发动机气门排气腔体模型CFD开题报告

毕业设计开题报告学院：机械与动力工程学院专业：能源与动力工程学生姓名：学号：设计题目：发动机气门排气腔体模型CFD温度场分析与应用起迄日期:2014年2月17日~2014年6月10日设计地点指导教师:负责人:2014年03月10日毕业设计开题报告1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述一、研究的目的与意义汽油机具有体积小，质量轻，噪音小，起动性能好等优点在汽车行业的到了广泛的应用。然而由于汽车保有量的高速增长引发了环境污染和能源危机，迫切要求世界各国汽油机节能和降低排放方面的研究。排气系统是发动机的重要组成部分，其内部气流组织是否合理，不仅会影响发动机的动力性和经济性，而且会影响其排烟，排污，噪声和工作的可靠性。要改进燃烧和降低污染，就必须对发动机排气系统进行深入，细致的研究。排气系统总成是汽车的关键零部件，其空气动力性的好坏直接影响到排放、噪声，并且对车辆的动力性、油耗也有比较大的影响。发动机工作时，排气门位于构成燃烧室的汽缸盖上，挺柱和推杆受到凸轮轴的驱动，在摇臂和气门弹簧的共同作用下实现往复运动。排气门在整个发动机的工作过程中担当了不同的功能，它既是内燃机完成工作循环、实现换气和密封功能的重要零件，又是气体进、出燃烧室的通道。在进行传热分析模拟时，既要综合又要分别考虑气门的各个部分的传热情况。本课题的任务是发动机排气门与排气道所构成的腔体，在给定的压力入口条件以及气流温度条件下，分析计算排气门与排气道所接触的表面(即排气门表面)的温度变化；结合气门的设计参数，通过改变气门锥面角以及背锥角，得到由这两个角度的变化对气门表面温度场的分布影响。发动机排气系统借助于数值模拟的方法，从理论角度分析消声器的各种性能（压力场、温度场、流速场、插入损失等），可以大大缩短开发周期，提高开发效率，降低试验费用。排气系统的数值模拟涉及到流体动力学、结构动力学以及声学等多个学科的知识，同时又与发动机耦合在一起。国内外学者对此进行了多方面的研究，取得了一系列的成果二、国内外研究现状2.1国内的研究状况2.1.1我国内燃机气门行业,经过“八五”技术改造,在产品设计、质量、产量及新产品、新工艺开发等方面都有一定的发展。有一定规模的生产企业40多家,年产气门1亿多只,一些新产品气门(如SANTANA、夏利、462、康明斯、奥迪、切诺基、125、157、244、6112等)已批量生产,替代了一些进口产品。在材质方面,研制成了一些性能优良的气门新材料投入生产,如MF811、XB、21一2N、21一12N、23一8N、20一11PB等。但与先进工业国家相比,仍存在较大差距:1.产品设计的“三化”程度低。同一型号的产品,各厂家的图纸技术要求往往各异,互不通用,给组织批量生产和提高产品质量带来困难。2.材料品种较少,不能满足各种机型及不同工况条件的主机对气门材质的要求,国内气门材料大量使用的还是40Cr、4Cr9si2、4Crl0si2Mo、21一4N这四种材料。3.今产品结构落后,使用寿命低。国产气门无旋转机构,寿命大多在4000小时左右;而国外气门带有旋转机构，使用寿命在8000小时左右。4.国内气门生产厂布局分散,批量上，效益差。单产年常量在一千五百万只一下。特别是近几年来，家庭作坊式工厂数量增加，给气门生产技术和产品质量的提高带来了不利的影响。5.产品测试手段落后,缺乏专门的检测设备和随机检测装置因而产品质量不稳定。经过“八五”技术改造,我国气门行业机加工工艺相比以前用通用机床加工有了一定的进步,气门圆弧及锥面多用数控机床或仿形机床车加工;盘部外圆及盘端面用液压多刀车床加工,气门杆部用无心磨床磨3一4次;气门锥面用专用磨床磨1—2次,夹具多用三滚轮,为了减小锥面圆度误差,部分气门厂采用弹簧夹具,少数气门厂还引进了美国气门锥面专用磨床,采用薄壁有芯夹具;气门锁夹槽国内多采用普通车床车削后磨削或滚压,少数厂采用成型磨削;杆端面采用端面磨床磨2一3次。