汽油機(jī)活塞傳熱分析

汪展展，安玉環(huán)，孫環(huán)，王能河

（燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

前言

汽油機(jī)作為目前車輛最普遍的動(dòng)力裝置之一，面臨燃料價(jià)格不斷增加，以及車輛越來越多而引起的環(huán)境惡化問題。因而改進(jìn)汽油機(jī)燃燒技術(shù)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、以及排放性是人們一直以來不斷追求的目標(biāo)[1]。雖然內(nèi)燃機(jī)受到不可再生能源的限制，但是新能源技術(shù)還處于初級(jí)階段，所以，在以后幾十年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍然是車輛主要?jiǎng)恿碓碵2]。杜丹陽通過改變活塞頭部形貌提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比及改善缸內(nèi)流場(chǎng)來提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能[3]。

活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件之一，長期工作于惡劣環(huán)境中，活塞工作過程中，活塞頂面承受著很高的交變熱負(fù)荷。這些負(fù)荷嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的使用壽命，并且可能出現(xiàn)拉缸、咬缸、結(jié)膠等故障。極大地危害了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。因此，有必要求解活塞溫度場(chǎng)。本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)異型活塞溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出溫度分布。

1 活塞有限元模型建立

1.1 幾何模型的建立

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，有限元計(jì)算方法日漸成熟。T. Morel[4]首次運(yùn)用網(wǎng)格法模擬計(jì)算活塞的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。施培文[5]、謝琰[6]建立活塞整體模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

本文用 CATIA建立硅鋁合金活塞的整體模型。轉(zhuǎn)換成STP格式導(dǎo)入ABAQUS中，活幾何模型如圖1所示。

圖1 活塞幾何模型

1.2 活塞模型的網(wǎng)格處理

為了獲取準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。應(yīng)合理提高網(wǎng)格質(zhì)量，這樣既能節(jié)省計(jì)算時(shí)間又能保證計(jì)算結(jié)果精度。運(yùn)用 ABAQUS軟件自帶網(wǎng)格劃分工具對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分：采用四面體網(wǎng)格劃分，四節(jié)點(diǎn)線性傳熱四面體單元DC3D4。網(wǎng)格數(shù)目為活塞網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為1487894?；钊W(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 活塞網(wǎng)格劃分模型

2 理論模型

2.1 導(dǎo)熱微分方程

關(guān)于固體導(dǎo)熱問題利用傅立葉定律，其向量表達(dá)式為：

式中：q為熱流密度(W·m-2)；k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W·K-1·m-1）；gradT 為溫度梯度（K·m-1）。

由傳熱學(xué)的基本方程，按照能量守恒定律，可以得到固體導(dǎo)熱微分方程：

式中：cp為定壓比熱容（J·kg-1·K-1）。φ為內(nèi)熱源（W·m-3）。

由于活塞內(nèi)部沒有熱源，并且活塞溫度整體變化范圍比較小，可以將其簡化為常物性，穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源問題。則導(dǎo)熱微分方程可寫成：

2.2 邊界條件的確定

熱邊界條件對(duì)活塞溫度分布有決定性作用，合理的邊界條件是保證仿真結(jié)果可靠的關(guān)鍵。

缸內(nèi)瞬時(shí)平均換熱系數(shù)以及缸內(nèi)瞬時(shí)溫度根據(jù)一維性能仿真軟件AVL_BOOST得到。一維仿真模型如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。缸內(nèi)循環(huán)平均溫度及換熱系數(shù)參考公式[7]。

式中：為缸內(nèi)循環(huán)平均溫度；缸內(nèi)循環(huán)平均換熱系數(shù)；Tg為缸內(nèi)瞬時(shí)平均溫度；hg為缸內(nèi)瞬時(shí)平均換熱系數(shù)。hg，Tg可由AVL_BOOST計(jì)算得出如圖5，圖6所示活塞側(cè)面邊界的當(dāng)量換熱系數(shù)計(jì)算入式為[8]。

