排气歧管

2024-10-26

排气歧管（精选7篇）

排气歧管篇1

1 概述

目前, 排气歧管所用的材料有:蠕墨铸铁、Si-Mo球墨铸铁、加V的Si-Mo球墨铸铁、奥氏体球墨铸铁和耐热钢。造成排气歧管失效的原因很多, 其中一种是热疲劳失效。零部件在交变热应力的反复作用下最终产生裂纹或破坏的现象叫热疲劳。在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化, 降低了材料的热疲劳抗力;高温促使表面和裂纹尖端氧化, 甚至局部熔化, 加速热疲劳破坏;零件截面上存在温度梯度, 特别是厚壁零件温度梯度更大, 在温度梯度最大处造成塑性应变集中, 发生热疲劳破坏。热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态和材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐则越容易发生热疲劳, 即在材料和结构中, 由温度梯度和不均匀膨胀的循环变化产生的循环热应力和应变所导致的疲劳损伤。

2 失效情况和理化检验

2.1 排气歧管失效情况

试验条件:冷热冲击试验400+300 个循环, 排气温度900 ℃。

失效特征:a.出现开裂现象, 裂纹细小, 数量较多, 主要位于排气歧管上方的两个螺纹孔的圆角处的外部, 见图1~图3;b.剖开后观察内部发现明显裂纹 (图4) , 所有裂纹的位置较为集中;c.排气歧管的螺栓搭子均有不同程度的变形情况, 见图5。

2.2 理化检验

2.2.1 金相组织检验

检验结果满足技术要求, 见表1、图6。

2.2.2 硬度检验

硬度检验结果见表2, 满足技术要求。

2.2.3 元素含量检验

该排气歧管的材料为Ni35Si5Cr2, 其检验结果见表3, 结果满足标准要求。

3 分析和结论

3.1 分析

图7 为“门”型结构热疲劳变形及开裂示意图。门型结构在很多零件中都能见到, 在零部件失效当中更为多见, 是典型“危险”结构的一种。

其特点如下。

a.零件的整体或部分结构类似“门”形。

b.零件受到循环热应力反复作用。

c.“门”的两个下角一般为强力固定, 即对整个门形成了很强的约束。

d.零件受热后一般由门的两个上角开始向外产生变形, 冷却时又向中间收缩, 如此反复进行, 最终将门顶部或结构尖锐等应变集中处破坏。

3.2 对比

将该排气歧管开裂的情况与门型失效结构进行对比。

a.该排气歧管部分结构类似“门”形, 见图1 中的方框。

b.该排气歧管受到冷热冲击的反复作用。

c.该排气歧管的下角有螺栓进行固定, 螺栓搭子均有不同程度的变形情况, 说明排气歧管受冷热冲击后变形较大, 致使螺栓搭子受力后变形, 见图5。

d.该排气歧管的两个螺纹孔的内弯角处出现裂纹, 见图2、图3。

根据以上对比, 可以判定该排气歧管是典型的“门”型热疲劳失效结构。

3.3 结论

综合判定该排气歧管开裂的性质应该属于热疲劳开裂, 裂纹源产生在排气歧管上方的两个螺纹孔的内弯角处。

4 结束语

金属材料的热疲劳不但与零件的工作温度和材料性能有关, 同时零件的结构也很重要, 不同的结构就会有不同的效果。所以, 尽量避免危险结构的设计是提升零件使用寿命的重要因素。

摘要：排气歧管是汽车的重要零件之一, 是汽车废气排放的首要通道, 其在台架试验和汽车行驶中也会出现失效损坏, 同时失效的原因也有很多。为了减少排气歧管发生失效损坏的情况, 需要通过相关检验和结构分析找出失效原因并提供给设计师, 以对其进行优化设计。本文对在冷热冲击试验后损坏的某奥氏体球墨铸铁排气歧管进行了宏观、理化等常规检验和典型危险设计结构的对比分析, 得出了该排气歧管的失效原因为热疲劳失效, 并向设计师提出了避免危险结构设计的重要性。

关键词：发动机,排气歧管,损坏,原因,分析

某车型汽车排气歧管断裂失效分析篇2

发动机排气歧管是发动机排气系统的重要部件之一,它的工作情况不仅关系到发动机的可靠性能及耐久性能,并且还影响发动机的排放性能。随着发动机技术的不断提高,且排气温度不断升高,中硅钼耐热蠕墨铸铁具有优异的抗热疲劳性能[1,2],是制造排气歧管的理想材料。

某车型排气歧管选用了EN-GJVSi Mo4.5-0.6蠕墨铸铁,管壁厚为4.0 mm,法兰面厚度为12 mm,材质为欧洲耐热铸铁牌号,基体组织要求珠光体≤5%,蠕化率≥50%,余为球状石墨,硬度要求为HB205-255所规定范围。在西南及西北地区进行可靠性及耐久性试验,该车行驶至7 000 km加速时出现异响,但一直未找到原因,汽车行驶至10 000 km正常起动后发动机噪声大,检查发现在发动机的第一缸法兰处排气歧管断裂,为了查明断裂原因,对该零部件进行了失效分析。

2 检验结果

2.1 化学成份检测

失效排气歧管的化学成分分析结果见表1。

由表1数据可知,失效排气歧管的材料符合技术要求。

2.2 宏观断口形貌

断裂排气歧管有四个入口和一个出口,断裂位置在排气歧管的第四缸出口的法兰面处,裂纹起源于管壁与法兰面的交接处,从断口形貌可明显看到有放射条痕,断口颜色呈黑色(图1),黑色物质属排气积碳层,断口边沿无塑性变形,属热疲劳断口。

