天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度場(chǎng)仿真計(jì)算與測(cè)試分析

何永生，吳宇波

（1.龍口龍泵燃油噴射有限公司，龍口265701；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度場(chǎng)仿真計(jì)算與測(cè)試分析

何永生1，吳宇波2

（1.龍口龍泵燃油噴射有限公司，龍口265701；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

借助ANSYS有限元分析軟件對(duì)新開(kāi)發(fā)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞進(jìn)行額定工況點(diǎn)的溫度場(chǎng)仿真計(jì)算，得到活塞此工況點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布和疲勞安全系數(shù)。同時(shí)利用硬度塞法對(duì)活塞在整個(gè)工作過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試分析，驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性。仿真計(jì)算結(jié)果表明，活塞最高溫度為316.4℃，位于燃燒室頂部，疲勞安全系數(shù)大于1。設(shè)計(jì)的活塞滿足天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作要求。

氣體發(fā)動(dòng)機(jī) 活塞 溫度場(chǎng) 仿真計(jì)算 測(cè)試

1 前言

活塞是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要零件。由于活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作條件惡劣，其可靠性對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能而言至關(guān)重要。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以其利用清潔能源，有利于節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)正在悄然興起。隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的逐步普及，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)所暴露的問(wèn)題也逐漸增多，特別是活塞。其與高溫高壓燃?xì)庵苯咏佑|，承受較大的熱負(fù)荷，易產(chǎn)生開(kāi)裂、燒蝕等問(wèn)題。本分析從研究活塞溫度場(chǎng)的角度出發(fā)，利用有限元仿真軟件，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在工作狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布和疲勞安全系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，并通過(guò)活塞溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證有限元仿真計(jì)算的可靠性，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的設(shè)計(jì)提供相關(guān)指導(dǎo)。

2 活塞有限元仿真計(jì)算

2.1 活塞3維建模及網(wǎng)格劃分

在有限元分析之前，對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分。研究的活塞帶敞口型燃燒室。根據(jù)活塞的CAD設(shè)計(jì)圖紙，利用Pro/E建立了活塞的全尺寸3維模型，如圖1所示。考慮到活塞對(duì)稱性，取活塞、活塞銷和連桿小頭的1/2模型作為有限元分析模型，劃分有限元網(wǎng)格。活塞有限元網(wǎng)格如圖2所示，活塞有限元網(wǎng)格信息見(jiàn)表1。為了使仿真結(jié)果更加精確，可根據(jù)情況調(diào)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并對(duì)必要部位進(jìn)行適當(dāng)修正。

2.2 活塞材料及邊界條件

活塞材料為BH122A（牌號(hào)），其主要物理機(jī)械性能見(jiàn)表2。研究的活塞用于電站用電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，因而按發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率264 kW進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算邊界條件見(jiàn)表3。

圖1 活塞3維模型

圖2 活塞有限元網(wǎng)格

表1 活塞有限元網(wǎng)格信息

表2 活塞材料主要物理機(jī)械性能

2.3 活塞仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)仿真計(jì)算，得到活塞溫度場(chǎng)分布和活塞關(guān)鍵部位的溫度，分別見(jiàn)圖3和表4。由圖3可知活塞溫度較高的區(qū)域在活塞頂部和第1環(huán)槽。燃燒室溫度從中心到邊緣先降后升，在燃燒室邊緣達(dá)到最大值，最高溫度為316.4℃。此處的活塞材料最容易在高溫下失效，且熱應(yīng)力較高，設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。從圖3還可以看到，燃燒室底面溫度并不高，只有253.8℃，這歸功于冷卻油腔的貢獻(xiàn)。冷卻油腔對(duì)加強(qiáng)活塞傳熱和改善熱負(fù)荷、減小熱應(yīng)力效果顯著[1]。

