基于有限元法的多工況下柴油機活塞溫度場分析

施超，馬成，李光明，汪江

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于有限元法的多工況下柴油機活塞溫度場分析

施超，馬成，李光明，汪江

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

通過UG軟件建立了活塞的幾何模型。在重點討論了活塞熱邊界條件的計算后，借助有限元分析軟件ANSYS，對某柴油機活塞溫度場建立其有限元模型。利用該模型分析了多工況下活塞溫度的變化情況。

柴油機；活塞；有限元法；熱邊界條件；多工況

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-148-03

引言

活塞作為內燃機的關鍵零部件之一，它的工作情況直接關系到高速內燃機的工作可靠性和耐久性。活塞所處的工作環境十分復雜，在工作狀態下受到高壓燃氣壓力等綜合作用。高壓氣體燃燒產生的高溫使活塞頂部甚至整個活塞溫度較高，且溫度分布很不均勻，極易導致活塞產生熱應力和熱變形。熱負荷和機械負荷耦合將導致活塞產生裂紋、活塞環膠結以及拉缸等。所以，在設計階段對活塞進行溫度場有限元分析，是了解活塞的熱負荷狀態和綜合應力分布情況的基礎。對于改進活塞結構設計，提高工作可靠性具有重要意義。

1 分析原理

如今有限元法(FEM,Finite Element Method)在活塞開發設計中的廣泛應用，降低活塞開發及驗證的成本，縮短設計周期。有限元分析問題流程如圖1所示。

圖1 有限元分析問題流程圖

2 活塞熱邊界條件的計算

標定工況所指的是柴油機轉速為標定轉速3200r/min，負荷為滿載條件。通過標定工況下測得的示功圖，結合柴油機的主要技術參數見表1，計算得出燃氣的平均換熱系數和環境溫度。對于其它區域的換熱系數及溫度，可參考類似活塞對應區域的換熱系數和環境溫度。通過將各區域的換熱系數和環境溫度加在活塞對應區域上， ANSYS即可運算得出活塞溫度場的分布狀況。

表1

3 不同轉速的工況下活塞溫度的變化

當負荷為100%時取3種不同轉速工況，進行活塞溫度場的有限元分析計算。這三種不同轉速工況是：3200r/min，2400r/min，1600r/min。

由實測的示功圖（圖2、圖3、圖4）可計算出各自工況下的燃氣的平均溫度和平均換熱系數。通過將算得的不同結果用于替換活塞頂面和燃燒室各個部位的換熱系數和環境溫度，而對其他區域的邊界條件則采用相同的數值。主要是因為活塞的溫度主要是取決于燃氣的溫度和換熱系數，而燃氣直接作用于活塞頂面和燃燒室，所以這兩個部位的換熱系數和溫度在不同工況下差距很大。

表2 頂面及燃燒室的熱邊界條件

表3 頂面及燃燒室的熱邊界條件

轉速為3200r/min的工況時的燃氣的換熱系數為361W/m2·K，平均溫度是1361K。其頂面及燃燒室的熱邊界條件見表2。轉速為2400r/min的工況時的燃氣的換熱系數為360.5W/m2·K，平均溫度是1411.8K。其頂面及燃燒室的熱邊界條件見表3。轉速為1600r/min的工況下的燃氣的換熱系數為320.2 W/m2·K，平均溫度為1625.5K。其頂面及燃燒室的熱邊界條件見表4。

圖2 3200r/min工況下的示功圖

圖3 2400r/min工況下的示功圖

圖4 1600r/min工況下的示功圖

表4 頂面及燃燒室的熱邊界條件

綜合轉速為3200r/min、2400r/min、1600r/min三種工況下，ANSYS計算得出活塞的溫度場云圖。如下圖5所示。

圖5 不同轉速下活塞溫度場的分布

發動機轉速的不同對活塞溫度場的分布大致沒有影響。但對活塞的最高溫度與最低溫度或平均溫度影響較大，如表5。

表5 不同轉速下活塞溫度的最值

3 結論

負荷相同時，發動機轉速越高，活塞頂面的最高溫度卻越低。這是因為當發動機轉速增加時，氣缸中紊流增強，火焰傳播速度加快。這就避免了一些未燃混合氣，由于溫度達到其自燃溫度而著火燃燒，形成新的火焰中心，產生額外新的火焰傳播。也就是說減少了爆燃的傾向。爆燃可使缸內局部壓力和溫度升高，在形成強烈的壓力沖擊波后。沖擊波反復沖擊燃燒室壁，發出尖銳的敲缸聲。同時強烈的爆燃時的沖擊波會破壞氣體附面層（起著隔熱的作用）是機件與高溫燃氣直接接觸，從而使機件燒毀。既然爆燃的情況少了，活塞頂面的溫度也降低了。

由此進一步分析得出，活塞溫度的高低取決于爆燃的傾向，爆燃傾向大則活塞溫度高，爆燃傾向小則活塞溫度低。而發動機轉速的改變可牽涉到爆燃傾向的大小，從而對活塞的溫度產生影響。

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[2] 王為成,孫平,董愛華.YZ4105QF柴油機活塞溫度場的測量及三維有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車,2008.4.

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[4] 張朝暉.Ansys熱分析教程與實例解析[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[5] 張國智, 胡仁喜, 陳繼剛.ANSYS10.0熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京:機械工程出版社,2007.

To analyze the temperature field of piston in engine with different working conditions

Shi Chao, Ma Cheng, Li Guangming, Wang Jiang
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Set up a geometry model of the piston with UG. With discussing thermal boundary conditions of piston, the temperature field of the piston model is calculated by ANSYS. At last, we can see the changes of piston temperature in different working conditions.

Diesel engine; Piston; Finite element method; thermal boundary condition; different working conditions

U467

A

1671-7988 (2017)15-148-03

施超，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.054