柴油機(jī)活塞頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)熱敏性研究

姜東東，韓振南

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

近年來(lái)，柴油機(jī)朝著高強(qiáng)化方向發(fā)展，活塞作為其主要受熱零部件之一，其溫度和溫度梯度也不斷地升高。較高的溫度和較大的溫度梯度會(huì)使活塞產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力及熱變形，直接影響活塞的強(qiáng)度、潤(rùn)滑性能以及運(yùn)動(dòng)特性等[1-3]，甚至導(dǎo)致拉缸問(wèn)題[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞頭部直接暴露在高溫燃?xì)庵?，?huì)導(dǎo)致活塞材料疲勞強(qiáng)度下降[5]，縮短活塞的熱疲勞壽命；現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭部在設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了因高的燃?xì)鉁囟榷a(chǎn)生的熱變形[3]。

目前對(duì)于活塞傳熱的研究主要從單一參數(shù)的改進(jìn)與提升考慮[6-8]，對(duì)于多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)研究與探討較少，顯然，優(yōu)化單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)活塞傳熱的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)活塞傳熱的綜合影響。為此，以4100QBZ 渦輪增壓柴油機(jī)為例，從傳熱理論入手，利用有限元仿真分析方法對(duì)活塞的溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，確定了活塞傳熱的主要優(yōu)化參數(shù)；以活塞最高溫度、第一環(huán)槽最高溫度和內(nèi)腔頂側(cè)最高溫度為考察指標(biāo)，分別對(duì)燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)，并以活塞最高溫度作為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了活塞頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)。該研究為優(yōu)化活塞的結(jié)構(gòu)提供了參考。

2 傳熱分析基本理論

活塞的溫度場(chǎng)在柴油機(jī)穩(wěn)定工況下可以看成是穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)[8]。對(duì)于活塞的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)φ（x，y，z），在直角坐標(biāo)系中可描述為如下導(dǎo)熱微分方程：

對(duì)于具體的某一導(dǎo)熱現(xiàn)象，在求解其導(dǎo)熱微分方程時(shí)，需提供對(duì)應(yīng)的定解條件，主要包括幾何條件、物理?xiàng)l件、初始條件及邊界條件。其中，常見(jiàn)的邊界條件有三類：恒定溫度、熱流密度、對(duì)流。在這里選取第三類邊界條件。

3 活塞有限元模型的建立

3.1 有限元模型的建立

針對(duì)4100QBZ 渦輪增壓柴油機(jī)的活塞進(jìn)行研究，燃燒室的形式為縮口ω 型，由于活塞各熱分析載荷邊界條件不同且不是軸對(duì)稱零件，取完整的活塞進(jìn)行分析。

在UG 中，依照實(shí)物的實(shí)際尺寸創(chuàng)建活塞三維幾何模型。在計(jì)算結(jié)果精度達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，忽略了活塞中的活塞環(huán)槽、活塞銷座內(nèi)部倒角等局部特征，如圖1 所示。然后將創(chuàng)建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件，采用Tetrahedrons 中的Patch Conforming 算法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定整體網(wǎng)格尺寸為2mm，并對(duì)活塞頂表面、ω 燃燒室等區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格尺寸設(shè)為1mm。共劃分669136 個(gè)節(jié)點(diǎn)、443560 個(gè)單元。

圖1 活塞三維模型及網(wǎng)格模型Fig.1 Three-Dimensional Model and Mesh Model of Piston

3.2 熱分析載荷邊界條件的確定

表1 活塞換熱邊界條件Tab.1 The Heat Transfer Boundary Conditions of Piston

熱分析載荷邊界條件的準(zhǔn)確與否直接影響著活塞溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)是否精確。利用參考文獻(xiàn)[9-10]的經(jīng)驗(yàn)公式初步得到活塞各個(gè)表面的熱分析載荷邊界條件，然后通過(guò)活塞各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度[11]反復(fù)修正，最終獲得與實(shí)驗(yàn)值相差不超過(guò)10℃的活塞各熱分析載荷邊界條件，如表1 所示?；钊麥囟确植迹鐖D2 所示。

