基于有限元法的多工況下柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)分析

施超，馬成，李光明，汪江

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于有限元法的多工況下柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)分析

施超，馬成，李光明，汪江

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

通過UG軟件建立了活塞的幾何模型。在重點(diǎn)討論了活塞熱邊界條件的計(jì)算后，借助有限元分析軟件ANSYS，對(duì)某柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)建立其有限元模型。利用該模型分析了多工況下活塞溫度的變化情況。

柴油機(jī)；活塞；有限元法；熱邊界條件；多工況

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-148-03

引言

活塞作為內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，它的工作情況直接關(guān)系到高速內(nèi)燃機(jī)的工作可靠性和耐久性?；钊幍墓ぷ鳝h(huán)境十分復(fù)雜，在工作狀態(tài)下受到高壓燃?xì)鈮毫Φ染C合作用。高壓氣體燃燒產(chǎn)生的高溫使活塞頂部甚至整個(gè)活塞溫度較高，且溫度分布很不均勻，極易導(dǎo)致活塞產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合將導(dǎo)致活塞產(chǎn)生裂紋、活塞環(huán)膠結(jié)以及拉缸等。所以，在設(shè)計(jì)階段對(duì)活塞進(jìn)行溫度場(chǎng)有限元分析，是了解活塞的熱負(fù)荷狀態(tài)和綜合應(yīng)力分布情況的基礎(chǔ)。對(duì)于改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高工作可靠性具有重要意義。

1 分析原理

如今有限元法(FEM,Finite Element Method)在活塞開發(fā)設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用，降低活塞開發(fā)及驗(yàn)證的成本，縮短設(shè)計(jì)周期。有限元分析問題流程如圖1所示。

圖1 有限元分析問題流程圖

2 活塞熱邊界條件的計(jì)算

標(biāo)定工況所指的是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為標(biāo)定轉(zhuǎn)速3200r/min，負(fù)荷為滿載條件。通過標(biāo)定工況下測(cè)得的示功圖，結(jié)合柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1，計(jì)算得出燃?xì)獾钠骄鶕Q熱系數(shù)和環(huán)境溫度。對(duì)于其它區(qū)域的換熱系數(shù)及溫度，可參考類似活塞對(duì)應(yīng)區(qū)域的換熱系數(shù)和環(huán)境溫度。通過將各區(qū)域的換熱系數(shù)和環(huán)境溫度加在活塞對(duì)應(yīng)區(qū)域上， ANSYS即可運(yùn)算得出活塞溫度場(chǎng)的分布狀況。

表1

3 不同轉(zhuǎn)速的工況下活塞溫度的變化

當(dāng)負(fù)荷為100%時(shí)取3種不同轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)行活塞溫度場(chǎng)的有限元分析計(jì)算。這三種不同轉(zhuǎn)速工況是：3200r/min，2400r/min，1600r/min。

由實(shí)測(cè)的示功圖（圖2、圖3、圖4）可計(jì)算出各自工況下的燃?xì)獾钠骄鶞囟群推骄鶕Q熱系數(shù)。通過將算得的不同結(jié)果用于替換活塞頂面和燃燒室各個(gè)部位的換熱系數(shù)和環(huán)境溫度，而對(duì)其他區(qū)域的邊界條件則采用相同的數(shù)值。主要是因?yàn)榛钊臏囟戎饕侨Q于燃?xì)獾臏囟群蛽Q熱系數(shù)，而燃?xì)庵苯幼饔糜诨钊斆婧腿紵遥赃@兩個(gè)部位的換熱系數(shù)和溫度在不同工況下差距很大。

表2 頂面及燃燒室的熱邊界條件

表3 頂面及燃燒室的熱邊界條件

轉(zhuǎn)速為3200r/min的工況時(shí)的燃?xì)獾膿Q熱系數(shù)為361W/m2·K，平均溫度是1361K。其頂面及燃燒室的熱邊界條件見表2。轉(zhuǎn)速為2400r/min的工況時(shí)的燃?xì)獾膿Q熱系數(shù)為360.5W/m2·K，平均溫度是1411.8K。其頂面及燃燒室的熱邊界條件見表3。轉(zhuǎn)速為1600r/min的工況下的燃?xì)獾膿Q熱系數(shù)為320.2 W/m2·K，平均溫度為1625.5K。其頂面及燃燒室的熱邊界條件見表4。

圖2 3200r/min工況下的示功圖

圖3 2400r/min工況下的示功圖

圖4 1600r/min工況下的示功圖

表4 頂面及燃燒室的熱邊界條件

綜合轉(zhuǎn)速為3200r/min、2400r/min、1600r/min三種工況下，ANSYS計(jì)算得出活塞的溫度場(chǎng)云圖。如下圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下活塞溫度場(chǎng)的分布

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不同對(duì)活塞溫度場(chǎng)的分布大致沒有影響。但對(duì)活塞的最高溫度與最低溫度或平均溫度影響較大，如表5。

表5 不同轉(zhuǎn)速下活塞溫度的最值

3 結(jié)論

負(fù)荷相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，活塞頂面的最高溫度卻越低。這是因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，氣缸中紊流增強(qiáng)，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?。這就避免了一些未燃混合氣，由于溫度達(dá)到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產(chǎn)生額外新的火焰?zhèn)鞑?。也就是說減少了爆燃的傾向。爆燃可使缸內(nèi)局部壓力和溫度升高，在形成強(qiáng)烈的壓力沖擊波后。沖擊波反復(fù)沖擊燃燒室壁，發(fā)出尖銳的敲缸聲。同時(shí)強(qiáng)烈的爆燃時(shí)的沖擊波會(huì)破壞氣體附面層（起著隔熱的作用）是機(jī)件與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，從而使機(jī)件燒毀。既然爆燃的情況少了，活塞頂面的溫度也降低了。

由此進(jìn)一步分析得出，活塞溫度的高低取決于爆燃的傾向，爆燃傾向大則活塞溫度高，爆燃傾向小則活塞溫度低。而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變可牽涉到爆燃傾向的大小，從而對(duì)活塞的溫度產(chǎn)生影響。

[1] 俞亞新.活塞CAD系統(tǒng)三維有限元分析模塊開發(fā)[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2000.1.

[2] 王為成,孫平,董愛華.YZ4105QF柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)的測(cè)量及三維有限元分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2008.4.

[3] 唐興倫.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社,2003.

[4] 張朝暉.Ansys熱分析教程與實(shí)例解析[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[5] 張國智, 胡仁喜, 陳繼剛.ANSYS10.0熱力學(xué)有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工程出版社,2007.

To analyze the temperature field of piston in engine with different working conditions

Shi Chao, Ma Cheng, Li Guangming, Wang Jiang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Set up a geometry model of the piston with UG. With discussing thermal boundary conditions of piston, the temperature field of the piston model is calculated by ANSYS. At last, we can see the changes of piston temperature in different working conditions.

Diesel engine; Piston; Finite element method; thermal boundary condition; different working conditions

U467

A

1671-7988 (2017)15-148-03

施超，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.054