柴油机喷油嘴三维有限元热分析

有限元 柴油机

维普资讯

嘴头部传人的热量，源于缸内燃气与喷油嘴之间的收稿日期：2 0—72;修回日期：2 0 02 0 50 -5 0 51—4

面，热方式为强迫热对传

图2喷油嘴边界分区

作者筒介：裳江涛 ( 9 O )男，北省沧州市人，士研究生，要从事热力机械的结构分析及设计方法的研究 18,河博主

有限元 柴油机

维普资讯

20 06年 2月

袁江涛，等：柴油机喷油嘴三维有限元热分析

流。值得指出的是，油器在不同工作状态下各区喷传热边界也有所不同，作状态尤其对Ⅲ区的传热工边界条件影响最大 (图 3,区别分析。见 )应燃油燃油燃油燃油

湍流换热，热系数由如下试验准则关系式确定 换]Nu: . 2 Re‘ rⅢ￡ R, = 01。:0 P。 c e且￡

h= u d; e=/ =:N A/ R,

式中， Nu为努塞尔数；

为雷诺数； r为普朗特 P

数；￡,R修正系数；￡, e为 h为对流换热系数；为燃 油的导热系数； d为当量直径；为燃油流速；为 燃油黏度。

显然，区换热主要取决于喷油嘴内燃油的流该1燃气a喷油时I

动状态，这可由喷油嘴阿流动的 C D模拟给出。 F]针阀体及压力室内燃油流速基本一致，为相同的取

燃气 h喷油终了

换热系数口。孔处燃油流速很高，般可达 喷一2 0m/~3 0m/,至更高，处的换热系数 a 5 s 0 s甚此要比口大得多。。

图 3不同状态下的喷油嘴边界示意

喷油嘴内喷孔以上燃油的温度丁可直接取为

实测值(具体测量方法见参考文献[], 7 )喷油嘴喷孔处燃油的温度丁按喷油嘴头部的温度选取。。

122喷油终了时喷油嘴传热边界条件分析 ..如图 3 b所示，油器停止喷油时，阀处于落喷针座状态，油停止流动，燃Ⅲ区的传热方式主要为热传导。作为燃油系统的一对精密偶件，油嘴针阀与喷针阀体的配合间隙很小，油嘴在这部分残留的燃喷油量也很少，应所吸收的热量也很有限。喷油终相了时，压力室和喷孔内的残余油压小于燃烧室压力，

由于喷油嘴结构的周期对称性，这部分燃油

在缸内 燃气压力的对称作用下残留在喷油嘴内部，但其量更少，应吸收的热量也更少。因此，相喷油终了时，

f= .d a rr r o a 1一 drr丁 .T/ d r r ; a.

喷油嘴内部燃油与喷油嘴温度同步升高，温升不且会很大，Ⅲ区可以近似当作绝热边界处理。基于认为喷油嘴的传热过程是稳态的，以喷油终了时工所

区和Ⅱ区的传热边界条件与喷油器喷油时相同。

2喷油嘴热分析的有限元模型某型柴油机的缸径为 1 mm,塞行程为 5 6活 1 5mm,型 1 8 V 6缸机，定功率为 10 0 k,速标 0 W转

180rmi。喷油嘴材料为 1c 2 4 0/ n 8 rNiwA合金钢，5个直径为 0 5的喷孔接 7。角沿周向均匀 . 3mm 6倾分布。

为保证在高油压作用下端面密封可靠，油嘴喷针阀体在喷油器拧紧螺母作用下紧压在喷油器体上。根据圣维南定理，阀体肩胛以上部分对喷油针嘴的受力与变形影响甚微，立有限元模型时不予建