表3 仿真計(jì)算邊界條件

圖3 活塞溫度場(chǎng)分布圖

表4 活塞關(guān)鍵部位溫度

通過(guò)仿真計(jì)算得到的活塞關(guān)鍵部位的疲勞系數(shù)見(jiàn)表5。從表5可見(jiàn)，活塞關(guān)鍵部位的疲勞安全系數(shù)均大于1，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)活塞疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求。活塞疲勞安全系數(shù)的變化與溫度有關(guān)，在活塞溫度較高的頂部區(qū)域疲勞安全系數(shù)較低，而在裙部等溫度較低區(qū)域疲勞安全系數(shù)則較高。由表5可見(jiàn)，易發(fā)生疲勞損壞的活塞第1環(huán)槽、銷座、銷孔等關(guān)鍵部位的疲勞安全系數(shù)雖基本滿足設(shè)計(jì)要求，但余量稍顯不足，長(zhǎng)期工作易出現(xiàn)疲勞裂紋。在活塞優(yōu)化改進(jìn)和臺(tái)架試驗(yàn)中應(yīng)關(guān)注這些部位的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題[2]。

表5 活塞關(guān)鍵部位疲勞系數(shù)

3 活塞溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)

進(jìn)行仿真分析時(shí)，僅知道發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等信息，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)階段，需要通過(guò)測(cè)量活塞表面工作溫度來(lái)確定設(shè)計(jì)的活塞是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，并確定其是否有較長(zhǎng)的使用壽命。

通常，通過(guò)測(cè)量活塞溫度場(chǎng)的方式來(lái)確定活塞工作溫度。同時(shí)，用測(cè)得的活塞工作溫度驗(yàn)證活塞仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性，還可用測(cè)量值修正活塞仿真計(jì)算的邊界條件，從而得到比較準(zhǔn)確的仿真計(jì)算結(jié)果。

3.1 活塞溫度場(chǎng)測(cè)量方法

活塞的溫度測(cè)量可分為非電量測(cè)量和電量測(cè)量。非電量測(cè)量的典型應(yīng)用為硬度塞法或易熔合金法，電量測(cè)量大多數(shù)采用熱電偶法或熱敏電阻法。

用硬度塞法測(cè)量活塞溫度，簡(jiǎn)單、可靠，且可通過(guò)布置大量測(cè)量點(diǎn)來(lái)提高測(cè)量精度；但是不足之處是只能測(cè)得測(cè)點(diǎn)的平均溫度[3]。本測(cè)量采用硬度塞法。在每缸活塞的頂面和側(cè)面，均勻安裝23個(gè)硬度塞，即分布23個(gè)測(cè)點(diǎn)。硬度塞安裝位置詳見(jiàn)圖4。

3.2 活塞溫度場(chǎng)測(cè)量過(guò)程

進(jìn)行活塞溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，為了準(zhǔn)確地測(cè)量活塞溫度場(chǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)先經(jīng)過(guò)較短時(shí)間磨合，然后逐步緩慢增加負(fù)荷，至發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最大功率后，連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行2 h，中途不停機(jī)或間斷運(yùn)行，平均每10 min記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后，待發(fā)動(dòng)機(jī)自然冷卻到環(huán)境溫度，取下活塞，分析測(cè)點(diǎn)溫度。

圖4 硬度塞安裝位置示意圖

3.3 活塞溫度場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)后的硬度塞進(jìn)行處理和分析，得到活塞表面各測(cè)點(diǎn)的溫度，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，活塞溫度較高的區(qū)域主要是活塞頂部燃燒室和側(cè)面第1環(huán)槽，且活塞頂部溫度場(chǎng)分布的變化趨勢(shì)也是由燃燒室中心向邊緣先降后升，在燃燒室邊緣達(dá)到最大值，而活塞裙部等區(qū)域溫度相對(duì)低一些，與仿真計(jì)算結(jié)果大體一致。

活塞頂部燃燒室邊緣與燃?xì)庵苯咏佑|，是導(dǎo)致此處出現(xiàn)最高溫度的重要因素，因而此處活塞的熱負(fù)荷也較高。活塞環(huán)槽部位，尤其第1環(huán)槽位置高于燃燒室底部，熱流密度大，燃燒室內(nèi)的高溫直接傳遞到此處，導(dǎo)致溫度較高。發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易使第1環(huán)槽中的潤(rùn)滑油結(jié)焦、碳化，進(jìn)而影響潤(rùn)滑性能，導(dǎo)致活塞環(huán)卡滯；加之較高的熱負(fù)荷也易使活塞產(chǎn)生裂紋。這些部位在活塞設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)給予考慮，在試驗(yàn)時(shí)需要給予特別關(guān)注[4]。將活塞表面重要測(cè)點(diǎn)的最高溫度實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 活塞表面各測(cè)點(diǎn)溫度

