柴油机气缸套热变形研究

孙俊花 张创科 马辉

摘要：柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并为活塞起导向作用。燃烧过程中气缸套的内壁直接受到高温高压燃气作用， 而它的外侧又被冷却水包围。在内外壁如此大的温差下，气缸套将会产生相当大的热应力及热变形，其可靠性对整个柴油机的正常工作有着重要的影响。所以在气缸套的设计过程中必须进行深入的热分析，对其结构设计和运行可靠性有一个较为准确的估计，为合理地改进和优化设计方案提供依据。

Abstract： In the diesel engine， cylinders are space of compressing， burning and expanding gas， and act as a guide for the pistons. During the process of combustion， cylinder liners' internal walls are directly affected by the gas of high temperature and high pressure while the external walls are surrounded by the cooling water. The cylinder liners will generate considerable thermal stress and thermal deformation because of so large temperature difference between internal walls and external walls. The cylinder liners' reliability has important influence on the normal running of the diesel engines. Thus we must carry out in-depth thermal analysis and estimate the running reliability accurately during the process of structural design in order to improve and optimize the design reasonably.

關键词：柴油机;气缸套;热变形

Key words： diesel engine;cylinder liner;thermal deformation

中图分类号：TK42                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0069-04

1  概述：气缸套热负荷研究的必要性

随着国家对国六标准的计划要求，柴油机的研究和设计并不局限于它的工作效率和使用性能，更多的侧重是它的环保节能以及耐久性。所以前期从结构设计的模拟上，也具有重要意义。

2  一种典型的气缸套的温度分布

首先是通过软件Ansys计算可得到气缸套各个部位的温度分布以及内壁上某条线沿轴向温度的变化曲线，见图1和图2。

根据图1和图2可以得出下列结论：

①缸套内壁面的最高温度出现在缸套上部区域，原因在于该部位不在冷却水套区域，得不到充分的冷却，当活塞运行到上止点位置时，气体压力和温度同时升高，此时缸体温度达到一个最高值。

②缸套内壁面沿轴向温度呈现逐步下降的趋势。这和发动机活塞的四个工作冲程原理相关联。随着活塞上行下移，气缸内的气体压力逐步增大或缩小，工作温度也会随着变化。

③对应于缸套中部，活塞导向运行的区间位置，温度变化比较平缓，因为该区域处于冷却水套区，有充足的冷却效果，所以温度低，而且受燃气影响小。

计算结果表明，该缸套内壁面上部的温度分布偏高，活塞在上止点时对应第一环附近的缸套内壁温度已超过上限（490K），这是由于该缸套的结构特征所决定的。为了改变这种缸套的温度分布，降低缸套内壁面上部的温度，要对气缸套的结构进行优化改进。

3  结构优化改进设计后缸套的温度分布

本文将缸套中部支承位置分别下移20mm、25mm、30mm，如图3所示。

温度边界设定：气缸套燃气侧（受热受压方向）边界条件不变，缸套冷却部位（凸肩）仅改变C段的长度其它条件不变。

三种结构显示的缸套温度见图4、图5、图6。

从以上不同结构的设计，显示的不同温度分布图示，我们可以看到：中部凸肩下移20、25mm后缸套内壁面温度有所降低但不明显，中部凸肩下移30mm后缸套内壁面温度降低明显见（图7），尤其是活塞运行到上止点时活塞第一道气环对应处的缸套内壁温度下降较为明显。温度降低会减少润滑油受高温焦化而形成高温积碳的风险。

4  热变形结果及分析

本文在获得缸套温度场分布的基础上，将热分析得到的节点温度作为体载荷施加在后续的应力分析中，对缸套进行热应力计算，得到缸套热变形的分布情况，如图8和图9所示。

由图8可以看出，缸套整体发生变形，但是在接近缸套最上端变形比较明显，最大变形量接近0.20mm左右，这是和柴油发动机工作原理相关的，在压缩行程结束前就已经点火，点火后能量有一个释放的过程，所以一般在上止点后20～35度曲轴转角处达到最高温度，此时的缸套上部温度最高，所以变形最大。最小变形发生在缸套中部，即在密封水套附近，最小变形量不足0.001mm，因为该处温度最低，又受于定位凸肩的作用，所以几乎没什么变化。

由图9可以看出，最大径向位移发生在冷却水套的中部，大小为0.102 mm。因为此处气缸套的温度变化较大，燃气传给气缸套的热量也较多。而缸套上部虽然温度最高，由于受到径向定位凸缘的影响，此处的膨胀变形受到限制。最小径向位移发生在缸套中部，因为此处温度变化不大且受到径向定位环带的影响。

以上已经得出结论：该缸套的中部支撑面下移30mm以后，缸套内壁面的温度明显降低。而此时缸套热变形的结果如图10和图11所示。

由图10可以看出，缸套整体发生膨胀，总体变形量有所增大，最大变形仍发生在缸套上部，最大变形量增大为0.192mm，这是因为中部支撑面下移30mm后，缸套上部的热梯度增大。冷却水套部分的变形更加均匀，因为中部支撑面下移30mm后，冷却水套处缸套内壁面的温度梯度明显减小。

由图11可以看出，缸套的中部支撑面下移30mm后，整体的径向位移分布规律相同，径向位移量有所减小。最大径向位移仍发生在冷却水套的中部，大小为0.099mm。

5  小结

首先对1125型上部凸缘中支式气缸套进行温度场计算，得到了它的温度分布，并在此基础上通过改变结构尺寸来改善温度分布，然后对该缸套以及优化后的缸套进行了热变形计算，得到了它们的径向位移及总变形分布，并分析了缸套变形及其原因，为合理地改进和优化设计方案提供理论依据。

参考文献：

[1]陶文铨.传热学[M].西安：西北工业大学出版社，2006：35-37.

[2]王希珍，严兆大，周军.柴油机缸套热负荷评估的分析及实验研究方法[J].内燃机工程，2001，22（4）：62-65.

[3]罗时友.S195型柴油机活塞温度场测量及轴对称边界元分析[D].镇江：江苏工学院能源与动力系，1991.

[4]曹茹，李刚.内燃柴油机车气缸套热变形有限元分析[J].兰州交通大学学报：自然科学版，2007，26（3）：70.

[5]叶秀汗，等.动力机械热应力理论与应用.上海交通大学出版社，1987.