基于Abaqus的汽油发动机排气门温度场模拟分析和试验

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摘要： 对某4缸汽油发动机排气门进行建模和计算.采用2种建模方法分析气门的温度场分布，并与试验测温结果进行对比.结果表明：建模时考虑缸盖、阀座、导管与气门的接触导热能非常准确地模拟气门温度分布；传统的采用第三类边界条件的换热计算方式模拟分析得到的结果与试验测温结果误差较大.根据标定好的仿真模型，更改导管材料，可达到气门温度降低19.3 ℃的效果.

关键词： 排气门； 温度场； 试验； 模拟分析

中图分类号： U464.1； TB115.1文献标志码： B

0引言

气门是发动机配气机构的主要组成部件，也是确保发动机获得足够经济性能、动力性能、可靠及耐久性的重要零部件之一.气门的工作环境非常复杂，除高温、高压的气体环境，还在工作过程中受到冲击拉压和热应力作用，同时受到高温高速燃气的腐蚀冲刷作用.如果气门冷却条件和导热系数选择不当，将会导致积累在气门上的热量难以及时进行热传递，最终出现气门温度过高.高温环境将导致材料的各项性能发生变化，使机械性能明显下降，严重时可能导致材料产生蠕变.[1]

在某增压汽油发动机的开发过程中，出现过气门因温度过高导致热应力过大，使气门根部断裂的情况，因此需要在设计时预测气门温度，为气门和导管的材料选择以及冷却方式提供依据.

1气门结构及换热分区介绍

气门采用耐高温合金钢，中空充钠降温.根据换热特点，将气门分为4个换热分区，见图1.[2]1区为排气门盘部，主要构成燃烧室，与气缸内燃气对流换热；2区为排气门锥面，在气门关闭时与阀座接触导热；3区位排气门位于气道部分，与气道内气体对流换热；4区为杆身部分，与气门导管接触导热.

图 1气门换热分区示意

2有限元分析模型

有限元分析模型见图2，包括部分缸盖、简化缸体、气门导管、阀座和排气门等.气门、阀座、气门导管和简化缸体采用六面体单元，各部件与缸盖接触部位采用六面体单元，其余采用四面体单元，缸盖螺栓采用BEAM单元模拟.本文模型中考虑气缸盖、阀座与气门导管之间的接触导热.方案一未定义气门与阀座的接触，方案二定义气门与阀座的接触.

图 2有限元分析模型

3传热边界条件的确定

稳态传热边界条件的确定通常采用第三类边界条件，即给定边界的介质温度T0和换热系数α0.[3]在一个工作循环中，气体温度Tg和气体对壁面的放热系数αg是瞬时变化的，瞬时放热系数采用Eickelberg公式[4]计算，αg=7.8×3CmpgTg （1）式中：Cm为活塞平均速度；pg为气体瞬时压力；Tg为气体瞬时温度.

气体对壁面的平均放热系数αgm=∫4π0αg4πdθ （2）燃气平均温度Tgm=14π∫4π0αgTgdθ αgm-273 （3）本文中，燃烧室、气门盘部、气门在气道部分、简化缸体缸套部分的外界流体温度以及换热系数均由式（2）和（3）计算得到.

4气门测温试验

某些金属在受热时会产生永久性硬度变化.这种硬度的最后变化取决于其所受的最高温度和在此温度下的延续时间.如果延续时间一定，则可以建立温度与硬度的关系曲线，然后按测定的硬度值找到相应的温度.根据这种硬度标定法测得气门的温度，气门测点位置分布和温度硬度关系曲线见图3，可知，气门最高温度出现在杆身根部附近.

（a）测点分布

（b）温度硬度关系曲线

图 3气门测温

5结果分析

5.1方案一与方案二分析结果对比

方案一与方案二分析结果对比见图4.

（a）方案一（b）方案二图 4温度场分析结果由图4可知，方案一分析得到气门的最高温度在盘部中心处，方案二分析得到气门的最高温度在杆身根部.方案二分析结果与气门测温结果最高温度位置基本一致.

5.2仿真结果与试验结果对比

气门盘部仿真结果与试验结果对比见图5，气门侧面仿真结果与试验结果对比图6，可知，方案一与试验结果相比偏差较大，尤其是对盘部温度的预测，趋势不一致且温度偏差较大；而方案二与试验结果趋势基本一致，且误差均在10%以内，可通过对换热系数的微小调节，降低仿真结果与试验结果的误差.（a）测点位置示意（b）仿真与试验温度对比

图 5气门盘部仿真结果与试验结果对比

（a）测点位置示意（b）仿真与试验温度对比

图 6气门侧面仿真结果与试验结果对比

5.3气门导管材料对气门温度影响

为预测导管材料对气门温度的影响，方案三采用方案二的有限元模型，并将其导管材料由粉末冶金改为黄铜.导管分别为粉末冶金和黄铜时气门的温度场对比见图7，可知，因黄铜的导热系数远高于粉末冶金，能很好地将气门温度传递给缸盖，从而起到降低气门温度的效果，本文分析中气门最高温下降19.3 ℃.（a）方案二粉末冶金导管（b）方案三黄铜导管

图 7导管分别为粉末冶金和黄铜时气门的温度场对比6结论

（1）通过分析可知，abaqus可以很好地模拟气门组件换热，准确得到气门的温度场.

（2）通过分析结果与试验结果的对比可知，需定义气门与阀座的接触导热和热阻才能准确地模拟得到气门温度场.

（3）通过改进气门导管材料，可很好地降低气门的最高温度，达到降低气门风险的效果.

参考文献：

[1]周蓉. 发动机排气门传热数值模拟研究分析[D]. 广州： 华南理工大学， 2010.

[2]刘志恩. 内燃机燃烧室多体耦合系统三维瞬态传热模拟及应用研究[D]. 武汉： 华中科技大学， 2007.

[3]李冠男. 活塞的三维稳态热分析及热强度计算[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2006.

[4]肖永宁， 潘克煜， 韩国埏. 内燃机热负荷和热强度[M]. 北京： 机械工业出版社， 1988.