考虑。又由于喷油嘴的形状和边界条件是周期对称的，仅选取针阀体肩胛以下部分的 1 5结构建立故/有限元分析模型。在 ANS S热分析模块的单元库 Y

有限元 柴油机

维普资讯

车

用

发

动

机

20 0 6年第 1期

中选择 3 oi8 D S l 7单元， d

为 52 26K,生在喷油嘴头部末端。这是由于 0 . 0发该部分区域直接暴露于高温燃气中，燃气直接传受热的结果。针阀座以上区域在喷油嘴内部燃油较强的对流换热作用下，度较低且分布比较均匀，温在4 7 3 6K￣ 4 0 1 3K之间。喷油终了时喷油嘴 7 . 8 8 . 4

指定单元大小，照 AN 按— S YS提供的 S r式 mat方进行有限元网格划分，最

后得出的喷油嘴热分析有限元模型如图 4所示，

的温度场与喷油时相似，且各部位的温度均比喷油时偏高，这是由于此时喷油嘴内部的燃油停止了流动，没有了燃油与喷油嘴之问对流换热的结果。喷

其中单元 1 5个， 02 7节点1 9 6 3 8个。

按照上述确定喷油

油嘴头部末端温度最高， 50 12

K,达 1. 0比喷油状态时高出约 8K。针阀座以上部分温度在 4 8 K~ 7 4 1 5 7K之间，喷油状态时差异不大。这一结 8 . 6与

嘴传热边界条件的方法， 经过反复试算修正，后图 4喷油嘴有限元模型最确定喷油器喷油时喷油嘴的传热边界条件如表 1所示。喷油终了时喷油嘴

果符合喷油嘴的实际传热情况。3 2喷油嘴热变形 .

的传热边界条件即在表 1的基础上把区域Ⅲ当作绝热边界处理即可。其中缸内瞬时换热系数由柴油机标定工况下的理论示功图计算得出。表 1喷油时喷油嘴的传热边界条件 ( W/ 。: m K。 1 K)了：区域口 m

图 6所示为不同工作状态下的喷油嘴热变形。 整体看来，油嘴在热负荷作用下以轴向热变形为喷主。针阀体下半部分的轴向变形量达1mm~10mm 级，喷油嘴头部伸长量达 0 1 2mm, . 7变形量沿喷油

I区T B

Ⅱ区口 1 TⅡ

Ⅲ区T1 立 2 T2

嘴轴向自上而下逐渐增大。这是由于喷油嘴肩胛以

下部分无约束，在热负荷作用下可以自由伸长的结果。喷油嘴在喷油器喷油和喷油终了时的变形量差异很小，由于其承受的热负荷为稳态热负荷的缘是故。m 1. 1

参数3 6. 3 103 9 4 8 7 4 9. 0 7 16 4 1 4 6 8 4 5 78 4 48 9

3喷油嘴的温度场、热变形及热应力基于以上喷油嘴有限元模型及传热边界条件， 用有限元软件 ANS YS可以方便地得出喷油器工作

NO, O U I ￣J S L T嘲 LS1 1’- 1 su - 1 T￣ XEb I

时喷油嘴的三维温度场、热变形和热应力。3 1喷油嘴温度场 .

n ;tR8 Tg-0 P￣

l

I

raphicm

E r^ CET-1

^ E -■ 8鼻 t● -. 7 E O 1 Z— 3S棚 - . t 04 I2一 5H - . x 172E一0,

喷油器喷油和喷油终了时的喷油嘴温度场分别如图 5所示。由图可见，由于喷油嘴特殊的几何结

构与换热条件，内部温度场是不均匀分布的，油嘴喷头部温度变化十分剧烈，温度梯度远较其他区域大。

喷油时，油嘴自上而下温度逐渐升高，高温度喷最^日弱 7. s 1m D“ S UT 1 01

勇，:詈“40 3E 0-阕： 固： r,5冒： u E,^ _ u￣

￣OlZ 0… 6SSI-0

,

囊 胃誊 箍

一：-罾，E - : 1O l盟 3 5 7

篓b喷油终了时

^ S矗 7. N Y 1NODAL SOL ETIO N

g P TE:1 9 B zi口 TI I孵=1

S E *l T p5UB _ L

T1 l耳 c} A a 1】Ⅱ’R宴YS"O Pow￣rGrmp hics

图 6不 l作状态 F的喷油嘴热变形司工(VG^ )

- 醚t 鲁 0

P豫 r嘲： P i,口 B h c

3 3喷油嘴热应力 .

