發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門的瞬態(tài)熱分析
M.H.Shojaefard, A.R.Noorpoor and D.A.Bozchaloe
伊朗科技大學(xué).汽車工程系,伊朗 德黑蘭
M.Ghaffarpour
UIC燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室.機(jī)械工程部；伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校，美國(guó).伊利諾伊州.芝加哥
摘要
內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣有著極高的溫度和壓力，當(dāng)這些熱氣通過(guò)排氣門時(shí),氣門和氣門座以及氣門桿的溫度將急劇增加。因此需要將熱量從排氣門通過(guò)不同的部件轉(zhuǎn)移出去，從而避免由于溫度的增加而影響排氣門的正常配合，特別是在氣門閉合期間，氣門與氣門座將相互接觸。在本中，采用有限元方法對(duì)排氣門進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，得到了氣門閉合與開(kāi)啟時(shí)的溫度分布以及熱應(yīng)力分布，對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的分析以得到其邊界條件，利用ANSYS軟件建立排氣門、氣門導(dǎo)管以及氣門彈簧的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)熱分析直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
1.引言
由于經(jīng)常與高溫廢氣接觸以及容積效率和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，排氣門是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部件之一，排氣門的設(shè)計(jì)取決于許多參數(shù)，如廢氣流動(dòng)時(shí)的力學(xué)特性、氣門材料的疲勞強(qiáng)度、氣門材料的氧化特性、高溫時(shí)廢氣的特性以及與缸蓋的配合，冷卻劑的流量，排氣口的形狀等等[1-3]。
內(nèi)燃機(jī)的排氣門在承受熱負(fù)荷，疲勞以及機(jī)械應(yīng)力等惡劣工況下工作，因?yàn)楣ぷ鳒囟葘?huì)對(duì)氣門材料的物理特性產(chǎn)生特大影響，所以排氣門的工作溫度是對(duì)其性能影響最重要的因素[4]。氣門體的溫度梯度太大則會(huì)引起熱應(yīng)力，所以搞清楚內(nèi)燃機(jī)各部件的溫度場(chǎng)分布，對(duì)于確定最大熱應(yīng)力點(diǎn)的位置非常的重要[5]。設(shè)計(jì)師總是很希望得到一個(gè)最佳條件，使得發(fā)動(dòng)機(jī)各部件不要受到由氣體壓力（機(jī)械負(fù)荷）和熱負(fù)荷而引起的過(guò)度壓力[6，7]。但同時(shí)也不應(yīng)該使得發(fā)動(dòng)機(jī)在這方面失去大量的熱能[8]。
為了得到最合適的邊界條件和準(zhǔn)確的熱流量估計(jì)，就得先知道內(nèi)燃機(jī)中如活塞、氣門、氣缸壁、缸蓋等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的溫度分布，以及由其而引起的熱應(yīng)力[9]。根據(jù)熱分析我們可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的熱流量進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)，從而對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低溫度，從而防止由于部件受到極限壓力、腐蝕、疲勞等而破壞[10,11]?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)通過(guò)控制冷卻液，空氣流量，燃油噴射，點(diǎn)火時(shí)間以及廢氣再循環(huán)來(lái)調(diào)控?zé)徇^(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的主要功能之一是預(yù)防和發(fā)現(xiàn)異常燃燒，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，然而由于以下原因的存在，使得這些問(wèn)題的解決極其復(fù)雜和極具挑戰(zhàn)性的[12-14]：
1. 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體的溫度周期性的變化。