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排气门热边界传热模型及其热负荷评估
| 论文题名： | 排气门热边界传热模型及其热负荷评估 |
| 关键词： | 排气门热边界传热模型;热负荷评估;有限元计算;抗力指标 |
| 摘要： | 随着石油能源日渐匮乏，排放法规日益严格，低排放，低能耗，高功率，高扭矩的内燃机已成为研究发展的方向。目前，内燃机工作者已经提出了许多方法提高了发动机的输出特性，其中较为典型的方法包括机械增压、涡轮增压、进排气 VVT、缸内直喷等技术。但随着内燃机工作强度的提高，务必要突破的瓶颈为内燃机各部件的高负荷机械性能稳定性。其中，作为内燃机燃烧室的重要组件排气门，由于其工作状态粗暴且处于高温高压环境、不易冷却润滑、又承受着高温废气的高速冲刷，故容易造成排气门失效。所以排气门的机械结构稳定性好坏将直接决定内燃机的动力、经济性能的提升与其工作稳定性。 本文采用长安集团可变凸轮相位器的D20VVT内燃机为基础，研究了内燃机四工况下排气门底面、锥面、颈部、杆部的工作状态以及其对应的合理热边界条件，并基于此求出排气门的达到热平衡状态时的热负荷与温度场分布。为了准确计算排气门的热边界，本文依据将排气门开阀、落座两工况下相对于气门导管与气门座圈的位置，将其细分为七个区域。并且求解内燃机四工况下排气门各个区域的热边界条件。其中对于排气门锥面、杆部两个主要散热区域的热边界，创新性的应用热阻等效的方法将气缸盖水套处的第三类热边界条件等效到排气门对应区域，此方法保证了流体温度、平均流速取值的准确性与可测量性。对于气门颈部，受高温废气冲刷区域，建立排气阀开启时耦合场计算模型，并应用流场计算软件将排气门开启时颈部、锥面、底部区域的第三类边界条件进行有限元计算。 文中选取Cr-Mn-Ni-N奥氏体耐热钢21-4N作为排气门材料，此耐热钢具有较好的高温机械性能且抗PBO腐蚀性良好，常被用于制造轿车排气门。本文应用软件ANSYS WORKBENCH，对排气门热负荷进行有限元模拟计算。以此得到的排气门热负荷随时间的变化曲线，各节点温度曲线收敛时的温度场，并以仿真得到的温度场与参考文献中汽油机排气门实际温度场相对比，可以看出排气门第一热点区域与第二热点区域与实际区域相一致，且最高温度与温度场梯度与实际相符，证明了方案的可行性 最后，本文以此温度场为基础，通过ANSYS WORKBENCH模拟计算排气门最大负荷时的热应力与等效应力，并在此基础上，对排气门一亿次高周循环疲劳强度、长期高温载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标进行分析评价，并找出其与气门失效的关联性。 |
| 作者： | 柴望 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 张力;赖晓丽 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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