基于热平衡和结构强度的发动机分析平台开发及其应用

总结不同缸体之间的差异，为降低发动机机油消耗、排放和零部件通用性提供正向设计的理论支撑，并为试验结果分析和缸体优化提供正确的方向。结构系统分析示意见图10。

2 创新内容和应用推广

发动机热平衡和结构强度决定发动机的效率，在发动机开发设计阶段有必要对发动机热平衡和结构强度进行正向设计，以提高其工作效率。

本文研究成果成功地运用在某汽油机平台、某柴油机平台等多个发动机平台上，效果显著，典型应用案例如下。

2.1 某发动机缸盖水套优化

在某发动机缸盖试验中，第2和3缸排气道侧面出现开裂现象，据查证是缸盖过热导致的，需对发动机冷却系统进行优化。对缸体和缸盖水套进行CFD分析，优化结构使其满足发动机工作中的冷却需求。

方案1在原始方案的基础上加厚结构、修改下缸盖到上缸盖进水口大小；方案2参照方案1的结果，碗形塞仍采用原来的尺寸，只修改上缸盖鼻梁区局部通道。对缸盖水套进行优化，最终确定方案1和2都能够有效解决发动机冷却不足的问题。

不同方案的设计更改方案和速度矢量见图11。由此可知：方案2平均流速有所降低，但均匀性不如方案1，趋近于原始方案；与方案1相比，方案2总体横向速度增加，纵向速度减小；方案2在4缸（红色圆圈处）的速度分布比方案1好，在2缸和3缸（蓝色圆圈处）的速度分布比方案1差，方案2速度矢量图与原始方案相近。

设计上缸盖鼻梁区流量统计通道见图12，流量统计结果见表1，表中N0，N1，N2分别表示原方案、方案1和方案2的流量。由此可知：上缸盖鼻梁区流量重新分配，方案2与方案1相比，1-2，2-3，4-3通道流量增加，尤其是2-3通道增加较多，达到68%；1-1，2-1，4-1通道流量有所减少，原因是通道入口2、入口3和入口4直径减小，纵向流动趋势减弱；由于通道经过多次修改，各通道壓阻特性都有所变化，与原始方案相比，1-2，2-3，3-3，4-3通道流量变化情况较大，这4个通道的流向与其他通道相反，由进气侧流向排气侧。

原始方案缸盖开裂位置分析结果显示疲劳安全因数为1.600。更改设计方案后对缸盖重新进行疲劳分析，结果显示开裂位置疲劳安全因数仅为1.020，比评价标准1.250小。对缸盖水套进行优化，优化方案1和方案2原开裂位置疲劳安全因数分别提升到1.273和1.266，均满足要求并能通过耐久试验。缸盖开裂位置及疲劳计算结果见图13。

2.2 某发动机水套结构优化及缸体和缸盖强度验证 某发动机设计项目对缸体和缸盖结构进行变更，并且增加EGR冷却需求：EGR从缸体取水，取水量由6 L/min增加到40 L/min。经水套CFD分析，缸盖进-排气鼻梁区前端的HTC大幅下降，不满足评价指标，需对水套结构进行优化。采用减小缸体后端节流孔、减小缸垫排气侧主孔外其他水孔面积、对缸垫排气侧主孔进行错位等优化方案，增加缸盖上水量及主孔流量。经过多轮CFD优化计算，缸盖流场最终满足要求。

水套结构优化完成后，为获得缸体和缸盖的温度分布，验证变更后缸体和缸盖结构是否满足强度要求，使用水套CFD计算结果和燃烧分析结果作为温度边界进行缸体和缸盖一体化分析。分析结果认为，该发动机缸体和缸盖、气门及气门座圈等零件温度均小于其材料的温度极限，缸垫的密封压力满足密封要求，缸体和缸盖疲劳强度满足设计要求，各缸缸孔变形均在设计限值以内。发动机部件的温度分布和疲劳强度分析结果见图14。

4 结束语

（1）通过创建正向设计和分析流程，革新产品开发流程，减少设计过程中的“拍脑袋”现象。

（2）自主开发发动机热平衡计算程序，正向计算发动机热平衡和水套散热，控制发动机各金属边界的温度在最大热负荷条件下不超过许可值，使发动机结构有足够的强度储备，并尽可能地减少缸盖金属的温度梯度，使温度分布均匀，减少温差热应力。

（3）建立发动机缸内和水套的传热、流体、温度场和强度计算模型库，并形成规范和评价标准，指导发动机热平衡、冷卻散热和结构强度的正向设计，为后续发动机设计提供理论基础。

（4）基于性能、流体和动力学的有限元联合仿真，可互相提供边界，提高CAE分析的准确度，加强CAE、设计和试验等各项工作协同开发的能力。

该研究已成功运用于多个发动机开发项目，成果显著，后续可推广到更多的CAE分析工作应用中，对汽车发动机行业乃至制造业的自主开发有很大帮助。

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