E m e l AV BI f S=MIt I

E A E￣l F C T

野l 4 7. B I l ' 3 E￥憎=5 2.口 ● 8 Z 6

^ A 5 H c V ■ S,I- 9 I￣ 4 8S【 l c- 0. 0 : 5i 1 Z

第6 7页图 7所示为喷油器喷油时喷油嘴各区域的 V nMi s o s等效热应力分布图。由图可见， e喷

黉 !a喷油时

篱：虽 ;’99 .^ 0

油嘴内产生的热应力分布不均，孔入口两侧有应喷力集中，最大热应力为 1 . OMP, 1 2 a发生在节点 3 7 2

营鎏 b喷油终了时

和节点 2 8附近， 5其他部位的热应力则较小；主要这

是由于在较强湍流换热作用下，处温度梯度较大该的缘故。喷油器喷油终了时喷油嘴热应力的分布情

况与喷油时的分布相似，喷孔入口两侧仍有应力集图 5不同工作状态下的喷油嘴温度场

中，但最大热应力为 1.OMP;是因为喷油器停 8 1 a这

有限元 柴油机

维普资讯

20 0 6年 2 月

袁江涛，等：油机喷油嘴三维有限元热分析柴

6 Z

止喷油后，喷油嘴内换热状况变差，热应力要比喷油

侧有热应力集中现象，大热应力为 l.0MP,最 8 1 a热应力的波动幅度很小，油嘴承受的热负荷可近似喷

器喷油时大些。由以上分析可见，喷油嘴头部温度梯度较大从而导致此处的热应力也较大，孔入口喷

视为稳态载荷

;这一结果为柴油机喷油嘴的失效分析及其结构优化提供了重要参考；b )本文提出的确定柴油机喷油嘴传热边界条件的方法适用于所有柴油机闭式喷油嘴，并可为开

两侧有热应力集中现象，应力最大，他部位的热热其应力相对较小。但是喷油嘴的最大热应力值也不过 1 a右，且热应力的波动幅度不大，以喷 8MP左而所油嘴承受的热负荷为稳态载荷。Ⅻ^ 0” t

式喷油嘴传热边界条件的建立及其热负荷研究借鉴。

参考文献：p -● r h‘,口‘ -口

[]许道延，贤华. 1丁高速柴油机概念设计与实践 E . M]北京：机械工业出版社， 0 4 5 4 20:96.

国 亘强霜糍图 7喷油时喷油嘴的热应力分布

[]王补宣. 2工程传热传质学[ .京：学出版社， 9 2 M]北科 18:1 41 3 8-9 .

[]王希珍. 1 5油机气缸套温度场与热变形的三雏有限 3￥9柴元分析[]舍肥 t D.舍肥工业大学，0 0 20.

[]俞小莉， 4郑飞，兆大.严内燃机气缸体内表面稳态传热边界条件的研究[]内燃机学报，9 7 54:2—3 . J. 18, () 3 43 3

4结论 a )喷油器不同工作状态下的喷油嘴温度场分

[]陆瑞松， 5林发森.内燃机的传热与热负荷[ 1北京： M- .国防工业出版社， 9 5: 67 . 1 8 7 - 8

布不均，油终了时喷油嘴头部最高温度达喷5 0 1 2K ( 3 . 0 1 . 0 2 7 1 2℃)喷油嘴针阀体的热变形；

[ 3袁江涛，阳光耀， 6欧刘镇 .油机喷油嘴流动的 C D柴 F分析[]柴油机，0 5 2:12 . J. 2 0 ( ) 2—3

以轴向为主，最大伸长量为 0 1 2mm; L口两 . 7喷子入

[]昊克剐， 7暂建明.发动机测试技术[ .京：民交通 M]北人出版社， 0 2: 26 . 2 0 5—8

3 D n t e e a y i ft e The m a a fNo z ei e e一 Fi ie Elm ntAn l sso h r lLo d o z l n Dis lEngne iYU AN in—a Ja g to,OU YANG a g y o Gu n— a,YANG,L U h n Li