2.3 硬度及金相检测

在失效件断口处取样进行硬度及显微组织试验,硬度检测结果为HB210,金相试样经抛光处理后,依据GB/T26655-2011《蠕墨铸铁件》进行评定,试样中石墨分布极不均匀,有粗大片状、细片状石墨(图2)、蠕虫状石墨(图3)、团状及团絮状石墨(图4),无球状石墨,其中片状石墨达到60%以上,蠕虫状石墨占30%左右,团状及团絮状石墨占10%左右,片状石墨的最大长度160μm。断口边缘的石墨全部为粗大的片状石墨(图5),试样经4%硝酸酒精侵蚀后观察,基体组织为铁素体与少量的珠光体,如图6所示,部分铁素体呈铸态分布,珠光体的数量小于5%。

2.4 零部件温度场分析

通过对开裂排气歧管进行温度场模拟分析,可以初步了解该零件各个温度场分布情况,再通过实际使用路况、环境及试验检测进一步分析确定该零部件的实际使用温度及产生开裂的真正原因。根据排气歧管内外流场的计算结果,将其温度(T)和换热系数(HTC)映射到有限元面网络 ,利用ABAQUS进行求解,得到其温度分布见图7,在排气歧管与增压器连接处及附近温度最高,基本为742℃,而缸体法兰连接处温度较低,最低146℃。通过600 h热循环试验证实,增压器连接处及附近最高温度832℃,法兰连接处最高温度281℃。

3 分析与讨论

3.1 路况分析

综合以上分析结果可知,失效排气歧管的材质及硬度符合技术要求;断口分析表明,断裂属热疲劳,这与排气歧管经历的温度变化及应力分布有直接关系。该车型在西南和西北地区进行试验,失效的时间又在夏季,我国的西南和西北地区多属山地和高原地区,天气高湿高热以及缺氧等自然条件导致发动机燃烧不充分,同时基于路况较复杂,多为陡坡路况,行驶长坡路时要求大负荷、低速运行以及长时间在高温高湿环境下运行后停机时间等的影响导致发动机长时间超负荷运行。另外,从温度场分析的结果可以推测,排气歧管四缸汇集处附近的最高温度已超过800℃,但断裂位置却并不在此,说明断裂并非单纯由热应力引起。

3.2 材料及应力分析

金相分析表明,失效件的蠕化率低于技术要求,同时有粗大的片状石墨存在,石墨呈片状时,有利于氧化性气体渗入铸件内部,产生内氧化,引起铸件的生长,特别是在750~850℃范围内反复加热会发生体积显著膨胀,与法兰连接处热膨胀相比,排气歧管与增压器连接处附近的热膨胀较较大,法兰连接处将受到拉应力作用。由于热胀冷缩不均匀,排气歧管外侧的第一与第四气道膨胀量加大,中部的第二与第三气道膨胀量变小,导致排气歧管变成弓形,第一与第四法兰连接处受到的拉应力较大;这两处由于紧固螺栓的约束,限制了排气歧管的自由膨胀,易出现热疲劳[3],法兰面与管壁交接处有截面突变,存在应力集中,这正是排气歧管断裂的位置。

4 结论

a.排气歧管断裂属热疲劳断裂。

b.造成排气歧管断裂的原因是材料的蠕化率过低及存在粗大片状石墨。

c.针对排气歧管失效原因采取措施如下。

细化排气歧管的技术标准,将蠕化率提高至大于60%,不容许出现片状石墨及白口组织,并将蠕状石墨和球状石墨的大小控制在4~8级。通过优化和改进铸造工艺,生产出符合技术标准的排气歧管,在实际使用中,至今未发现有断裂现象。

摘要：某车型汽车进行可靠性及耐久性试验时,行驶至10 000 km后发生发动机排气歧管断裂失效,通过对其化学成分、硬度及金相组织进行研究分析,发现其排气歧管因蠕化率过低,且存在粗大片状石墨,在恶劣的工况下发生热疲劳断裂。针对其失效原因进行深入分析,并提出了预防及改进措施。

关键词：排气歧管,断裂失效,热疲劳

参考文献

[1]段汉桥,袁福安等.新一代汽车发动机蠕墨铸铁排气管的开发研究[J].汽车科技,2002(3):13-16.

[2]金永锡.中硅钼耐热蠕墨铸铁排气歧管材料和工艺探讨[J].现代铸铁,内燃机工程,2006(1):32-41.

基于UG的排气歧管的分析篇3

UG NX流体运动仿真 (NX Flow) 就是用计算流体力学来准确、高效地仿真流体运动。一个基于元件的有限量CFD方案通过解算Savier-Stock方程式来计算三维流体的速度、压力和密度等参数。

1 问题描述

排气歧管 (如图1所示) 一般是汽车排气系统里面结构较为复杂的部分, 因为其对长度、弯度和口径等尺寸形状的要求严格, 令开发和制作的成本很高, 同时排气歧管的设计优良与否对整套排气系统的吸排作用效果有着决定性的影响, 从而也对发动机的性能发挥有着一定程度的影响。本文以常见的四缸发动机排气歧管为分析对象, 排气管采用两根排气歧管先汇总成一根管, 再与另外两歧管汇总成一根管汇总成一条排气管的四出二出一的设计, 有利于低速时的扭力输出, 较适合日常行车只用。

2 排气歧管仿真分析

2.1 创建流体分析计算域

在UG建模环境下, 建立如图1的歧管模型。然后通过抽取体和删除面命令, 最终得出流体分析的计算域, 如图2所示。

2.2 创建有限元模型

进入UG的高级仿真环境, 在新建FEM命令, 选择NX Thermal/Flow模板, 在分析类型中选择流, 即可进入创建有限元模型的环境。

2.3 指派材料属性及划分网格

给计算流域指派材料为air, 密度:1.207e-009kg/mm3, 动力粘度:1.85e-008, 摩尔质量:0.02897 kg, 气体常数:2.87e+008micro J/kg K。创建3D网格收集器:Solid (1) 。对计算流域创建3D四面体10节点网格, 单元格系统自动指派大小为11.7mm。对于运动情况较复杂的流体, 如果运动较为紊乱, 则流体与壁面接触区域必须要比较精细, 一则是为了分析的精确性;二则为了后处理的需要。所以手动指派网格大小为5mm, 对网格精细划分, 以提高解算的精度。并勾选自动修复有故障的单元选项, 网格收集器手动选择为Solid (1) , 然后其他选项保存默认。网格划分结果如图3所示, 网格类型:3D, 网格中的单元数:95808, 网格中的节点数:149508, 网格方法信息Element Type:TET10。对有限元模型网格划分进行检查, 结果:0个失败, 0个警告, 说明网格划分质量很高, 符合要求。

