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柴油机缸体缸盖耦合分析

王德远张长岭刘刚王福志

（长城汽车股份有限公司动力事业部技术中心河北省保定）

摘要：本文对正处在开发阶段的2.0L柴油机进行整机耦合分析，通过Abaqus建立传热学模型，进行数值模拟计算，对缸垫

压力、温度场、热应力和变形等各种指标评价，优化整机设计。

关键词：流固耦合；整机；垫片；温度场；热应力

1前言

试验台架上该发动机经常有烧机油的现象，为解决此问题，特做整机耦合分析。

整机耦合分析包括三个工况：装配载荷工况、热载荷工况和爆发压力工况，通过Abaqus软件计算得出缸垫的

压力分布、缸体缸盖的应力和变形分布。热载荷工况采用流固耦合的方法进行模拟分析，通过Fire软件进行燃烧

和水套的CFD计算，从而得到热边界条件，再使用Abaqus软件计算得到温度场分布和热应力分布。对发动机整体

设计提供优化指南。

2模型建立

有限元模型包括：缸体、缸盖、螺栓、垫片、气门座圈、气门导管，其中垫片用一阶六面体网格，其它为二

阶四面体网格，网格总数约70万。

图1有限元模型

3热边界条件

发动机传热方式非常复杂，主要包括缸内燃烧边界，水套边界，进排气道温度边界，油路温度边界，气门座

圈温度边界等。

缸体缸盖水套换热系数与温度场由Fire计算得到，为一稳态温度场。图2右侧可以看出对流换热系数分布不

均，右边第一缸缸体水套换热系数较小。

图2水套温度与HTC分布

缸内燃烧边界包括缸盖燃烧室部分和缸套内壁面，由Fire软件对发动机一个循环720°计算得到一瞬态温度

场，最后将其温度平均后映射到结构网格上，作为缸内燃烧边界条件。

图3缸内燃烧平均温度与HTC分布

进排气道温度边界，油路温度边界和气门座圈温度边界比较复杂，在这里给一均值，尽可能真实的反应其温

度和换热系数分布。

4计算结果

4.1装配载荷工况

装配工况主要考察气门座圈和气门导管的过盈，螺栓预紧力，垫片压力分布等。

垫片的接触应力分布直接反映了缸垫的密封性。这里我们主要看垫片的接触应力分布。如图4所示，垫片的

各种不同区域在不同的压力曲线下的应力分布。垫片各区域应力分布均匀，密封性良好。

图4缸垫压力分布

4.2热载荷工况

发动机局部温度过高会造成非正常燃烧，如材料发生烧蚀，润滑油碳化等现象。由缸内燃烧边界条算得燃烧

室实际表面温度，通过分析发现温度过高处，优化结构，改善换热系数，降低该处温度，降低局部高温集中对发

动机的影响。如图5所示，燃烧室表面温度分布较均匀，对发动机影响不大。

图5缸盖温度场分布图6缸体热应力横向变形分布

图6为由热产生的机械应力引起的变形，可以看出右侧第一缸变形较大，最大变形值为0.2mm，很明显大于

配缸间隙0.07-0.096mm，可以得出发动机在工作的时候有烧机油的现象，还有可能出现拉缸现象。由水套分析的

到的右边第一缸换热系数较低，引起局部膨胀，变形较大。建议优化第一缸水套结构和汽缸周围结构，提高换热

系数与缸体刚度，减小变形。

4.3最大爆发压力工况

图7缸盖应力分布图8缸体应力分布

图7缸盖横向变形分布图8缸体横向变形分布

由于计算时间较长，本次仅计算了右侧第一缸的爆发压力。由于爆发压力工况是在热载荷工况基础上计算的，

热应力引起的变形会对爆发压力引起的变形有补偿作用，所以我们看到缸盖上的应力分布基本是均匀的，但第一

缸燃烧室中心应力还是相对较高一些，但都小于HT250的屈服极限。

图8可以看出，有爆压的缸变形较大，最右侧最大变形0.17mm，缸体刚度较小，建议对缸体结构进行改进，

增加缸体刚度，减小变形，降低因变形而引起的破坏。

4结论

（1）装配载荷工况中，缸垫的接触应力分布均匀，密封性良好。

（2）热载荷工况中，右侧第一缸水套换热系数较小，由热应力引起的变形过大，大于其配缸间隙，最大爆发压

力工况中，该处变形同样较大，初步断定试验中烧机油现象是由于缸套变形过大引起。建议对该缸周围结

构进行优化，提高缸体刚度和水套的换热系数。

参考文献

[1]Abaqus6.8Documentation