综上所述,国内气门机加工工序多而分散,采用单机手动流水线生产,故生产效率低,加工定位基准不统一,质量不稳定。而国外多为自动流水线加工,工序少,以磨代车,采用成型磨床磨削气门杆部、锁夹槽、圆弧、锥面及盘外圆、杆端面和盘端面采用双端面磨床加工,由于都是磨削成型,多道工序组合,在线自动检测,因此效率高,产品质量稳定,并且国外磨床砂轮质量好,切削速度达5Om/s(国内35m/s),加工的气门表面质量好,精度高.近年来国内济南汽配厂、湖北气门厂、上海气门厂、武汉气门厂等单位引进了一些国外先进的专用磨床。国内济南第四机床厂、北京第二机床厂、沈阳磨床厂、上海机床厂等单位在消化吸收国外先进设备的基础上为气门行业制造出了一些专用磨床,对国内气门机加工技术水平的提高起了积极作用。2.2国外的研究状况国外重视基础理论研究及新产品开发工作。气门厂家与主机厂共同设计或主机厂委托气门厂独立设计。各厂家都设有技术力量雄厚、试验设备完善的新产品开发中心,对气门材质、金相组织、制造工艺和设备及产品设计进行一系列试验研究工作,不断提高产品的设计制造水平,以满足不断发展的新型主机对气门新产品的要求。气门材料品种齐全,有完整的体系。由于材质品种档次齐全,可根据不同型号、不同工况条件的主机选不同材质的气门,从而提高发动机的可靠性和寿命。国外进气门一般采用马氏体钢,如4Gr9Si2、4Cr10si2Mo和XB等。排气门头部普遍采用21一4N、21一ZN、21一12N、23一8N和20一llPB等奥氏体钢。产品结构先进、性能优良、质量稳定。一般进气门采用整体结构的马氏体钢,而排气门多数采用双金属对焊或焊钢片结构,排气门锥面堆焊耐磨、耐蚀合金,杆部镀铬或氮化,以提高耐磨、耐蚀性能。在中型增压强化发动机上采用中空充钠结构及带旋转机构的气门,以改善其散热及减轻积炭,从而提高其使用寿命。采用多气门结构，明显降低气功耗和燃油耗，并实现低排放。生产相对集中有规模效益且生产效率高。如日本仅3到4家气门厂，不但满足本国需求，而且出口。2.2.1气门毛坯成型有徽锻法和挤压法:徽锻法是采用冷拉棒料先用电辙机徽粗后再在摩、擦压力机上锻压成型,其缺点是气门大端面易产生折叠纹,造成费品。挤压法是采用热轧棒料经中频加热后在挤压机上挤压成型,其特点是材料成本低,成型质量好,大端面无折叠,效率高。目前国内气门成型绝大多数采用徽锻法,所用的电徽机不能无级调压。有二家气门厂引进了美国AJAXA公司的挤压机,其中一家厂已应用于生产。国外气门毛坯成型采用电锹和挤压工艺的均较普遍,采用的电嫩机是多工位的,且能无级调压。2.2.2由于排气门在高温腐蚀性气氛下工作,杆部在气门导管内运动,因此要求头部耐热、耐蚀,而杆部则要求耐磨、抗咬合。用双金属焊接气门可以发挥马氏体钢和奥氏体钢两种材料的潜力,奥氏体钢耐热性好,用于头部,马氏体钢耐磨性好,用于杆部,然后用摩擦焊(或闪光焊)将这种材料对焊。国内焊机大多为自制的或机床厂生产的,设备刚性及精度不高。现已有几家气门引进了英国、德国和美国的摩擦焊机，国外设备带CNC控制，并带有切飞边和检脸装置。美国一公司标准中要求采用弯曲试验检验焊缝,弯曲角度20度时,不得出现裂纹，在硬度和金相上与日本公司有类似标准。德国一公司采用旋转弯曲试验检验焊缝,旋转弯曲应力应大于等于700MPa。2.2.3气门杆部表面强化是为了提高气门杆部耐磨性和抗擦伤、抗咬合能力,强化方法有镀铬或氮化工艺。以德国DEGUSSA公司为代表的无污染“氮碳”共渗法,即TENFIERTF一1法,其氮化盐由基盐TF一1,再生盐REG一1和氧化盐AB1组成,共渗温度580摄氏度,盐浴中CN阴离子含量低于3%。以法国液压机械与摩擦学研究所(HEF)为代表的无污染盐浴“硫氮碳”共渗法（SUR-SULF法),其用盐是由基盐、再生盐、氧化盐组成,共渗温度570~580摄氏度,盐浴中CN阴离子含量低于0.8%。参考文献：[1]张翼,苏铁熊发动机设计中北大学.92～120[2]陈家瑞汽车构造（上）第三版.