陶瓷涂覆的柴油機(jī)活塞熱分析

李恩光，李毓

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

活塞作為內(nèi)燃機(jī)最重要的零部件之一，其設(shè)計(jì)的合理性成為制約內(nèi)燃機(jī)排放和燃燒的關(guān)鍵點(diǎn)。只有活塞可靠高效的工作，才能讓活塞式內(nèi)燃機(jī)具有旺盛的生命力[1]。英國伯明翰大學(xué)的Soheil Zeraati-Rezaei 等人在一臺(tái)四缸柴油機(jī)上進(jìn)行了汽油摻混柴油的中、高負(fù)荷下排放試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，特別是在高負(fù)荷下燃料的霧化質(zhì)量和活塞表面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒相位有很大的影響[2]。Dean Pierce 等人指出隨著缸內(nèi)峰值壓力提高，活塞熱負(fù)荷增加，活塞溫度增高[3]，隨之而來的負(fù)面影響也逐漸增多。陶瓷涂層具有良好的隔熱效果，可以用來控制活塞溫度的分布和熱流量[4]，從而提高燃燒效率。同時(shí)Kun Ye 等人[5]的研究表明活塞表面溫度還會(huì)對(duì)傳熱、熱壓力產(chǎn)生影響。本文設(shè)計(jì)出了帶陶瓷涂層的活塞三維模型。設(shè)定正確的活塞邊界條件，使用軟件對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在活塞頂部涂覆陶瓷涂層可以降低其溫度。

1 材料的屬性

在活塞頂部涂覆陶瓷涂層就是為了利用陶瓷的高耐熱性和低導(dǎo)熱性來保護(hù)基體合金材料。由于氧化鋯基有低的熱傳導(dǎo)率和高的熱膨脹系數(shù)，所以它被用作活塞涂層，如表1。本設(shè)計(jì)將涂層分為6 層，其中與基體相連的金屬層1 層、過渡層4 層、陶瓷層1 層，每層厚度為 0.4mm[6]。

表1 陶瓷材料物性參數(shù)

2 有限元模型的建立

本設(shè)計(jì)活塞是燃燒室為ω 型的鋁硅合金活塞。該類型活塞結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，是軸對(duì)稱部件,考慮到精度與計(jì)算量，此次分析使用活塞1/2 模型，這樣既可以提高精度，也可以減少計(jì)算方程的剛度，是可行的[7]?；钊?/2 三維模型如圖1。將帶有覆層活塞的活塞模型導(dǎo)入到ANSYS 中，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，將活塞涂層網(wǎng)格設(shè)置為1mm，其余地方設(shè)置為3mm，共有693250 節(jié)點(diǎn)，487705 單元?；钊邢拊Ｐ腿鐖D2。

圖1 活塞1/2 三維模型

圖2 活塞有限元網(wǎng)格模型

3 活塞的邊界條件

活塞頂部是活塞熱量流入的地方，該部分換熱介質(zhì)溫度和換熱系數(shù)將會(huì)對(duì)整個(gè)活塞溫度場分布產(chǎn)生重大影響。缸內(nèi)燃?xì)馄骄鶞囟葹?033℃，活塞頂部與缸內(nèi)燃?xì)獾钠骄鶕Q熱系數(shù)為875W/m2·K?；钊斆婷總€(gè)部位的換熱系數(shù)均以以上數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

表2 活塞主要部分熱邊界條件

缸套與活塞之間隔著活塞環(huán)、機(jī)油油膜和氣體，熱傳遞過程采用多層平壁傳熱模型，按第三類邊界條件處理；內(nèi)冷油腔換熱系數(shù)利用管流計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，取活塞內(nèi)冷油腔換熱系數(shù)為3000W/m2·K；活塞內(nèi)腔主要通過曲軸箱氣體與外界進(jìn)行熱量傳遞，然而曲軸箱內(nèi)氣體溫度相對(duì)比較穩(wěn)定，而且活塞內(nèi)腔不與燃?xì)庵苯咏佑|，因此其換熱系數(shù)變化范圍比較小。經(jīng)過整理計(jì)算，得出活塞主要部分的熱邊界條件，如表2。

4 結(jié)果和討論

設(shè)置活塞各層材料的物性參數(shù)，將活塞各部分熱邊界條件施加到劃分好網(wǎng)格的有限元模型中，然后在軟件中進(jìn)行一系列必要的設(shè)置，再進(jìn)行分析計(jì)算，得到涂覆陶瓷層對(duì)活塞所起的作用?；钊姆€(wěn)態(tài)溫度場分別如圖3 和圖4。

圖3 無陶瓷涂覆活塞的溫度場

圖4 帶陶瓷涂覆活塞的溫度場

通過活塞溫度場分布可以看出，帶涂層活塞溫度的整體分布與無涂層活塞的溫度相似，都是從活塞頂至活塞底部沿軸線方向逐漸下降，最大值出現(xiàn)在活塞頂部，最小值出現(xiàn)在活塞裙部最低端。無涂層活塞表面最高溫度為332.02℃，帶涂層活塞表面最高溫度為466.82℃，帶涂層活塞表面的最高溫度比無涂層活塞表面的最高溫度提高了40.6%，而活塞基體的最高溫度為289.01℃,相比沒有涂層下降了12.95%。這是因?yàn)樘沾傻膶?dǎo)熱系數(shù)比活塞基體導(dǎo)熱系數(shù)小很多，熱傳遞量隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小而減小，因而陶瓷層阻止了許多由頂部向下傳遞的熱量，使得頂部溫度上升，基體溫度下降。同時(shí)陶瓷涂層也給燃燒室提供了更高的溫度，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。

5 結(jié)論

（1）利用PRO/E 軟件建立活塞模型時(shí)，建立了1/2 模型。將三維模型導(dǎo)入到ANSYS 進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)合理劃分網(wǎng)格，并對(duì)特殊部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

（2）從本設(shè)計(jì)可以看出，由于陶瓷材料具有良好的絕熱性與較低的熱膨脹性，使得活塞基體溫度較低、總體變形量減小。