150柴油機活塞瞬態(tài)溫度場分析

張 翼，王永昌，馬運昌，李海鷹

(1.中北大學(xué)能源動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)(2.中國北方發(fā)動機研究所，天津 300400)

活塞是發(fā)動機的主要受熱零件，隨著發(fā)動機強化程度越來越高，活塞工作條件越來越惡劣，活塞長期處于高溫、高壓、高負荷環(huán)境，會使其溫度不斷升高并產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，活塞熱負荷的溫度場分布是設(shè)計人員研究的主要內(nèi)容之一。Esfahanian等[1]分析了3種燃燒邊界條件對活塞熱性能的影響，認為采用空間和時間平均燃氣側(cè)邊界條件是合理的方法。李闖等[2]針對某型號柴油機活塞，利用數(shù)值模擬方法設(shè)計了9種不同形狀的油腔，得到了活塞溫度場的分布。高鵬飛等[3]采用子結(jié)構(gòu)法對活塞溫度分布進行了有限元分析。任建民等[4]利用ANSYS軟件對往復(fù)式活塞壓縮機的活塞溫度分布進行了熱力學(xué)仿真。陶建辛等[5]對活塞熱流分配進行有限元分析。文均等[6]采用薄膜熱電偶測溫法和引線式傳輸系統(tǒng)，對發(fā)動機過渡工況下活塞頂面測點瞬態(tài)溫度場變化規(guī)律進行了試驗測試研究，并對最大轉(zhuǎn)矩工況活塞頂面不同位置溫度值進行了分析計算。原彥鵬等[7]采用有限元方法研究了活塞瞬態(tài)溫度場的分布情況和變化規(guī)律。鄧晟偉等[8]應(yīng)用二次多項式研究了中間工況活塞溫度隨轉(zhuǎn)速和扭矩的變化趨勢。高鵬等[9]針對柴油機活塞-缸套相對運動傳熱過程，運用移動載荷方法對一個工作循環(huán)的傳熱過程進行了模擬仿真，得到整體溫度分布和溫度變化的原因。前人的研究主要集中在活塞整體溫度場，對于活塞頂面瞬態(tài)溫度波動變化規(guī)律研究較少，因此本文針對活塞頂面溫度場及溫度波動進行了詳細的分析計算。

本文建立150四沖程直噴柴油機活塞模型，對其在標定工況下的瞬態(tài)溫度場進行數(shù)值模擬，利用converge仿真得到缸內(nèi)工質(zhì)的瞬時溫度和換熱系數(shù)，應(yīng)用傅里葉函數(shù)加載隨時間周期性變化的溫度和換熱系數(shù)，從而得到活塞溫度場隨時間的波動情況。

1 活塞有限元模型的建立

活塞燃燒室為W型，三維活塞模型根據(jù)圖紙幾何尺寸應(yīng)用Pro/E軟件進行建模。為了便于分析活塞溫度，對活塞模型進行適當(dāng)簡化，忽略對計算結(jié)果影響很小的油道和一些細小圓角?；钊湍湍ヨ?cè)Ψ謩e為硅鋁合金和鑄鐵材料。活塞和耐磨鑲?cè)W(wǎng)格模型共劃分網(wǎng)格數(shù)39 846個，節(jié)點數(shù)63 911個。實體模型和網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 活塞和耐磨鑲?cè)嶓w模型和網(wǎng)格模型

2 邊界條件

2.1 活塞頂面換熱系數(shù)和溫度計算

內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的傳熱是一個復(fù)雜的過程，利用converge建立柴油機的工作過程模型，模擬得到額定工況下缸內(nèi)燃氣瞬時對流換熱系數(shù)和瞬時溫度變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 燃氣瞬時對流換熱系數(shù)

圖3 燃氣瞬時溫度

在進行瞬態(tài)溫度場分析時，首先計算標定工況活塞頂面的穩(wěn)態(tài)溫度和換熱系數(shù)，然后將計算結(jié)果作為活塞瞬態(tài)溫度場分析的初始條件。缸內(nèi)燃氣平均溫度Tgas和平均對流換熱系數(shù)αgas分別按以下公式計算：

(1)

(2)

式中：Tg為燃氣瞬時溫度；αg為燃氣瞬時對流換熱系數(shù)；φ為曲軸轉(zhuǎn)角；φ0為終了時刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。將參數(shù)值代入式(1)、(2)，計算得到一個工作循環(huán)的燃氣平均溫度Tgas=1 199 K，平均換熱系數(shù)αgas=473 W/(m2·K)?；钊斆鎿Q熱系數(shù)分布應(yīng)用AVL BOOST公司推薦的變化趨勢，如圖4所示[10]，然后將變化的換熱系數(shù)在ABAQUS中通過幅值的方式加載到活塞模型中。

圖4 活塞頂面換熱系數(shù)分布趨勢曲線圖

2.2 活塞側(cè)面換熱系數(shù)計算

火力岸始終和燃燒室內(nèi)的燃氣相接觸，但是燃氣受到了一定的節(jié)流作用，因此火力岸的邊界條件相較于活塞頂部的燃氣溫度和對流換熱系數(shù)低一些。在不考慮活塞及活塞環(huán)的漏氣和由此產(chǎn)生的影響下，并且假設(shè)活塞和環(huán)槽之間無間隙，則可以認為第一道氣環(huán)以下的區(qū)域換熱方式為熱傳導(dǎo)。采用串聯(lián)熱阻的方法推導(dǎo)各部分的換熱系數(shù)。多層平壁導(dǎo)熱模型采用以下公式：

(3)

