150柴油机活塞瞬态温度场分析

张 翼，王永昌，马运昌，李海鹰

(1.中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)(2.中国北方发动机研究所，天津 300400)

活塞是发动机的主要受热零件，随着发动机强化程度越来越高，活塞工作条件越来越恶劣，活塞长期处于高温、高压、高负荷环境，会使其温度不断升高并产生热应力。因此，活塞热负荷的温度场分布是设计人员研究的主要内容之一。Esfahanian等[1]分析了3种燃烧边界条件对活塞热性能的影响，认为采用空间和时间平均燃气侧边界条件是合理的方法。李闯等[2]针对某型号柴油机活塞，利用数值模拟方法设计了9种不同形状的油腔，得到了活塞温度场的分布。高鹏飞等[3]采用子结构法对活塞温度分布进行了有限元分析。任建民等[4]利用ANSYS软件对往复式活塞压缩机的活塞温度分布进行了热力学仿真。陶建辛等[5]对活塞热流分配进行有限元分析。文均等[6]采用薄膜热电偶测温法和引线式传输系统，对发动机过渡工况下活塞顶面测点瞬态温度场变化规律进行了试验测试研究，并对最大转矩工况活塞顶面不同位置温度值进行了分析计算。原彦鹏等[7]采用有限元方法研究了活塞瞬态温度场的分布情况和变化规律。邓晟伟等[8]应用二次多项式研究了中间工况活塞温度随转速和扭矩的变化趋势。高鹏等[9]针对柴油机活塞-缸套相对运动传热过程，运用移动载荷方法对一个工作循环的传热过程进行了模拟仿真，得到整体温度分布和温度变化的原因。前人的研究主要集中在活塞整体温度场，对于活塞顶面瞬态温度波动变化规律研究较少，因此本文针对活塞顶面温度场及温度波动进行了详细的分析计算。

本文建立150四冲程直喷柴油机活塞模型，对其在标定工况下的瞬态温度场进行数值模拟，利用converge仿真得到缸内工质的瞬时温度和换热系数，应用傅里叶函数加载随时间周期性变化的温度和换热系数，从而得到活塞温度场随时间的波动情况。

1 活塞有限元模型的建立

活塞燃烧室为W型，三维活塞模型根据图纸几何尺寸应用Pro/E软件进行建模。为了便于分析活塞温度，对活塞模型进行适当简化，忽略对计算结果影响很小的油道和一些细小圆角。活塞和耐磨镶圈分别为硅铝合金和铸铁材料。活塞和耐磨镶圈网格模型共划分网格数39 846个，节点数63 911个。实体模型和网格模型如图1所示。

图1 活塞和耐磨镶圈实体模型和网格模型

2 边界条件

2.1 活塞顶面换热系数和温度计算

内燃机气缸内的传热是一个复杂的过程，利用converge建立柴油机的工作过程模型，模拟得到额定工况下缸内燃气瞬时对流换热系数和瞬时温度变化曲线，如图2、图3所示。

图2 燃气瞬时对流换热系数

图3 燃气瞬时温度

在进行瞬态温度场分析时，首先计算标定工况活塞顶面的稳态温度和换热系数，然后将计算结果作为活塞瞬态温度场分析的初始条件。缸内燃气平均温度Tgas和平均对流换热系数αgas分别按以下公式计算：

(1)

(2)

式中：Tg为燃气瞬时温度；αg为燃气瞬时对流换热系数；φ为曲轴转角；φ0为终了时刻所对应的曲轴转角。将参数值代入式(1)、(2)，计算得到一个工作循环的燃气平均温度Tgas=1 199 K，平均换热系数αgas=473 W/(m2·K)。活塞顶面换热系数分布应用AVL BOOST公司推荐的变化趋势，如图4所示[10]，然后将变化的换热系数在ABAQUS中通过幅值的方式加载到活塞模型中。

图4 活塞顶面换热系数分布趋势曲线图

2.2 活塞侧面换热系数计算

火力岸始终和燃烧室内的燃气相接触，但是燃气受到了一定的节流作用，因此火力岸的边界条件相较于活塞顶部的燃气温度和对流换热系数低一些。在不考虑活塞及活塞环的漏气和由此产生的影响下，并且假设活塞和环槽之间无间隙，则可以认为第一道气环以下的区域换热方式为热传导。采用串联热阻的方法推导各部分的换热系数。多层平壁导热模型采用以下公式：

(3)

根据水套中冷却水的流动参数得到冷却水的雷诺数Re=5.58×104，对于管内湍流换热可以采用Dittns-Boelter公式[11]：

Nu=0.023Re0.8Pr0.4

(4)