2.4 创建仿真模型与解算方案

在仿真导航器中, 右击fem文件节点的, 新建sim仿真文件, 在模板列表中选择NX Thermal/Flow, 默认其他的选项设置。在解算方案栏下保持求解器为NX Thermal/Flow, 分析类型选择流, 解算方案类型选择高级流, 用连续求解器求解, 湍流类型设置为混合长度, 解算方案类型为稳态分析。在条件环境标签下, 把重力方向设置为Z轴负方向, 保持其他选择不变。

2.5 施加边界条件和约束

选择仿真导航器里面选择sim节点作为工作部件, 在流边界条件对话框里, 设置歧管的4进口及旁路进口类型为入口流, 模式为速度, 表达式为1000mm/s, 外部条件为环境光。然后, 选择总管大出口面, 设置其类型为开口, 其他保持默认设置。

2.6 方案求解及后处理

对方案进行求解, 得到速度云图, 如图4所示, 由速度云图可知, 流速最大值为2198.258mm/s, 单元编号为142999, 最大流速出现在旁路排气管的转折内圆角处, 且旁路管进口部位附近流速都比其他部位大, 在此处气体流动局部损失会比较大, 需要进行设计优化, 降低流速, 把动压转变成静压, 减少流动阻力损失;流速最小值为14.859mm/s, 单元编号为148484, 最小流速位于总管出口处。四个主排气管流速数值分布比较接近, 说明设计合理。利用结果测量命令对流速、压力进行提取, 结果如表1。

3 结语

通过对排气歧管抽取计算流域, 建立有限元模型施加边界条件等前处理, 求解和分析等后处理, 得出了流动的速度云图, 分析了排气歧管速度的大小分布, 同时也给出了静压力和总压力的平均值和最大值, 以及最大值的单元格编号。为排气歧管的机构设计和优化提供了参考。

参考文献

[1]胡仁喜, 康士廷.UG NX8.5动力学与有限元分析从入门到精通[M].机械工业出版社, 2014.

[2]沈春根, 王贵成, 王树林.UG NX7.0有限元分析从入门与实例精讲[M].北京:机械工业出版社, 2010.

排气歧管篇4

汽车发动机进、排气系统的结构和流动性能的优劣,直接影响到发动机的动力性、经济性和排放性,是发动机中的关键部分之一[1]。在设计进、排气歧管时,为了不使各缸排气相互干扰以及不出现排气倒流现象,并尽可能地利用惯性排气,应使排气歧管的内表面光滑,降低排气阻力,而且各缸歧管应相互独立。通过计算各支管流量的均匀性以及流场的流通性来衡量排气歧管设计的好坏,各支管流量越均匀,流场流通性越好,则发动机的性能越好[2]。

对于实际的排气歧管,特别是复杂结构的排气歧管,其内部的气体是三维、非定常的流动,其流场如何变化,速度、压力及温度如何分布,目前却鲜有报道。本文针对捷达汽车2V发动机排气歧管,建立了气体流道的三维结构模型,计算了三维CFD稳态分析,并根据气道的压强、速度矢量图分析了其结构对排气有效性的影响,最后简单地提出了结构优化方法。

1 排气歧管的CFD计算过程

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其基本思想可归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,如速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

排气歧管CFD计算过程可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对高温废气流动的数值模拟。无论是稳态问题,还是瞬态问题,其求解过程都可用图1表示。如果所求解的问题是瞬态问题,则可将上图的过程理解为一个时间步的计算过程,循环这一过程求解下个时间步的解[3]。

2 排气歧管的FLUENT分析

本文采用的是计算流体力学中的FLUENT软件,它是一个用于模拟和分析在复杂几何区域的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。它提供的非结构网格生成程序,对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格;三维的四面体、六面体及混合网格。FLU-ENT在此主要是用来计算排气歧管的流场问题,其计算过程是在空间上用有限体积法或其他类似方法将计算域离散成许多小的体积单元,在每个体积单元上对离散后的控制方程组进行求解。

2.1 数值模拟

Fluent中提供了这两种数值求解方法:分离求解法和耦合求解法。本文中采用的是分离求解法,与耦合求解法相比,它具有耗时少,节省计算资源等优点。在求解过程中,采用的湍流模型是标准模型,而离散方式(也就是插值方式)采用的是空间离散的高阶离散格式二阶迎风格式。

2.2 几何模型

捷达汽车2V发动机排气歧管的结构,如图2所示。

通过观察分析和测量,利用pro/e软件建立了其气体流道的三维结构模型,如图3所示。

为了便于后面的流场分析计算,在此,将下面的四个端面从左到右依次称为排气歧管气体的支管1、2、3和4,上面的两个端面从左到右依次称为气体出口1和2。

2.3 控制方程

气体流动要受物理守恒定律的支配,基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。而控制方程就是这些守恒定律的数学描述,如果用准表示通用变量,各控制方程都可以表示成以下通用形式:

其中,u为速度,t是时间,ρ为气体密度,Г为广义扩散系数,S为广义源项。各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项,对于特定的方程,准、Г和S具有特定的形式[4]。

2.4 网格划分

网格是CFD模型的几何表达形式,也是模拟与分析的载体,网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。将模型导入GAMBIT中,它提供了多种网格单元,根据三维模型的结构,在此采用的网格单元为Tet/Hybird(主要由四面体网格构成,在适当位置也有六面体单元),而网格类型则为TGrid(混合网格),进行网格的自由划分,总单元数为89238个。通过FLUENT中的网格检查结果中发现最小体积是正值,保证了网格划分的合理性。