根據(jù)水套中冷卻水的流動參數(shù)得到冷卻水的雷諾數(shù)Re=5.58×104，對于管內(nèi)湍流換熱可以采用Dittns-Boelter公式[11]：

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(4)

(5)

式中：Nu為冷卻水努謝爾數(shù)；Pr為冷卻水的普朗數(shù)，Pr=5.90；λf為冷卻水的導(dǎo)熱系數(shù)，λf=0.68 W/(m·K)；D當(dāng)為水套的當(dāng)量直徑，D當(dāng)=87.8 mm；αw為缸套與冷卻水之間的換熱系數(shù)。由式(4)、(5)計算得到αw=2 273 W/(m2·K)。

2.3 活塞內(nèi)腔

該柴油機采用強制噴油振蕩冷卻的方式對活塞底部進行冷卻，其換熱系數(shù)hoil計算公式為：

(6)

式中：T1為活塞頂溫度，取值為598 K；T2為活塞內(nèi)腔溫度，取值為573 K；toil為活塞內(nèi)腔油霧溫度，取值為322～333 K；λ為活塞材料的導(dǎo)熱系數(shù)，取值為159 W/(m2·K)；δ為活塞頂?shù)暮穸?，取值?7.2 mm。由式(6)計算活塞內(nèi)腔的換熱系數(shù)自下而上取582～609 W/(m2·K)。

2.4 活塞內(nèi)冷油腔的換熱系數(shù)

對于強制噴油振蕩冷卻的油腔，通常采用Bush經(jīng)驗公式[11]：

Nu=0.495Re0.57D*0.24Pr0.29

(7)

(8)

式中：Re為冷卻油的雷諾數(shù)，取值為285.75；D*為冷卻油腔直徑比，取值為0.75；D為活塞橫斷面油腔直徑，取值為12.7×10-3m；λ0為冷卻機油導(dǎo)熱系數(shù)，取值為0.128 W/(m·K)；αc為冷卻油腔的換熱系數(shù)。冷卻油的普朗特數(shù)Pr=500。由式(7)計算得到αc= 1 418 W/(m2·K)。

通過以上經(jīng)驗公式和實際測量值得到某150四沖程直噴柴油機活塞綜合換熱邊界條件見表1。

表1 活塞綜合換熱邊界條件

3 瞬態(tài)溫度計算

將上述活塞邊界條件加載到有限元模型中，計算得到活塞頂面瞬態(tài)溫度與時間的變化曲線如圖5所示，初始階段活塞頂面與高溫燃氣直接接觸，活塞頂面溫度最高且上升速率最快，隨著時間的推移活塞高溫區(qū)域擴大，熱量向裙部擴散。從活塞頂面溫度變化曲線可以看出，100 s后活塞頂面溫度變化速率變小，150 s后基本可以認為活塞溫度場趨于穩(wěn)定。

圖5 活塞頂面瞬態(tài)溫度與時間的變化曲線

活塞各時刻溫度場如圖6所示。由圖6可知，活塞最高溫度為564 K，活塞的高溫區(qū)域主要集中在活塞頭部外沿以及中部區(qū)域，活塞第一環(huán)上部溫度最高為510 K，環(huán)槽溫度最高溫度為486 K，下部最高溫度為463 K?；钊麖念^部到裙部下邊緣溫度分布呈逐漸降低的趨勢。活塞材料的允許極限溫度為633 K，第一環(huán)槽積碳溫度為503 K，活塞的最高溫度和第一環(huán)槽的溫度均低于允許極限溫度，因此活塞設(shè)計滿足熱負荷的要求。

4 活塞頂面溫度波動計算

為了深入分析活塞頂面溫度波動情況，利用已獲得的converge三維缸內(nèi)燃燒仿真模型結(jié)果，將活塞頂面的瞬時溫度和換熱系數(shù)通過映射的方式添加到活塞頂面?？紤]到計算機的計算性能，選取初始時刻活塞10個循環(huán)工況，計算活塞頂面隨時間變化的溫度場，活塞頂面啟動工況瞬態(tài)溫度場如圖7所示。

取活塞頂面A點、B點繪制如圖8所示溫度波動隨時間的變化趨勢。由圖8可知，活塞頂面溫度變化趨勢和缸內(nèi)燃氣溫度變化趨勢總體相同?；钊邷貐^(qū)域主要集中在中部區(qū)域和喉口部位。表2為活塞頂面A點溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。由表可知，A點的最高溫度和最低溫度隨著曲軸轉(zhuǎn)數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，但增大速率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；A點在每轉(zhuǎn)的最高溫度和最低溫度的溫差逐漸增大，但增大速率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。隨著曲軸轉(zhuǎn)數(shù)的增加活塞溫度逐漸升高，頂面溫度與燃氣溫度的溫差逐漸減小，使得活塞頂面溫度逐漸上升且上升速率逐漸減小。

圖6 活塞各時刻溫度場

圖7 活塞頂面啟動工況瞬態(tài)溫度場

圖8 活塞頂面溫度波動

表2 活塞頂面A點溫度變化

5 結(jié)論

1) 活塞從初始溫度達到穩(wěn)態(tài)需要150 s左右，且溫升速率逐漸減小，活塞頂面溫度最高為564 K，溫度分布由頂面向下呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

2) 在計算機性能允許的情況下，計算活塞頂面溫度的方法可以用于研究任意周期下的瞬態(tài)溫度場和溫度波動情況，具有一定的工程意義。

3) 在發(fā)動機10個循環(huán)內(nèi)，該柴油機活塞頂面存在溫度波動，溫度波動呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，且增大的速率逐漸減小，初始時刻溫度波動值為7 K左右。