I Z e( l g fNa a c i c u ea d Po r Co l e o v l e Ar h t t r n we,Na a Un v r i fEn i e r g,W u a 3 0 3,Ch n ) e vl i e st o g n e i y n h n4 0 3 ia

Absr c: A t o s p ee td t eie t e te ma o n ay c n i o so h o ze i is le gn . Th h r l ta t me h d wa rs n e o d f h h r lb u d r o dt n ft e n zl n de e n ie n i e t emab u d r o dto s o h o ze i e t i i s le g n r e p u i g t e a o e me h d 3 D f ie ee n n l ss o o n a y c n iin ft e n z l n a c r an de e n i ewe e s tu sn h b v t o . i t lme ta ay i f n

t e t e ma o d o h o ze wa e f r d b sn h h h r lla ft e n z l s p ro me y u ig t e ANS o t r .Th e e a u e f l YS s f wa e e t mp r t r i d,t e t e ma eo ma in e h h r ld f r to a d t e h a te Sfed o h o ze we eo t i e .Th s e u t r e y u eu o u t e al r n l s so o z ea d o t n h e ts r S il f e n z l r b a n d t e e r s l a ev r s f l rf rh rf i ea a y i fn z l n p i s f u —mu d sg fi tu t r a a t r . m e i n o t s r c u e p r me e s s

Ke r s i e egn; oz; E tmprtr e; et tes ywo d:de l n ie n zl F A; e eaue il h a srs. s e f d

[编辑：李建新]

(接第 6页)上 3

The Fi t e e tAna y i f t a nt nst ft e t I u a i n Pa ti nie El m n l ss o he H t I e iy o he H a ns l to r n

teL w HetR

eet nE gn h o a jci n ie oMA a g pn Xin— ig,LUO n - u Qig g o,W ANG h— i S u y,HAN h Su( e a e f mo e o csE g e r g B in 1 0 7, hn ) Th d my o Ac Ar rdF r e n i ei, e ig 0 0 2 C ia n n jAb t a t s r c:Thsat l dsu SSt es nf a e p ca v hc n h i iut nrsac fteLo He t jcin LHR)E i ri e i sO h i icn ei se il e il a dtedfc l i eerho h w a et ( c c g i n e f y Re o n

gn .T e e t r s i n h rc r f h w Het e c o n i nlsda d h et rnmin o n ayc n io so t e ie h a a m t gc aat e h tn i e o t L a j t nE gn i a a e n e a a s t b u d r o dt n f h o R ei es y t h t i g if e o r o ue y e p r nefr lr i b xaecmp tdb x e e c omua.Thsat l a ay e h h rce f h ii l n to n tbeh a rn ml r i i ri e n lsstec aatro ef t ee c t n e me tmeh di u sa l etta s— n i .Th o n e s yo h e t n u ain p rs i a ay ie y t ef i lme t t o .Th e u t id c ts t a h c rt n o rg n e h tit n i f e h s lt a t n l s d b i t ee n h d t t a i o s z h ne me e rs ls n i e h t e a c ei f a t o t e h t u d n a d t eh tit n i so eo h i e s n O lwe h e u i ft e h ti s lt n p rs h o r e n h o e st i n ft eman r o s t o rt e s c r y o h e n u ai a t . b n y a t a o

Ke r s HR egn;usa l s t;h tne s y E ywo d:L n ie n

tbe t e o tni;F A a i t

[编辑：丽丽]潘

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wrgj.html