2.5 边界条件

所谓边界条件,是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数虽地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题,才可能计算得出流场的解。常用的流动进出口边界类型包括速度、压力和质量进出口边界。

本文采用的边界条件是入口为质量进口边界,其入口流量为500 g/s,温度1123k,工作压强为0Pa。流动出口边界条件是与进口边界条件联合使用的,所以其出口的边界条件可设为压强0.85Pa,温度1123k。由于排气歧管进出口的温度几乎不变,所以取值相同。壁面为无滑移速度条件,采用壁面函数法。壁面函数法实际上是一组半经验的公式,用于将壁面上的物理量与湍流核心区内待求的未知量直接联系起来。其对流换热系数取为。

3 计算结果分析

在计算的过程中,假设排气系统中的气体流动为三维、稳态、湍流流动的理想空气。而为了观察每根分管的流动特征,分别对4个支管的入口依次施加边界条件。

支管1:

从图4可以看出,当迭代次数达到130左右的时候,出口流量就达到了稳定。也可通过残差功能来观察结果是否收敛。而图5和6分别是入口1的压强与速度矢量图。

从图5中可以看到,气体从入口1流入,从出口2流出,也流向了支管4,而支管1的外壁面压强较大。而从图6中可以看到气体流动的速度矢量图,图7是它的局部放大图,从图中的圆圈内可以看到气体的速度方向有向下的趋势,说明在该部分气体有回流现象的发生,通过修改其结构尺寸,再进行流场的分析计算,以此达到减小回流现象的发生,使气体的流动更顺畅一些,进而达到对其结构优化的目的。

支管2:

对其施加与入口1相同的边界条件,也可以得到其流场的分析结果,如图8和图9所示。支管2和3的气体同时流向一个出口1,所以当入口2流入气体时也会流向支管3。从图8中可以看到,其压强分布比较均匀;而且从图9中可以看到速度的方向也比较一致,均指向出口1,所以支管2设计较合理一些。

同样地,从上面的压强分布图也可以看出,支管的外壁压强比内壁的压强较大一些,而速度矢量也较均匀,设计比较合理。

4 结论

⑴描述了计算流体力学(CFD)的基本思想及排气歧管CFD计算过程。

同样的,以下是支管3和支管4的压强及速度矢量图。

支管3:

支管4:

⑵建立了气体流道的三维结构模型,利用GAMBIT划分网格并施加边界条件,最后用FLU-ENT进行分析计算其流场,得到每根分管的压强及速度矢量图。

⑶通过速度矢量图的局部放大,可以看到支管中气体发生回流的地方,通过修改其结构尺寸来减小回流现象的发生,以此达到结构优化的目的。

摘要：本文以捷达汽车2V发动机排气歧管为例,运用pro/e建立了气体流道的三维结构模型,并采用计算流体力学(CFD)中的FLUENT软件对其进行了流场分析,得出排气歧管每个支管的压力分布图以及速度矢量图。通过观察支管的速度矢量图,找出气体发生回流现象的地方,将其结构尺寸进行修改,以达到减小回流现象的发生,从而使排气歧管的结构达到优化。

关键词：汽车排气管,计算流体力学,流场分析

参考文献

[1]常思勤.汽车发动机气道流动模拟的数学模型与数值算法[J].武汉汽车工业学学报.1996,18(4):1-5.

[2]李湘华,张小姣.柴油机排气歧管流场分析与结构优化[J].柴油机.2006,28(4):25-27.

[3]王福军.计算流体动力学分析[M].北京,清华大学出版社.

[4]程芳,谭伟.多种数据采集方式在汽车排气歧管逆向设计中的应用[J].机床与液压2007,35(9):68-73.

[5]马帅营,陈传举,王雅丽.发动机排气歧管稳流试验研究[J]内燃机与动力装置.2008,5:11-15.

排气歧管篇5

通过三维CFD软件FIRE计算某型汽油机的铸铁排气歧管内部的气体流动情况。该计算为瞬态计算, 在排气歧管的进出口设置质量流量边界, 其周期性的流量及温度边界数据来源于一维热力学软件BOOST的计算结果。

为了评估排气歧管在各工况下的气流流动情况, 我们选择了三个典型工况点进行评估, 即额定工况 (4 850 r/min) 、倒拖工况 (4 850 r/min) 以及怠速工况 (700 r/min) 。对于每个工况点, 都计算四个发动机循环, 以保证计算的收敛性。

1 CFD分析方法

1.1 计算模型

一般来说, 排气歧管的计算都只是分析歧管本身。但是由于对一个CFD分析来说, 边界条件的准确性直接决定了整个计算的精确性, 而如果只是排气歧管本身作为计算模型的话, 我们很难在歧管入口给出准确的气流分布情况。因此, 为了保证进入排气歧管的气流与实际情况相符, 在排气歧管的计算模型前加上排气道的模型, 则整个计算域的模模型型见见图图11。。

1.2 热力学边界条件

一维热力学计算的主要目的就是给三维计算提供精确的边界条件, 边界条件的准确与否直接决定了三维计算的准确性, 因此一维热力学计算是整个排气歧管CFD分析中十分重要的一步。

图2所示的是在BOOST中搭建的一维热力学计算模型, 其中测点CY1, CY2, CY3, CY4表示四个缸排气道的进口, 测点MP12, MP13, MP14, MP15分别是排气歧管四个缸支管的进口, 而测点MP6则表示排气歧管的出口。

1.3 计算网格的生成

我们采用FIRE自带的半自动网格生成器FAME ADVANCED HYBRID进行CFD网格的划分。该网格划分工具能够生成以六面体为主的网格 (六面体约占85%以上) , 加上少量的金字塔网格、四面体网格。

为了满足计算的精度, 同时又要尽量减少计算的时间, 对于不同的工况划分不同数目的网格模型。其中对于气体流量较高的工况 (额定工况以及倒拖工况) 划分更精细的网格, 网格数约为36万;而对于气体流量较小的工况 (怠速工况) , 则采用更粗的网格模型, 网格数仅为7.3万。

