В двигателе внутреннего сгорания тепловой анализ блока цилиндров, головки цилиндров, поршня и других деталей имеет большое значение. Правильный анализ этих деталей позволяет получить результат, близкий к реальному. Таким образом, если материал и конструкция деталей двигателя подобраны эффективно, это приводит к повышению эффективности работы двигателя. Что также приводит к увеличению срока службы автомобилей. В данной работе предпринята попытка провести тепловой анализ головки блока цилиндров двигателя с помощью программы ANSYS. Результаты анализа помогут определить распределение температуры и общий тепловой поток через головку при комнатной температуре.
Введение головки цилиндра двигателя
Двигатель — это механическое устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию. Почти все транспортные средства имеют двигатель. Двигатель играет важную роль в обеспечении мощности автомобиля. В соответствии с процессом сгорания топлива существует два основных типа двигателей.
Двигатели IC очень распространены во всем мире по сравнению с двигателями EC. В настоящее время эффективность двигателя IC вызывает большее беспокойство, чем раньше. Головка блока цилиндров двигателя IC имеет большое значение, поскольку именно она должна выдерживать высокую температуру.
- Поршень
- Впускные и выпускные клапаны
- Топливные форсунки
- Свечи зажигания
Тепловой анализ головки цилиндра является основополагающим, чтобы понять, насколько головка цилиндра двигателя может выдерживать температуру без усталости. При рассмотрении характеристик автомобилей выбор эффективной конструкции двигателя и производства в основном зависит от материала, который был выбран, и причина в том, что производительность двигателя внутреннего сгорания напрямую связана с тепловыми напряжениями. В термическом анализе свойства материалов изучаются путем изменения температуры. В настоящее время используются различные виды термического анализа, такие как DTA, DSC, DMA и т.д., и многие другие, но они имеют большое значение. Термический анализ определяется как зависимость материала от температуры, которая может быть запрограммирована.
- Тепловая нагрузка
- Высокое давление горения
- Конструкция охлаждения
В большинстве случаев усталость возникает в головке цилиндра двигателя при повышенной температуре, что приводит к авариям. Явления, происходящие в головке цилиндра и внутри цилиндра, очень сложны, например, форма блока цилиндров, очень высокое тепловое сопротивление между головкой цилиндра и блоком цилиндров и многие другие. Следовательно, рациональных методов недостаточно для дальнейшего анализа головки цилиндра. Головка блока цилиндров в двигателе IC выдерживает огромную температуру, чем любая другая деталь. Перед проектированием головки цилиндров необходимо провести тепловой анализ.
Тепловые напряжения в головке цилиндра возникают, когда максимальное растягивающее тепловое напряжение превышает напряжение разрушения на диаграмме напряжение-деформация. Термические напряжения имеют большое значение, так как при увеличении термического напряжения прочность детали снижается, а также оно вызывает усталость и приводит к износу. Поэтому необходимо поддерживать тепловое напряжение в пределах, не вызывающих усталости.
Вероятность возникновения аварии возрастает по мере снижения коэффициента безопасности для теплового напряжения. Поэтому такие программы, как Ansys и многие другие, полезны для моделирования и расчета таких параметров, как температура, тепловой поток, тепловое напряжение и многие другие. Результат, полученный с помощью программного обеспечения, не идентичен реальным результатам, но очень близок к ним. Но при этом было получено представление о поведении материалов.
Тепловые свойства двигателей всегда были наиболее важной областью для улучшения характеристик двигателя. Существует множество методов и инструментов для анализа характеристик двигателей, таких как CFD и ANSYS soft wares. В данном случае мы используем ANSYS workbench для анализа тепловых свойств, таких как температура и тепловой поток головки цилиндра двигателя IC.
Головка цилиндра двигателя используется для герметизации рабочих концов цилиндра и ограниченной камеры сгорания в ее полости, свечи зажигания и клапанов. Исследования показывают, что тепловой анализ проводится на обычной головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания, изготовленной из конструкционной стали с использованием инструмента анализа ANSYS 15.0.7. В этом анализе разработаны распределения температуры и модели теплопередачи для головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания с теплоизоляцией, интегрированной в ANSYS. Результаты показывают, что пиковая температура поверхности головки цилиндра с меньшей теплопроводностью стального материала увеличивается на 20-30 процентов.
