3.4.4 流体流动边界条件69

    3.4.5 仿真模型的验证69-70

    3.5 计算结果及浅析70-76

    3.5.1 流体速度场与温度场70-72

    3.5.2 温度场72-74

    3.5.3 热应力及变形浅析74-76

    3.6 缸套热变形的影响因素探讨76-87

    3.6.1 冷却水套流动均匀性浅析76-82

    3.6.2 冷却水套冷却均匀性浅析82-87

    3.7 小结87-90

    第四章 柴油机缸套热机耦合变形探讨90-102

    4.1 引言90

    4.2 计算工况90-91

    4.3 力边界条件91-92

    4.3.1 螺栓预紧力91

    4.3.2 燃气作用力91

    4.3.3 活塞对缸套的侧击力91-92

    4.4 缸套变形的热机耦合浅析92-99

    4.4.1 热态预紧力工况92-94

    4.4.2 爆压工况94-95

    4.4.3 不同工况的比较95-99

    4.5 小结99-102

    第五章 柴油机缸套工作变形的动态测试与浅析102-118

    5.1 引言102-103

    5.2 缸套变形测试案例103-107

    5.2.1 传感器的选择103-104

    5.2.2 温度补偿104

    5.2.3 测试案例104-106

    5.2.4 试验误差浅析106-107

    5.3 缸套动态变形的数据处理与浅析107-116

    5.3.1 自然吸缸套动态变形浅析107-112

    5.3.2 增压中冷柴油机缸套动态变形浅析112-116

    5.4 自然吸气与增压中冷柴油机缸套动态径向变形比较浅析116-117

    5.5 小结117-118

    第六章 考虑缸套变形的活塞组件动力学特性及影响因素探讨118-138

    6.1 动力学模型与制约方程118-125

    6.1.1 活塞组动力学模型118-121

    6.1.2 活塞环组动力学模型121-123

    6.1.3 机油消耗模型123-125

    6.2 活塞组件动力学仿真模型的边界条件125-131

    6.2.1 缸内燃烧压力的测试125-126

    6.2.2 活塞的等效刚度126-127

    6.2.3 活塞与缸套热态型面127-129

    6.2.4 活塞环结构129-130

    6.2.5 机油耗试验与仿真模型的验证130-131

    6.3 结构参数对活塞动力学特性及密封性能的影响探讨131-134

    6.3.1 活塞结构参数影响131-133

    6.3.2 活塞环参数对发动机性能的影响133-134

    6.4 缸套变形的影响134-136

    6.4.1 缸套变形均匀性的影响134-135

    6.4.2 不同缸套变形优化案例的影响135-136

    6.5 小结136-138

    第七章 总结与展望138-142

    7.1 主要工作总结138-141

    7.2 论文的革新点141

    7.3 作展望141-142

    致谢142-144

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