1.4 计算设置描述

由于排气歧管主要用于将缸内燃烧的废气排出气缸, 其受到的热负荷较大, 因此, 排气歧管主要考查其承受高热负荷工作的能力, 所以排气歧管的分析需要考虑整个发动机循环。而整个发动机循环过程中, 排气歧管内部的气流每时每刻都不同, 因此, 排气歧管的计算是瞬态的。

对应于瞬态计算模式, 其余计算设置为:设定管内空气流动为可压缩粘性湍流流动, 不考虑损失项, 将空气视为理想气体。湍流模型选择kzeta-f方程, 因为此方程计算精度更高。离散格式选择迎风离散, 而压力与速度耦合算法选择SILMPLE。

2 计算结果分析

2.1 额定工况

图3为排气歧管换热系数分布云图。从图中可以看到, 局部换热系数主要在613~1 590 W/ (m2·K) 之间。其中换热系数最高的部位分布在排气歧管三、四缸之后与排气总管结合的部位。经过加权平均, 额定工况下排气歧管近壁表面的平均换热系数为1 020 W/ (m2·K) 定工况来说, 较高的换热系数有利于排气歧管的散热, 而此排气歧管的换热系数高达1 020 W/ (m2·K) , 是非常理想的数值。

图4为排气歧管温度分布云图。从图中可以看到, 近壁面气流的温度在757~930℃之间。其中温度最高的部位出现在三四缸支管的结合部分 (图中圆圈所示) 。而排气歧管近壁面的平均温度为875℃, 这是铸铁排气歧管可以承受的范围。

2.2 倒拖工况

图5、图6分别是倒拖工况下排气歧管换热系数分布云图以及温度分布云图。由于倒拖工况即发动机不点火, 通过电机拖动发动机达到额定工况转速 (4 850 r/min) 的一种评价工况。因此, 尽管其转速与额定工况相当, 但是由于发动机没有点火, 所以其热负荷明显比额定工况低得多。

从图中可以看到, 倒拖工况下排气歧管的局部换热系数主要在243~421 W/ (m2·K) 之间, 而其平均换热系数为333 W/ (m2·K) 。近壁面气流的温度在270~335℃之间, 其平均温度为316℃。

2.3 怠速工况

图7、图8分别是怠速工况下排气歧管换热系数分布云图以及温度分布云图。从图中可以看到, 怠速工况下排气歧管的局部换热系数仅在35~73W/ (m2·K) 之间, 而其平均换热系数只有53 W/ (m2·K) , 明显比额定工况和倒拖工况小。但在怠速工况下, 排气歧管近壁面气流的温度在281~376℃之间, 其平均温度为343℃。虽然比起额定工况小很多, 但是却高于倒拖工况。这是因为虽然怠速工况转速比倒拖工况小很多, 但是怠速工况下发动机仍然点火燃烧, 而倒拖工况是由电机拖动的, 发动机并没有点火。尽管其转速比怠速工况大得多, 其热负荷却比怠速工况低。

3 结论

通过对排气歧管的内流场进行数值分析, 分别得到了额定工况、倒拖工况以及怠速工况, 歧管内部的换热系数以及温度分布。其中额定工况下换热系数和温度均最高, 但是数值都在一个合理的范围内。而倒拖工况的换热系数高于怠速工况, 其温度略低于怠速工况。

这种应用CFD技术对排气歧管进行研究的方法, 不仅能够获得歧管内部的宏观流动特性, 而且能够获得内部流场的大量微观信息, 为排气歧管的优化设计和改进提供有利依据。

摘要：首先通过一维热力学软件BOOST计算排气歧管的边界条件, 然后通过三维CFD软件FIRE计算排气歧管内部的气体流动情况。该计算为瞬态计算, 选择了额定工况、倒拖工况以及怠速工况三个典型工况点。通过计算, 得到了排气歧管的换热系数分布以及温度分布。

关键词：CFD,排气歧管,换热系数,温度

参考文献

[1]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[2]郭立新, 韩颖, 惠涵, 等.CFD-FE耦合计算分析某汽油机排气歧管热负荷[J].现代车用动力, 2009, (2) .

排气歧管篇6

1 对排气歧管所用材料的特殊要求

排气歧管不同于一般耐热件, 其受热特点表现在管内、外间的温差大, 表面温度在150~200℃左右, 而内腔温度高于900℃。针对20世纪90年代美国制定的大气净化法案 (汽车排气标准) 和欧Ⅳ排放标准, 今后的发动机排气温度会越来越高。同时, 排气歧管经受排出的高温气流的热循环冲击, 以及行驶中恶劣的气候条件等, 要求发动机排气歧管的材料更加耐热、耐氧化, 排气歧管应具有良好的中、高温机械性能和使用性能。随着汽车发动机功率的不断提高和排气温度的升高, 排气歧管的热载荷不断增加, 因而要求发动机排气歧管需具有高温耐氧化性、高温抗生长性、良好的热疲劳性等。此外, 为提高排气净化所用催化剂的作用, 排气歧管还应具有低热容性。为了便于加工, 还应具有良好的加工性和可焊性。排气温度与燃料之间的关系见图1。

(1) 抗氧化性与抗生长性

高温氧化是指金属在高温下与氧、硫、卤素等的气体接触时发生反应, 在其表面上生成氧化物、硫化物、卤化物等固体膜的过程。为提高合金的抗氧化性一般采用往基体中加入一些与氧亲和力大的元素的方法, 促使其在表面形成氧化膜或形成内氧化。对抗氧化性的判定一般采用称重法和测氧化皮厚度法来衡量抗氧化性。

在高温下工作时, 铸铁件还会发生特有的一种不可逆的体积增大的过程, 并同时发生翘曲、龟裂, 甚至完全破坏。这种体积膨胀称为生长, 其值通常可达5%~12%, 有时甚至达到30%~50%。铸铁发生生长时还伴随着力学性能的急剧降低, 因此对于在高温下工作的汽车排气歧管, 抗生长性和抗氧化性一样重要。抗生长试验主要在抗氧化试验的条件下测量相对生长率。