Тепло, выделяемое в камере сгорания, имеет очень мало времени для передачи тепла из-за перегрева. Это эффективное распределение отработанного тепла играет жизненно важную роль в бесперебойной работе двигателей IC. Этот теплообмен состоит из теплопроводности через стенки и конвекции за счет окружающего воздушного потока. Результаты показали оценку высокотемпературных повреждений в критических областях. Результаты показывают очень высокие напряжения в головке клапана. Температура головки цилиндра двигателя и выходная мощность с расчетом высоких напряжений, в основном превышающих предел упругости, обнаружена в мосте клапана.
В двигателях внутреннего сгорания происходит сгорание топлива, при этом выделяется тепловая энергия. При этом тепло не полностью преобразуется в работу; только выработанная тепловая энергия преобразуется в полезную работу на коленчатом валу. Остальное тепло будет отводиться в виде излучения через границы двигателя, тепла выхлопных газов и тепла, отводимого в охлаждающую жидкость.
Головка блока цилиндров — очень сложная часть двигателя, которая испытывает высокие термические напряжения и механические нагрузки во время рабочих циклов. Клапанный мост является самой слабой частью головки цилиндров двигателя, поскольку горячий воздух проходит через выпускной клапан, а охлаждающий — через впускной. Усталость в этой части головки цилиндров является очень распространенной проблемой, которая сокращает срок службы головки цилиндров. Очень важно найти метод снижения ограничений теплового искажения в этой зоне.
Объект данного исследования показывает, что предельная температура горящих газов внутри цилиндра двигателя очень высока. Чтобы преодолеть перегрев, пиковая температура металлической поверхности, окружающей камеру сгорания, ограничивается значительно меньшими значениями. Для этого необходимо обеспечить охлаждение головки цилиндра, цилиндра, клапанов и поршня.
Температура и тепловой поток не являются консистенциями, возникающими из условий, которые переходят в тепловые давления, способствующие значительным механическим нагрузкам от давления сгорания. Стратегия головки блока цилиндров двигателя должна учитывать все эти проблемы для обеспечения бесперебойной работы двигателей. В данном исследовании нам потребовалась часть полной информации для анализа всех включенных процессов. Исследования показали, что модель сделана на 3D-программе твердотельного проектирования, в которой закреплены ребра; они регулируют ребра цилиндра двигателя и уменьшают толщину. Сделан вывод, что выбор материала является очень важной частью.
Максимальная температура сгоревших газов в цилиндре двигателя IC очень высока. Для предотвращения нагрева, главным образом температуры поверхностей, камеры сгорания ограничиваются меньшими значениями. Для этого к головке цилиндра, плите и поршням двигателя подводится источник охлаждения. Тепловые потоки и температуры, не консистенции, поднимающиеся от этих установок, вызывают тепловые напряжения, и это дополнительно увеличивает значительную механическую нагрузку от камеры сгорания.
Головка блока цилиндров двигателя является одним из основных компонентов двигателя IC, который непосредственно соприкасается с очень высоким давлением и температурами сгорания. Далее, всасывание и клапаны, сгорающее топливо и сложные пути охлаждения. Последствия всего этого приводят головку блока цилиндров в негодность, например, усталостные трещины и деформации из-за сильного нагрева в зонах с ограниченным охлаждением. Во время них напряжения на опасных участках повсеместно приходятся на седла клапанов и небольшие связи между клапанами. Эти области испытывают экстремальные тепловые нагрузки, так как они получают тепло не только от сгоревших газов внутри цилиндра через объем сгорания.
Температура всех этих газов, отводимых из цилиндра и клапанов, очень высока, и это очень вредно для работы двигателя. Движение этих быстролетящих газов чрезвычайно способствует передаче тепла стенкам. В основном тепло, которое накапливается в клапанах, отводится через соответствующие участки седла клапана. Эти эффекты значительно увеличивают тепловые напряжения и нагрузки на клапаны и приводят к повреждению деталей двигателя. Температурные и механические нагрузки на клапаны должны быть проанализированы по температурному полю и давлению.