圖2 活塞溫度分布圖Fig.2 Temperature Distributionof Piston

由圖2 分析可得，活塞的溫度梯度較大，最高溫度367.4℃位于燃燒室喉口與排氣凹坑交接處，并且沿活塞軸向方向，由上往下溫度逐漸降低，最低溫度142℃位于活塞裙部最下端。進(jìn)一步分析活塞的頂面溫度分布規(guī)律，從圖2 可知，溫度沿徑向變化明顯，由內(nèi)往外溫度逐漸降低，并且燃燒室靠近環(huán)岸一側(cè)的溫度大于遠(yuǎn)離環(huán)岸一側(cè)的溫度。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)單因素實(shí)驗(yàn)

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇

通過(guò)上文初步分析，由于活塞頂面與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，活塞內(nèi)腔頂端被機(jī)油冷卻，四周又通過(guò)第一、二道活塞環(huán)進(jìn)行冷卻，使活塞頭部的溫度和溫度梯度很大，容易造成活塞局部位置產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。在活塞頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)中，燃燒室位置、活塞頂厚度和火力岸高度影響著活塞頂面和燃燒室到環(huán)區(qū)和內(nèi)腔頂側(cè)等吸收熱量部位的距離，進(jìn)而影響到活塞傳熱和溫度場(chǎng)的分布。

綜上所述，確定優(yōu)化參數(shù)為燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度3 個(gè)參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3 Sketch Map of Structural Parameters

圖中：A—燃燒室偏置量，mm；B—活塞頂厚度，mm；C—火力岸高度，mm。

4.2 參數(shù)設(shè)計(jì)方案

表2 因素水平表Tab.2 Factor Level Table

每個(gè)因素以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的極限尺寸為依據(jù)，將其等分為5 個(gè)水平，得到的各個(gè)因素下不同水平的取值，如表2 所示。

4.3 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)活塞傳熱的影響

以活塞最高溫度、第一環(huán)槽最高溫度和內(nèi)腔頂側(cè)最高溫度為考察指標(biāo)，對(duì)燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果，如圖4 所示。

圖4 各特征參數(shù)對(duì)活塞關(guān)鍵部位溫度的影響Fig.4 Effect of Each Characteristic Parameter on the Temperature of Key Parts of Piston

由圖4 分析發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒室偏置量（A）的增加，燃燒室與偏離活塞中心一側(cè)的環(huán)區(qū)的距離減小，導(dǎo)致活塞頂部的熱量在燃燒室靠近環(huán)岸一側(cè)堆積，溫度大幅上升，活塞最高溫度最多上升23℃，第一環(huán)槽最高溫度最多上升21℃。由于活塞頂面和燃燒室到內(nèi)腔頂側(cè)的距離基本不受燃燒室位置改變的影響，燃燒室位置的變化對(duì)內(nèi)腔頂側(cè)的溫度場(chǎng)影響較小。

隨著活塞頂厚度（B）的增加，燃燒室底端到內(nèi)腔頂側(cè)的距離增加，導(dǎo)致燃燒室底端的熱量傳向內(nèi)腔頂側(cè)受阻，傳入內(nèi)腔頂側(cè)的熱量減少，使內(nèi)腔頂側(cè)溫度降低，內(nèi)腔頂側(cè)最高溫度最多下降30.6℃。但是由于活塞內(nèi)腔頂側(cè)離活塞頂面、環(huán)區(qū)較遠(yuǎn)，活塞頂厚度的變化對(duì)活塞頂面、環(huán)區(qū)的溫度分布影響較小。