(5)

式中：Nu为冷却水努谢尔数；Pr为冷却水的普朗数，Pr=5.90；λf为冷却水的导热系数，λf=0.68 W/(m·K)；D当为水套的当量直径，D当=87.8 mm；αw为缸套与冷却水之间的换热系数。由式(4)、(5)计算得到αw=2 273 W/(m2·K)。

2.3 活塞内腔

该柴油机采用强制喷油振荡冷却的方式对活塞底部进行冷却，其换热系数hoil计算公式为：

(6)

式中：T1为活塞顶温度，取值为598 K；T2为活塞内腔温度，取值为573 K；toil为活塞内腔油雾温度，取值为322～333 K；λ为活塞材料的导热系数，取值为159 W/(m2·K)；δ为活塞顶的厚度，取值为27.2 mm。由式(6)计算活塞内腔的换热系数自下而上取582～609 W/(m2·K)。

2.4 活塞内冷油腔的换热系数

对于强制喷油振荡冷却的油腔，通常采用Bush经验公式[11]：

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

(7)

(8)

式中：Re为冷却油的雷诺数，取值为285.75；D*为冷却油腔直径比，取值为0.75；D为活塞横断面油腔直径，取值为12.7×10-3m；λ0为冷却机油导热系数，取值为0.128 W/(m·K)；αc为冷却油腔的换热系数。冷却油的普朗特数Pr=500。由式(7)计算得到αc= 1 418 W/(m2·K)。

通过以上经验公式和实际测量值得到某150四冲程直喷柴油机活塞综合换热边界条件见表1。

表1 活塞综合换热边界条件

3 瞬态温度计算

将上述活塞边界条件加载到有限元模型中，计算得到活塞顶面瞬态温度与时间的变化曲线如图5所示，初始阶段活塞顶面与高温燃气直接接触，活塞顶面温度最高且上升速率最快，随着时间的推移活塞高温区域扩大，热量向裙部扩散。从活塞顶面温度变化曲线可以看出，100 s后活塞顶面温度变化速率变小，150 s后基本可以认为活塞温度场趋于稳定。

图5 活塞顶面瞬态温度与时间的变化曲线

活塞各时刻温度场如图6所示。由图6可知，活塞最高温度为564 K，活塞的高温区域主要集中在活塞头部外沿以及中部区域，活塞第一环上部温度最高为510 K，环槽温度最高温度为486 K，下部最高温度为463 K。活塞从头部到裙部下边缘温度分布呈逐渐降低的趋势。活塞材料的允许极限温度为633 K，第一环槽积碳温度为503 K，活塞的最高温度和第一环槽的温度均低于允许极限温度，因此活塞设计满足热负荷的要求。

4 活塞顶面温度波动计算

为了深入分析活塞顶面温度波动情况，利用已获得的converge三维缸内燃烧仿真模型结果，将活塞顶面的瞬时温度和换热系数通过映射的方式添加到活塞顶面。考虑到计算机的计算性能，选取初始时刻活塞10个循环工况，计算活塞顶面随时间变化的温度场，活塞顶面启动工况瞬态温度场如图7所示。

取活塞顶面A点、B点绘制如图8所示温度波动随时间的变化趋势。由图8可知，活塞顶面温度变化趋势和缸内燃气温度变化趋势总体相同。活塞高温区域主要集中在中部区域和喉口部位。表2为活塞顶面A点温度随曲轴转角的变化。由表可知，A点的最高温度和最低温度随着曲轴转数的增加呈现逐渐增加的趋势，但增大速率呈现逐渐减小的趋势；A点在每转的最高温度和最低温度的温差逐渐增大，但增大速率呈现逐渐减小的趋势。随着曲轴转数的增加活塞温度逐渐升高，顶面温度与燃气温度的温差逐渐减小，使得活塞顶面温度逐渐上升且上升速率逐渐减小。

图6 活塞各时刻温度场

图7 活塞顶面启动工况瞬态温度场

图8 活塞顶面温度波动

表2 活塞顶面A点温度变化

5 结论

1) 活塞从初始温度达到稳态需要150 s左右，且温升速率逐渐减小，活塞顶面温度最高为564 K，温度分布由顶面向下呈现逐渐减小的趋势。

2) 在计算机性能允许的情况下，计算活塞顶面温度的方法可以用于研究任意周期下的瞬态温度场和温度波动情况，具有一定的工程意义。

3) 在发动机10个循环内，该柴油机活塞顶面存在温度波动，温度波动呈现逐渐增加的趋势，且增大的速率逐渐减小，初始时刻温度波动值为7 K左右。