式中：h活塞側(cè)面當(dāng)量換熱系數(shù)；tc潤滑油膜溫度；λe潤滑油膜導(dǎo)熱系數(shù)；tn活塞環(huán)溫度；λn活塞環(huán)導(dǎo)熱系數(shù)；tc氣缸壁溫度，λc氣缸壁導(dǎo)熱系數(shù)；h'修正熱交換系數(shù)。

圖4 燃?xì)鈧?cè)瞬時(shí)換熱系數(shù)

圖5 缸內(nèi)瞬態(tài)溫度

活塞裙部換熱系數(shù)按式(6)中去掉tn/λn計(jì)算，活塞內(nèi)腔換熱系數(shù)一般取 600～800W/(m2·K)[9]。火力岸處換熱系數(shù)取頂部燃?xì)鈧?cè)循環(huán)平均的 1/5～1/4比較合理?；钊渌吔鐥l件參考現(xiàn)有成果[8-9]以及實(shí)際情況，具體第三來熱邊界條件如表1所示。

表1 活塞主要壁面熱邊界條件

3 有限元傳熱分析結(jié)果

利用有限元軟件 ABAQUS仿真得到的活塞溫度場(chǎng)結(jié)果如圖6所示：

圖6 活塞溫度場(chǎng)

從圖6-a）可以得出平頂活塞的最大溫度為546.6K（273℃），位于活塞頂面中心，活塞溫度場(chǎng)關(guān)于活塞呈幾何對(duì)稱。從圖6-b)中可以看出活塞第一環(huán)槽、第二環(huán)槽、第三環(huán)槽的溫度分別為515K、501K、481K?；钊麅?nèi)腔溫度約為537K。

整體來看，活塞溫度沿活塞軸向，溫度越往下越低，由于活塞頂面始終與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，活塞頂部中心區(qū)域溫度較高。頂面周圍溫度低于中心位置，是因?yàn)榛钊斆嬷車x活塞環(huán)槽較近，熱量通過活塞環(huán)帶走之后，溫度下降。

圖7 活塞隔熱槽位置

采用隔熱槽的方法，即在活塞第一環(huán)槽上方開隔熱槽，減少熱量往第一環(huán)槽擴(kuò)散，以減少活塞第一環(huán)槽溫度。在平頂活塞火力岸處開隔熱槽，幾何模型如圖7所示。利用相同的方法計(jì)算開隔熱槽之后活塞溫度場(chǎng)如圖8所示。

從圖8-a)中可以看出，活塞第一環(huán)槽的溫度為509.8K，比之前溫度降低了大約 6.5K。但是活塞最高溫度為 550K，比之前的溫度增加了5.3K。因?yàn)殚_隔熱槽之后，隔熱槽阻斷了一部分熱流流向活塞第一環(huán)槽，迫使熱流向第二、第三環(huán)槽，減弱了活塞第一環(huán)槽的冷卻作用，從而使活塞最大溫度略有升高。

活塞開隔熱槽之后，溫度較高的區(qū)域明顯增大，活塞頂部在隔熱槽上面的部分溫度均在540K以上，而未開隔熱槽的溫度約為 523K-528K。活塞內(nèi)腔頂面中心位置溫度為540K。活塞開設(shè)隔熱槽后活塞第一環(huán)槽的溫度約為 509K。可以看出隔熱槽能降低活塞第一環(huán)槽的溫度，但活塞頂不溫度將會(huì)有所提高。

圖8 平頂活塞開隔熱槽溫度分布

4 結(jié)論

本文通過建立活塞三維模型并基于 ABAQUS對(duì)其溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析，得出活塞的溫度分布，為活塞機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了參考。得到以下結(jié)論：

1）活塞最高溫度出現(xiàn)在活塞頂面中位置，活塞溫度整體對(duì)稱。

2）通過在火力岸處開隔熱槽能有效降低活塞第一環(huán)槽的溫度，但會(huì)使活塞整體溫度有所增加，尤其是活塞隔熱槽以上部分。