隨著火力岸高度（C）的增加，活塞頂面和燃燒室到環(huán)區(qū)和內(nèi)腔頂側(cè)等吸收熱量部位的距離均會(huì)不同程度增加，導(dǎo)致活塞頂部的熱量傳向各個(gè)吸收熱量區(qū)域受阻，使活塞頭部溫度上升，活塞最高溫度最多上升13.8℃。活塞頭部熱量傳向環(huán)區(qū)受阻，進(jìn)而導(dǎo)致傳入第一環(huán)槽的熱量減少，使第一環(huán)槽處溫度降低，最多降低6.5℃。內(nèi)腔頂側(cè)最高溫度隨著火力岸高度增加而降低，最多降低13.8℃。

5 結(jié)構(gòu)參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法可以獲得各相關(guān)因素的影響程度，因此，采用正交實(shí)驗(yàn)法確定上述單因素實(shí)驗(yàn)中各個(gè)參數(shù)對(duì)活塞考察區(qū)域溫度場(chǎng)的影響程度。正交實(shí)驗(yàn)法在水平較少的情況下具有較高的效率，因此，選取上述實(shí)驗(yàn)中各個(gè)參數(shù)的最大值、最小值和中間值作為正交實(shí)驗(yàn)的三個(gè)水平值進(jìn)行研究，因素水平表，如表3 所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表Tab.3 Factor Level Table of Orthogonal Experiment

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以活塞最高溫度為考察指標(biāo)，采用正交設(shè)計(jì)表L9（34）對(duì)燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并利用極差分析尋找實(shí)驗(yàn)的主次順序、最優(yōu)水平、最優(yōu)組合，如表4 所示。

表4 正交實(shí)驗(yàn)及極差分析Tab.4 Orthogonal Experiment and Range Analysis

從表4 中可以看出，對(duì)于活塞最高溫度，各因素極差排序?yàn)锳＞C＞B。其中，燃燒室偏置量對(duì)活塞最高溫度的影響最大，其影響比例達(dá)到60.3%，其次是火力岸高度，活塞頂厚度影響最小。對(duì)于指標(biāo)活塞最高溫度，從表中可看出，考慮活塞最高溫度達(dá)到最低，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為A1B3C1，即燃燒室偏置量3mm、活塞頂厚度26mm、火力岸高度10mm 時(shí)。以最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合構(gòu)建三維模型，對(duì)優(yōu)化之后的活塞的溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，所得結(jié)果，如圖5 所示。最優(yōu)組合下，活塞最高溫度為359.7℃，比原方案下降了7.7℃。

圖5 優(yōu)化之后的活塞溫度場(chǎng)Fig.5 Temperature Field of Optimized Piston

6 總結(jié)

（1）結(jié)合活塞實(shí)測(cè)溫度與經(jīng)驗(yàn)公式，利用有限元仿真方法獲得了活塞準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)，確定了活塞傳熱的主要優(yōu)化參數(shù)。分析發(fā)現(xiàn)，活塞的溫度梯度較大，最高溫度367.4℃出現(xiàn)在燃燒室喉口與排氣凹坑交接處，并且沿活塞軸向方向，由上往下溫度逐漸降低，最低溫度142℃位于活塞裙部最下端。進(jìn)一步分析活塞的頂面溫度分布規(guī)律，活塞頂面的溫度沿徑向變化明顯，由內(nèi)往外溫度遞減，并且燃燒室靠近環(huán)岸一側(cè)的溫度大于遠(yuǎn)離環(huán)岸一側(cè)的溫度。

（2）燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度均對(duì)活塞溫度場(chǎng)有一定的影響，燃燒室偏置量和火力岸高度對(duì)活塞最高溫度和第一環(huán)槽最高溫度的影響較大，活塞頂厚度和火力岸高度對(duì)內(nèi)腔頂部最高溫度的影響較大。

（3）應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)的方法優(yōu)化了活塞頭部結(jié)構(gòu)參數(shù)，最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合為燃燒室偏置量為3mm、活塞頂厚度為26mm、火力岸高度為10mm。最優(yōu)組合下，活塞最高溫度為359.7℃，比原方案下降了7.7℃。