天燃气发动机排气管优化分析

李国红 王亮

摘要：本文围绕市场的一款天燃气发动机出现故障的排气管进行结构设计优化和仿真分析，通过仿真分析表明，加大排气管的壁厚。增加法兰厚度以及在排气管上布置筋条，均可有效的提高排气管的可靠性，文中所优化的两款排气管都可满足设计目标，能有效的解决市场出现的问题。

关键词：天然气;排气管;应力分析;最高温度

中图分类号：U464.174                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0091-03

0  引言

近年来，我国的经济高速发展，对石油的需求越来越大，由此产生了能源短缺和环境污染问题。中国石油集团经济技术研究院发布的《2018年国内外油气行业发展报告》称，2018年中国的石油进口量为4.4亿吨，同比增长 11%，石油对外依存度升至69.8%，已严重影响到我国的能源安全。作为用油大户的汽车行业，近几年也获得快速发展。到2018年底，我国的汽车保有量已达到2.4亿辆，汽车消耗了大量的石油，同时也排放了大量的污染物。为缓解石油短缺带来的问题，改善大气环境，发展天然气汽车和发动机是一个有效的替代方案[1]。

满足国六排放标准的天然气发动机在采用当量燃烧路线后，缸内温度比稀燃路线下的温度高，爆燃边界变窄;高增压、降转速使其向高功率密度和高负荷方向发展[2]。在升功率提升的同时，天然气的发动机的热负荷会越来越大，这势必会对排气管的结构设计带来巨大的挑战，本文作者围绕市场出现的一款发动机排气管断裂的故障现象，针对现有故障件进行结构优化，排气管的结构参数差异如表1所示，同时开展CAE仿真分析，以便需求更优的结构。

1  计算模型

有限元模型包括气缸盖、排气管、涡后接管、涡后接管支架、排气管垫片、增压器底座、螺栓。气缸盖、排气管、增压器座、垫片用SimLab划分网格，螺栓用HyperMesh划分网格，在FIRE中计算内流场的温度，通过映射程序获取热边界，在Abaqus里施加边界条件，最后用Abaqus求解。

进行温度场计算时，垫片采用DC3D6单元，实体采用DC3D10单元。进行强度计算时，垫片采用GK3D12M单元，实体采用C3D10M单元。其有限元模型如图1所示。

2  计算边界

2.1 温度场分析

排气管内壁及缸盖排气道内壁由流体CFD计算提供映射边界。水套、缸盖油道、缸盖进气道、缸盖火力岸、排气管和缸盖外壁面的温度和换热系数按照经验施加;同时设置辐射温度和系数。

2.2 带热负荷的静力分析

①温度场分析结果作为温度边界输入;

②螺栓轴力：根据工艺试验可知，M10的排气管螺栓拧紧力矩为60～70N·m，强度计算取上限值;增压器螺栓为M12螺栓，拧紧力矩为110N·m，则对应的螺栓轴力为：

③增压器质量为13.8kg，在增压器质心处按照上下左右前后方向分别施加一定倍数的重力加速度。

2.3 约束施加

温度场分析不施加位移约束，静力分析时，缸盖封火圈位置、机体顶面缸套安装台阶面约束上下方向（Y向）;缸盖截面Z方向采用对称约束;機体顶面左右分割线上若干点约束左右方向（Z向）;缸盖底面前后中间分割线、机体顶面前后中间分割线上若干点约束前后方向（X向）。

3  计算结果与分析

3.1 温度场计算结果

从温度场云图图2-图4可以看出，高温区域主要分布在增压器到EGR取气口之间，对应是故障位置，两种方案最高温值区别不大，方案1稍小于方案2，但两种结构的排气管最高温度均满足设计目标要求。

3.2 应力计算结果

从应力云图图5对比，大板筋附近的应力值方案1稍小于方案2。

3.3 高周疲劳计算结果

将应力分析结果文件导入到FEMFAT软件中，使用TransMAX方法进行高周疲劳求解。

从图6排气管高周疲劳结果对比来看，大板筋附近安全系数相当，两种结构的差异不大，疲劳安全系数均满足设计要求。

4  结论

通过对两个排气管进行最高温度、应力分析，高周疲劳分析，最终结果如表2所示。

①两个方案最高温度相差很小，均合格;②三个方案最小安全系数也相差很小，均合格;③从应力云图上分析，五六缸大板筋及周围的应力对比，SF1优于SF2。

参考文献：

[1]陈本林，等.国六排放天然气发动机开发[J].汽车工程学报，2021，11（1）.

[2]蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[3]曾丽丽，等.天然气发动机爆燃仿真分析与试验研究[J].汽车与新动力，2020.