汽車發動機排氣歧管的熱疲勞性能研究.pdf

1、隨著排放法規的日益嚴格與發動機性能的不斷提高，發動機排氣溫度也同步升高。排氣歧管是發動機排放廢氣首先流經的部件，工作時處于高溫狀態。排氣歧管受熱會發生膨脹，在內部及外部的約束下會產生熱應力。不斷的在受熱膨脹與冷卻收縮之間循環，排氣歧管容易產生塑性變形而最終產生裂紋、破壞。必須加大對排氣歧管熱負荷及熱疲勞性能的重視?；诖?，對發動機4A15S配套用排氣歧管進行了熱疲勞性能研究。
　　本課題主要研究內容及結論如下:
　　(1)對

2、排氣歧管內流道進行入口速度不變的穩態流場分析。排氣歧管的功用是把發動機排出的廢氣導入三元催化載體，最后經排氣管排出機體。其流通性與流速均勻性是其最基本性能，需對其進行流場分析以知悉該兩種性能。首先對流場進行網格獨立性分析，根據驗證結果確定了流場分析所要采用的網格尺寸。采用經由網格獨立性分析得到的網格尺寸，對排氣歧管內流道進行了入口速度不變的穩態流場分析，結果表明該排氣歧管流通性及流速均勻性良好。
　　(2)提出可用于計算結構等效塑

3、性應變的排氣歧管入口邊界條件等效方案。如若完全按照實際的排氣歧管出入口邊界條件對其采用流固熱耦合方法計算其工作時的穩定熱負荷，計算量過大，現有計算機難以滿足計算要求。根據質量與能量守恒法則，對一維仿真結果提出了等效方案。建立簡化模型，驗證了等效模型可用于計算結構的等效塑性應變。
　　(3)建立發動機一維性能仿真模型。為獲取排氣歧管熱負荷分析的邊界條件，建立了發動機4A15S一維性能仿真模型，并進行了試驗驗證。驗證結果表明該仿真模型

4、計算結果與實驗相符，可用于后續研究。
　　(4)排氣歧管熱負荷分析。利用等效的入口邊界，采用體映射方法，對排氣歧管建立流固熱耦合模型，計算得到一個循環工況內排氣歧管的熱負荷，找到排氣歧管最危險位置。
　　(5)排氣歧管熱疲勞壽命分析。利用計算得到的排氣歧管在一個循環內的等效塑性應變增量（ΔPEEQ），采用Manson-Coffin公式計算了排氣歧管熱疲勞壽命。分析了Manson-Coffin公式中的材料常數C和α值對采用Ma

5、nson-Coffin公式計算得到的熱疲勞壽命的影響。結果表明應用Manson-Coffin公式計算排氣歧管熱疲勞時，α值的選取極為關鍵，對最終計算到的結構熱疲勞壽命有極大影響。以歧管壁厚、線膨脹系數、屈服強度及彈性模量為設計變量，對排氣歧管熱疲勞壽命相關參數進行靈敏度分析。分析結果表明，4個參數中，排氣歧管熱疲勞壽命對排氣歧管壁厚最敏感;材料參數中，排氣歧管熱疲勞壽命對線膨脹系數最敏感;歧管壁厚、屈服強度這兩個參數與排氣歧管熱疲勞壽命

6、成正相關。
　　本課題的創新點如下:
　　(1)提出了可用于計算結構等效塑性應變的排氣歧管入口邊界條件等效方案，并建立簡化模型驗證了該等效方案。該等效方法較常用的時域平均方法而言，計算簡單方便，可行性更高，在流固熱耦合計算時，能實現流固間位移與壓力等物理量的動態傳遞。
　　(2)對排氣歧管熱疲勞壽命相關參數進行靈敏度分析，找到了對排氣歧管熱疲勞壽命最敏感的參數。
　　(3)采用體映射方法建立了排氣歧管流固熱耦合分