(2) 热疲劳性

由于高温和温度分布不均匀以及汽车经常涉及到加速、减速、停止和起动, 从而产生热应力的反复作用, 这种循环加热、冷却或温度的急剧变化常常会产生热应力。这种情况下往往形成热疲劳裂纹, 通常在高温下的氧化、生长以及组织转变过程都会使铸铁的强度急剧降低。同时, 在循环热应力的作用下经常会在排气歧管内产生疲劳裂纹。因此, 排气歧管又应具有耐高温疲劳性能。耐高温疲劳测试一般采用通过将试样加热到一定温度保温一定时间后水冷到室温, 反复进行直到出现第一条裂纹的耐热冲击次数来评定。

2 排气歧管常用材料

随着发动机排气温度的不断提高, 推动了排气歧管使用材料不断发展 (见表1) 。欧美发达国家汽车发动机用排气歧管材质主要经历了普通灰铸铁、高强度灰铸铁、普通球铁、蠕墨铸铁、不锈钢、高硅钼球铁的发展过程。而我国汽车发动机排气歧管使用的材料经历了由普通灰铸铁、高强度灰铸铁、普通球铁、蠕墨铸铁、合金铸铁、不锈钢的发展过程。下面分别介绍各类材料的性能特点、使用状况及其发展前景。

(1) 普通灰铸铁

1973年以前, 由于大多数汽车发动机的排气歧管是在低于500℃温度的条件下工作, 对材料的高温氧化和防止珠光体分解的影响不大。因此, 选用普通铸铁, 包括加入铬、钼 (0.3%~0.7%) 的普通灰铸铁就可满足使用要求。普通灰铸铁一般指珠光体类型的灰铸铁, 其强度、耐磨性、耐热性均较好, 减振性良好, 铸造性能较优, 被国内许多汽车制造厂应用到发动机排气歧管上。尤其是HT200和HT250, 其最高工作温度一般在540℃左右。国外一般采用的铸铁材料相当于我国的HT250, 金相组织为98%以上的珠光体。灰铸铁的金相组织是影响其性能的主要因素, 特别是碳元素的形态直接影响到灰铸铁作为排气歧管材料时的性能。为保证良好的铸造工艺性能, 在化学成分的控制上采用较高的碳当量 (3.9%~4.1%) 。

过去制造排气歧管, 灰铸铁是一种可接受的材料。但是对于新型发动机来说, 发动机的工作温度会远远高于灰铸铁的工作温度, 这种情况下会导致排气歧管中部分片状石墨周围的珠光体中的渗碳体已经分解并向石墨片扩散, 并且其性能也显著下降 (见图2) , 表明该机型的排气歧管已经不适合使用灰铸铁材料。

(2) 高强度灰铸铁

随着汽车工业的不断进步, 发动机正向大功率、高速度和轻量化方向发展, 对发动机气缸体、排气歧管等零部件提出了更高的要求。对于如何提高灰铸铁强度, 国内外铸铁研究者做了大量的研究工作, 根据我国的生产管理水平和原材料供应情况, 采用低合金化是发展高强度灰铸铁现实而又可靠的途径。合金元素按增强硬度的大小排列为:钒、钼、铬、镍等;此外, 稀土元素对提高灰铸铁的强度也有积极的作用。铬、钼、铜的加入量与灰铸铁强度的关系见图3。

我国在高强度灰铸铁的研究和生产技术上相比国外还有一定的差距。主要表现为:a.强度低, 同样化学成分的铁水生产出来的铸件, 强度比国外低1~2个牌号;b.铸造工艺落后, 铸件壁厚大, 质量大;c.断面敏感性大, 机械加工性能较差。

(3) 球墨铸铁

铸铁基体中大约含有12%~14%的石墨。石墨按形态分类, 有片状石墨、球状石墨、蠕虫状石墨、团絮状石墨。球墨铸铁以其含有球状石墨而得名。球墨铸铁的诞生是继人类发明炼钢技术之后, 在黑色金属应用技术方面又一次大的技术创新, 是20世纪材料科学最重大的技术进展之一。最新公布的资料表明, 现代球铁是美国国际镍公司 (INCO) 青年科研人员麦里斯 (K.D.Millis) 首先研究成功的。球墨铸铁生产工艺简单, 铸造性能比铸钢好 (但比灰口铸铁差) , 成本低。因此, 球墨铸铁曾被汽车制造业认为是另一种较适合的排气歧管材料。

津田昌利等曾研究了不同石墨形态对铸铁的抗氧化性的影响, 认为石墨球化后可以显著提高耐热性。灰铸铁主要是片状石墨在基体内相互交错连接, 这对高温时铸铁的氧化、生长提供了很好的条件。铸铁氧化后, 一般沿石墨片方向进行扩散生长, 而球墨铸铁的石墨以圆弧存在于基体中, 不会像片状石墨那样引发氧化生长, 故此球墨铸铁抗氧化生长较灰铸铁要好, 蠕墨铸铁居中。虽然球状石墨影响铸铁的性能, 但石墨球数多少及球状石墨的大小也影响韧脆转变特性。这是由于石墨一方面成为裂纹的萌生地, 另一方面又有阻止裂纹生长的作用。