Существует множество программ для термического анализа головки блока цилиндров, но одной из лучших является ANSYS. Это комплексное программное обеспечение CAE со многими возможностями, такими как структурный, тепловой и переходный анализ. Hyper Mesh также является хорошим программным обеспечением, но оно обеспечивает только создание сетки, но не полный анализ. В ANSYS также есть два продукта для анализа — Workbench и APDL. Механический APDL имеет хороший диапазон результатов и подходит только для простой геометрии; с другой стороны, Workbench подходит для сложной геометрии, но результаты не такие точные. В этом проекте мы используем Ansys Workbench для анализа головки цилиндра двигателя.
Методология
Модель головки блока цилиндров двигателя IC создается в SOLIDWORKS 2018 и импортируется в ANSYS для термического анализа. Простая сетка была создана с помощью ANSYS 15.0.7, и далее были применены граничные условия для получения результатов распределения температуры, теплового потока и других параметров. Твердотельная модель отрисована с помощью Photo View 360.
Рис: Головка цилиндра, смоделированная в SOLIDWORKS 2018
Результаты
Анализ модели выполнен в ANSYS 15. В этом моделировании используется конструкционная сталь, а граничные условия приведены ниже.
Температура внутренней части составляет 900℃, а анализ проводится при комнатной температуре, которая составляет 25℃. Значение конвекции составляет 1,25 Вт/м 2 . ℃.
Рис 1: Сетчатая геометрия
Приведенная выше диаграмма (рис. 1) представляет геометрию зацепления головки двигателя.
Рис 2: Импортированная модель ANSYS
Приведенная выше диаграмма (рис. 2) демонстрирует импортированную модель в Ansys.
Рис 3: Наложение температуры
На приведенной выше диаграмме (рис. 3) показана форма головки двигателя, когда мы приложили к ней температуру.
Рис 4: Применение конвекции
Приведенная выше диаграмма (рис. 4) представляет процесс конвекции в программе Ansys.
Рис 6: График переходной температуры
Приведенный выше график (рис. 6) представляет собой график переходной температуры во время анализа головки двигателя в программе Ansys.
Рис 7: Стационарный тепловой анализ
Приведенная выше диаграмма (рис. 7) представляет собой тепловой анализ головки двигателя в установившемся режиме.
Рис. 8: Общий тепловой поток
На рисунке выше (рис. 8) представлен общий тепловой поток.
Рис. 9: Тепловой анализ в установившемся режиме
Приведенная выше диаграмма (рис. 9) также представляет собой тепловой анализ в установившемся режиме в программе Ansys.
Рис 10: Тепловой график головки блока цилиндров двигателя
Приведенный выше график (рис. 10) демонстрирует тепловой анализ клапана после анализа.
Рис 11: Глобальная максимальная температура
Приведенный выше график (рис 11) демонстрирует глобальную максимальную температуру после анализа в программе Ansys.
Рис: Общий тепловой поток головки цилиндра двигателя
Из приведенных выше результатов решения следует, что температура с увеличением времени постепенно увеличивается, а затем становится постоянной. Максимальная температура головки цилиндра двигателя составляет 1286,6℃. С течением времени минимальная температура составляет -34,35℃. Общий тепловой поток уменьшается с увеличением времени.
Заключение
В данной работе проведен тепловой анализ головки блока цилиндров двигателя с использованием конструкционной стали для определения поведения температуры в головке блока цилиндров и общего теплового потока, который дает наилучшие результаты по всей головке. Для данной работы головка цилиндра двигателя смоделирована в SOLIDWORKS 2016, а тепловой анализ головки цилиндра выполнен в ANSYS 15.0.7. Из приведенных выше результатов видно, что конструкционная сталь является лучшим материалом для головки цилиндра, поскольку она нормально ведет себя при высоких температурах. Что касается практического применения, то почти все головки цилиндров изготавливаются из конструкционной стали. Из приведенных выше результатов видно, что тепловые напряжения находятся в контролируемом диапазоне даже при высокой температуре 900℃, приложенной к внутренней части головки.