圖6 活塞重要測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值對(duì)比

由圖6可見(jiàn)，實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值大體吻合，但也存在一定誤差，部分測(cè)點(diǎn)誤差達(dá)約23℃。導(dǎo)致誤差的因素如下：（1）活塞仿真計(jì)算時(shí)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、機(jī)油溫度、爆發(fā)壓力等參數(shù)都是預(yù)估的；（2）天然氣在氣缸內(nèi)的燃燒模型、氣缸套和活塞的傳熱模型也不是很完善；（3）活塞溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的選定位置受到活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制。但從總體看，重要測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差均低于8%，在可接受的范圍內(nèi)，滿足工程要求。為了使仿真計(jì)算結(jié)果和測(cè)試結(jié)果更吻合，既要改進(jìn)仿真計(jì)算的模型和方法，也要完善試驗(yàn)條件，提高測(cè)量試驗(yàn)精度，這樣才能更有效地確保仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的仿真計(jì)算和測(cè)量試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

（1）活塞溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本吻合，重要部位誤差在10%以內(nèi)，因而仿真計(jì)算得到的結(jié)果基本可信的。

（2）研究結(jié)果表明活塞最高工作溫度出現(xiàn)在頂部燃燒室邊緣位置（超過(guò)300℃），這要求活塞頂部必須具有良好的導(dǎo)熱性、足夠的耐熱性和強(qiáng)度。活塞第1環(huán)槽區(qū)域溫度較高，這是導(dǎo)致活塞長(zhǎng)時(shí)間工作后產(chǎn)生活塞環(huán)卡滯、裂紋等問(wèn)題的重要因素，因此必須采取措施，加強(qiáng)活塞冷卻效果，降低活塞的熱負(fù)荷；同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮活塞材料、結(jié)構(gòu)形式、加工工藝等因素的影響。

（3）通過(guò)仿真計(jì)算得到的活塞關(guān)鍵部位的疲勞安全系數(shù)均大于1，可以接受；但是對(duì)于第1環(huán)槽、銷座等易發(fā)生疲勞損壞的位置要充分考慮設(shè)計(jì)余量，確保活塞有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

（4）利用有限元分析方法進(jìn)行天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)能基本滿足零部件設(shè)計(jì)要求；但是仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，這要求在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化仿真方法和測(cè)量手段，盡量減小誤差。

[1]田永祥，張錫朝，張濟(jì)勇，等.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞溫度場(chǎng)三維有限元分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（1）：64-65.

[2]李小泉.12V170柴油機(jī)活塞的有限元分析與疲勞評(píng)價(jià)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2015（6）：29-30.

[3]于旭東，王政，王成燾，等.車用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞穩(wěn)定工況溫度測(cè)量[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1999,18(5)：825-526.

[4]雷基林，申立中，楊永忠，等.4100QBZ型增壓柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究及有限元分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2007，25（5）：449-450.

Simulation and Testof Temperature Field of NaturalGas Engine Piston

He Yongsheng1,Wu Yubo2
（1.Longkou Longbeng Fuel Injection Co.,Ltd.,Longkou 265701,China;2.ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

The temperature field of the piston ofa newly developed naturalgasenginewasanalyzed by ANSYSFEA software at the rated condition,and the temperature distribution and fatigue safety factor of the piston were simulated.At the same time,the analysis resultswere verified with testing.The analysis results show that themaximum temperatureof the piston is316.4℃,which isat the top of the combustion chamber.The safety factor of critical places ismore than 1,indicating that the designed piston satisfies the operation requirementsof thenaturalgasengine.

naturalgas engine,piston,temperature field,simulation,testing

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.002

來(lái)稿日期：2017-02-27

何永生（1978-）男，工程師，主要研究方向?yàn)槿加蛧娚湎到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究。