为了得到不同性质的合金, 合金化是最直接的方法, 一般加入铬、镍、钼、钨、钒等元素。研究表明, 铬对提高抗氧化性能极为重要, 高稳定的含铬固溶体、铬的碳化物以及表面形成的Cr2O3氧化膜, 有利于提高铸铁的耐热性能。但考虑到排气歧管的特殊性, 为了提高合金的高温强度及改善合金的流动性, 碳含量一般为1.6%~2.2%。有资料认为, 硅可以形成氧化膜来提高抗氧化能力, 且硅量增加1%时, 合金相变温度提高50~60℃, 含硅4.25%的铸铁, 相变温度可达875℃, 但硅含量愈高, 石墨化愈充分。金属钼在一定条件下会阻碍石墨化, 并且可以细化珠光体组织, 而单独加钼时, 并不能促进珠光体的形成。因此, 一些铸造企业, 在高硅球墨铸铁的基础上再增加少量的钼, 形成一种新的硅钼球墨铸铁, 用以制造排气歧管。自1997年在美国西雅图第101届铸造年会上对高硅钼排气管的性能等做了专门讨论以来, 福特、克莱斯勒等汽车公司及各大发动机厂商迅速将其应用在发动机排气管上。在我国则被称为“中”硅钼球铁, 已有国家标准 (G B9437—88, 牌号RQTSi4Mo) 。据报道, 镍无限固溶于铁, 降低γ→α转变温度;镍又是石墨化元素, 在凝固期间有助于石墨析出, 其石墨化能力约为硅的1/3。镍在促进珠光体组织形成的同时并不提高碳化物的生成倾向, 减少碳化物对铸件壁厚的敏感性, 日本岩手大学利用这一成果开发了高耐热球墨铸铁的薄壁歧管试制品。

虽然国内外许多研究机构一直致力于球墨铸铁的研究, 取得了许多成绩。球墨铸铁的改良状况见图4。球墨铸铁同其他钢铁铸件相比, 在许多方面都有良好的材料性能, 但其阻尼性能和导热性能比灰铸铁差、冲击韧性较铸钢差等不利因素限制了它的使用。因此, 球墨铸铁还有很大的发展潜力。

(4) 蠕墨铸铁

蠕虫状石墨常出现在残留镁量不足或有钛存在的大断面球铁组织中。由于蠕墨铸铁有良好的耐热疲劳性, 因此很适于生产排气歧管。近年来, 国内外对蠕铁进行了深入、广泛的试验研究, 蠕铁的应用取得了良好效果。德国大众认为, 在高温下灰铁排气管易开裂, 球铁排气管易变形, 而蠕铁排气管则变形较小。有学者研究认为, 中硅钼蠕铁排气管的工作温度可达到870℃, 且在排气管工作条件 (850~1 000℃循环) 下, 其耐热疲劳性能优于球铁和灰铁。对轿车发动机排气歧管而言, 蠕化率控制在50%左右可以获得最佳的抗热疲劳性能, 因此不能认为我国蠕铁标准中规定的蠕化率高于50%的要求是偏低的, 也不能把蠕化率的高低作为衡量工艺水平的依据。中硅钼蠕铁的抗热疲劳性能为普通蠕铁的3倍, 因而是制造排气歧管的理想材料。上海大众开发了中硅钼铁素体基体的蠕墨铸铁排气管, 具有热膨胀系数小、抗热疲劳能力强、抗蠕变性好、耐腐蚀和抗高温氧化性好等优点。

(5) 耐热不锈钢

以往, 汽车排气歧管使用球墨铸铁和蠕墨铸铁, 但随着人们对环保问题的关注, 要求把排出的废气保持在高温状态下进入催化转化器, 这就要求排气歧管的使用材料应具有很好的耐热性, 因此不锈钢的使用量正不断增加。日本川崎制铁公司已经开发出以耐热性为主的不锈钢R434LN (SUS444) 。

排气歧管所用的不锈钢有奥氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢。奥氏体系不锈钢的高温强度好, 但容易发生氧化皮剥落, 因此在抗氧化性方面不如铁素体系不锈钢。作为使用的钢种有SUS304 (18Cr-8Ni) 和SUS XM15J1 (18Cr-13Ni-4Si) 。另一方面, 铁素体系不锈钢虽然抗氧化性好, 但高温强度不如奥氏体系不锈钢。近年来, 随着废气排放规定的要求, 排气温度呈高温化的趋势。在这种情况下, 可以使用SUS444 (19Cr-2Mo) 系不锈钢。此外, 作为汽车排气歧管还要具有良好的焊接性和成型性能。因此, 添加铌的低铬系 (13%~14%Cr) 的高加工性钢和适应高温排气材料的低碳18Cr2Nb (Mo) 系钢在选用上受到广泛关注。宝钢利用超低碳氮冶炼技术, 适量添加钛、钼等元素, 开发出的Cr17Mo和409L系列铁素体不锈钢具备优良的加工性能。为了减轻汽车质量和延长使用寿命, 汽车发动机排气系统由最初使用铸铁管、碳钢、镀锌碳钢转而被铁素体不锈钢所取代, 但出于成本考虑, 未来的高铬铁素体不锈钢将被低铬不锈钢所取代。

3 存在的问题

(1) 虽然微量元素从其作用上可以简单地分为有益元素和有害元素, 但有关微量元素的影响机理却是一个十分复杂的问题, 它涉及微量元素的分布行为、对偏析界面的影响、对析出相的影响、多种元素之间的相互作用、与材料服役环境和条件之间的相互作用等。由于这种影响的多样性, 一些通常认为是有害或有益的元素, 在不同的条件下, 其作用往往可以发生较大甚至相反的转化。因此, 微量元素与各种影响要素之间的交互作用需进一步研究和认识。

(2) 传统发展新材料的方法习惯用“试错”法, 但其并不是一个多快好省的办法。计算机技术日益提高, 目前人们只是利用计算机辅助进行工艺模拟计算, 还未做到真正意义上的计算机辅助材料设计。

(3) 球墨铸铁由于其价格优势和良好的性能而被使用, 但多年来只有高硅钼球墨铸铁用于发动机排气歧管。由于发动机排气歧管的工作温度进一步提高, 高镍球墨铸铁的使用具有很好的发展潜力。

