Coupled Numerical Analysis of Quenching Process of Internal Combustion Engine Cylinder Head

Zusammenfassung

Dieser Beitrag beschreibt eine kürzlich entwickelte Methode zur Simulation des Abschreckens von wärmebehandelten Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren unter Verwendung der kommerziellen Computational Fluid Dynamics (CFD)-Software AVL FIRE® und der Strukturanalysesoftware ABAQUS. Das Eintauchen eines direkt aus der Wärmebehandlung kommenden Festkörpers in ein Kühlbad führt zum Sieden des flüssigen Kühlmittels und in dessen Folge zum Phasenübergang in den gasförmigen Zustand. Diese Vorgänge werden mit dem Eulerischen Mehrphasenmodell simuliert. Massenübergangseffekte werden sowohl für die Phase des Filmsiedens als auch die des Blasensiedens betrachtet. Details zur numerischen Simulation finden sich in^1,2. Separate Berechnungsmodelle für den abzuschreckenden Festkörper und das Kühlbad werden über das AVL Code Coupling Interface (ACCI) miteinander gekoppelt. Die Software erlaubt dabei die Behandlung der Mehrphasenströmung im Bad als auch die simultane Berechnung der Temperatur im Festkörper. In dieser Veröffentlichung werden Berechnungsergebnisse des Abschreckens eines 4-Zylinder-Ottomotors gezeigt. Strömungsmerkmale wie Dampftaschenbildung, Blasenansammlungen und deren Ablagerung werden vorausberechnet. Ein Vergleich von gemessenen und berechneten Temperaturen in verschiedenen Beobachtungspunkten zeigt sehr gute Übereinstimmung für zwei untersuchte Eintauchrichtungen. Signifikante Ungleichförmigkeit im Temperaturfeld der Struktur wurde beobachtet, was bedeutsam für den Aufbau der Restspannungen und die Ermüdung des abgeschreckten Bauteils ist. Das berechnete Temperaturfeld wurde vom volumenbasierenden CFD-Modell auf ein knotenbasierendes FEM-Modell übertragen. Darauf basierend wurden die Spannungen im Zylinderkopf sowie dessen Verformung berechnet.

Summary

The paper provides details about a newly developed method of coupled modelling procedure for the simulation of quenching process using a commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) code AVL FIRE, followed by Finite Element Method (FEM) analysis to predict the stresses within the structure using ABAQUS. Boiling mass transfer process is triggered by submerging of a heated solid part into a subcooled liquid bath. As a result, two-phase flow with boiling phase change is handled using the Eulerian two-fluid method. Mass transfer effects are considered for both film and nucleate boiling regime. Separate computational domains constructed for the quenched solid part and the liquid (quenchant) domain are numerically coupled at the interface using the AVL-Code-Coupling-Interface (ACCI) feature. The program handles multiphase flow dynamics in the liquid domain in conjunction with the temperature evolution in the solid region in coupled fashion. The paper features numerical simulation results of a real cylinder head of a four cylinder gasoline engine. Comparison between measured and computed temperatures at different monitoring positions shows very good agreement for two cylinder head orientations. Significant nonuniformity in temperature distribution within the structure was observed, which is of great importance in evaluating residual stresses and fatigue patterns within the quenched object. The temperature field was mapped from volume-based computational grid used in CFD analysis onto a node-based grid used in FEM. Based on temperature distribution, the stresses and deformation within the cylinder head were calculated.