机械工业出版社,2012.73～80[3]林凤功，林华，程永强农业装备与车辆工程山东省农业机械科学研究所山东农机学会主编：吴肇铭2009.10[4]丁铁新．内燃机燃烧室动接触部件耦合传热仿真[J]．大连理工大学，2004．[5]胡玉平，孙平．气门开启过程对压缩终了缸内涡流运动的影响．车用发动机，2010．[6]周廷美，吕俊成，莫易敏．发动机气门的动力学及温度场三维数值模拟．内燃机，2004(6)：7-8．[7]周蓉．发动机排气门传热数值模拟研究分析．[D3．西南理工大学，2010．[8]李厚佳．发动机气门三维动态仿真分析系统的研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006．[9]原彦鹏，张卫正，程晓果等．高强化内燃机活塞瞬态温度场分布规律研究[J]．内燃机工程，2005，26(4)．[10]赵新．内燃机气门的失效原因探析[J]．内燃机与动力装置，2006．3(93)：55—56．[11]LazFoley．SolutionStrategiesforPortFlowAnalysis．ANSYSFLUENTTechnicalDocument，2008．[12]黎志勤．内燃机工作过程与计算[M]．机械工业出版社，1998．[13]宋访君，吴坚．内燃机工作过程数值计算及其优化[M]．国防工业出版社，1997．[14]夏兴兰，陈大陆，王胜利．内燃机气道性能的评价方法[J]．现代车用动力，2007(2)：7—12．[15]R．TulsyanandR．Shivpuri．ComputerModelingofWearinExtrusionandForgingofAutomotiveExhaustvalve．JournalofMaterialsEngineeringandPerformance，1995。4(2)：161～165．[16]ShamimT，ShenH，SenguptaS．ComparisonofChemicalKi2neticMechanismsInSimulatingtheEmissionCharacteristicsofCatalyticConverters．SAEPaper2000．01—1953．[17]R．zhao，G．C．Barber，Y．S．Wang，etal．WearMechanismanalysisofengineExhaustValveSeatswhitaLaboratarysimulation．TribologyTransaction，1997．40(2)：209～218．[18]ApplicationOfCFDNumericalSimulationForIntakePortShapeDesignOfADieselEngine，JournalofComputationalandAppliedMechanics，V01．4，No．2：129—146．[19]王琳．发动机气门强化模拟磨损临界应力分析及有限元计算ED3．武汉理工大学，2000．[20]黄华，刘佐民．基于ANSYS—WORKBENCH的气门偏摆落座力研究．机械制造，2010，48(550)：36—38．[21]刘佐民，张一兵，王斌球．发动机气门一气门座强化模拟磨损试验机及其试验方法的研究[J]．内燃机工程，1998，19(2)：49—56．毕业设计开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题要研究或解决的问题本课题的任务是发动机排气门与排气道所构成的腔体，在给定的压力入口条件以及气流温度条件下，分析计算排气门与排气道所接触的表面(即排气门表面)的温度变化；结合气门的设计参数，通过改变气门锥面角以及背锥角，得到由这两个角度的变化对气门表面温度场的分布影响。(1)设计排气门排气腔体(2)建立发动机排气门排气道腔体模型(3)确定相应的边界条件，进行模拟分析，得到气门表面温度分布图(4)改变气门的角度参数，研究其对气门表面温度的影响二、拟采用的研究手段(1)用Pro-E以及Ga