4 结束语

排气歧管篇7

关键词：热辐射,CFD,排气歧管组件,热害试验

在汽车设计中, 发动机排气歧管周围部件温度控制十分重要。周围零部件的温度控制的好坏, 直接关系到该零部件的寿命、性能, 甚至会直接影响汽车能否正常行驶。在传统的汽车设计过程中, 由于热辐射没有提前介入到汽车设计过程中, 排气歧管周围零部件温度的评估往往采用经验或者是工程估算的方法。随着计算机技术的发展而兴起的汽车计算流体力学 (CFD) 具有限制条件少、信息丰富、成本低、周期短等显著特点, 可以得到大量目前试验难以获得和解释的信息[1]。在计算流体力学领域, CFD不是单独的理论分析, 而是更接近于试验的研究, 且极大地依靠一些较简单的、线性化的、与原问题有关的严格数学分析, 以及依靠启发性推理、边试边改的方法和试验所得的经验公式, 它来源于实践, 服务于工程。因此, 利用CFD技术处理汽车排气歧管周围零部件的温度控制不失为一种有效的方法。

1 问题描述

该车热害试验结果, 发现压缩机后壳表面和电子风扇壳体表面温度超值过大, 不满足设计要求, 具体见表1。

℃

2 问题分析及方案初步确定

2.1 原因分析

在压缩机周围 (如图1所示) , 主要热源为发动机排气歧管组件, 由于发动机排气歧管组件与压缩机非接触, 可排除导热和对流换热对压缩机影响, 因此, 本文主要对热辐射进行探讨。

2.2 热辐射

把排气歧管组件看作为热源, 并视为黑体辐射进行考虑, 根据普朗克 (Planck) 定律:

辐射力 (E) 与光谱辐射力 () 之间的关系:

可得黑体辐射力 () :

对上式积分, 就得到斯忒藩-玻尔兹曼定律 (四次方定律)

用黑体辐射系数 (其值为5.67W/ (m2·K4) ) 代替辐射常数, 可得:

由于实际物体辐射不同于黑体辐射, 他们之间关系如下:

式中:ε为实际物体的光谱发射率

在发动机工况在稳态的情况下, 排气歧管温度T的温度可以视为定值, 热源的辐射力也就是一个定值。由于黑体辐射符合兰贝特定律, 对于符合兰贝特定律 (Lambert:又称余弦定律) 的辐射, 都具有单位辐射面积发出的辐射能, 落到空间不同方向单位立体角内的能量的数值不等, 其值正比于该方向与辐射面法线方向夹角的余弦, 表明黑体的辐射能在空间 (近似球体) 不同方向的分布是不均匀的, 法线方向最大, 切线方向为零。

兰贝特定律表达式:

对于符合兰贝特定律的辐射, 其定向辐射强度 (L) 和辐射力之间, 数值上存在着简单的倍数关系:

因此, 遵守兰贝特定律的辐射, 数值上其辐射力等于定向辐射强度的倍。

2.3 辐射换热的削弱

为了削弱两物体表面间的辐射换热, 通常采用减少表面发射率及在两辐射表面之间安插遮热板的方法, 所谓的遮热板, 是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板, 该遮热板发射率越低, 辐射量减少就越多, 当一块遮热板达不到削弱换热的要求时, 可采用多层遮热板[2]。

2.4 方案初步确定

由于排气歧管组件和压缩机后壳、电子风扇壳体材料、外形、表面粗糙度已经确定, 更改周期长, 费用高, 因此采用增加遮热板方式进行对热辐射进行削弱;由于热源材料及表面粗糙度已为定值, 根据公式1, 实际物体辐射力只与该表面温度有关;依据兰贝特定律, 设计遮热板外形。根据常用材料表面的法向发射率表 (见表2) 及成本分析, 磨光的铝法向反射率性能较好, 初步确定遮热板材料为镀铝钢板, 具体方案如表3。

3 CFD分析及方案验证

3.1 CFD分析流程及分析结果

STAR-CCM+具有强大的网格划分能力及可视化, 以及先进的物理模型, 同时对其它软件具有兼容性等功能。本次分析利用该软件物力模型中的辐射模块进行运算, 具体流程如图2, 分析结果如表4。

3.2 CFD分析结论

方案1 (排气歧管和三元催化器增加遮热板) 对应的压缩机后壳和电子风扇壳体温度都较低, 基本无热害风险;而原方案 (未添加任何遮热板) 和方案2 (排气歧管和压缩机后壳增加遮热板) 对应部件温度要高出许多, 存在较大热害风险;方案1虽然添加了遮热板, 但油底壳局部仍受到三元催化器高温直接辐射, 表面温度较高, 如超过其最高耐温, 可对遮热板设计适当调整, 使其能遮挡住三元催化器对油底壳的可见部分;其它部分, 如悬置、底盘部件表面温度三个模型基本相同。综合分析, 方案1理论上最优, 决定用方案1进行样件制作和整车验证。

3.3 方案验证

按照方案1确定的遮热板3D数据, 进行样件制作, 并安装实车进行整车试验, 遮热板实车安装如图3、图4, 试验中排气歧管组件周围零部件传感器布置如图5, 试验结果如表5。

℃

3.4 试验结果分析

1) 电子风扇壳体和压缩机后壳表面温度低于限值, 达到要求。

2) 方案1油底壳表面温度与原方案变化不大, 并都低于限值, 达到要求。

3) 各点实际测量值低于CFD分析值, 主要原因是:在进行CFD分析过程中, 没有模拟整车试验过程有等同于车速的迎面车速, 以及冷却模块的热辐射和电子风扇的风量等因素。

方案1的整车试验结果优于原方案, 且排气歧管周围部件温度符合限值要求, 方案可行。

4 结论

本文对热辐射产生的机理及消弱热辐射的方法进行简单的概述, 通过理论的分析, 有效的对问题进行应对分析, 从而解决该问题, 通过以上文献分析, 概括为以下几点方面:

1) 采用CFD分析的方法对排气歧管组件热辐射对周围部件的仿真分析, 计算结果与试验测量值趋势吻合较好, 表明该方法在实际工程应用中是可行的。

2) CFD分析值与实际测得值还是有一定的差距, 这是由于整车试验工况是复杂的、非稳态的, 而CFD分析只模拟的单一稳态工况, 并且其它影响热量交换的因素并没有考虑;在后续工作中, 将模拟实际工况开展系统深入的研究。