冷卻油腔形狀對發動機活塞振蕩傳熱效果的影響

（河北科技大學 機械工程學院，石家莊 050018）

0 引言

柴油發動機廣泛應用于坦克、載重汽車、工程機械等大型、重載機械裝置上，隨著柴油發動機的功率不斷提升，發動機活塞的熱損傷失效時有發生[1～3]。為了避免這種問題的發生，保障發動機的安全運行，人們提出了一系類的發動機活塞冷卻措施[4～6]，其中振蕩冷卻應用較為廣泛。發動機活塞振蕩冷卻是指在發動機活塞頭部附近設置冷區油腔，在冷卻油腔內填充一定比例的冷卻油，在活塞往復運動時，冷卻油腔內的冷卻油不斷沖擊冷卻油腔的各個壁面，產生強烈的湍流從而提高傳熱效果[7～9]。本文主要針對冷卻油腔的截面形狀對傳熱效果的影響開展研究，對于柴油發動機活塞結構設計具有一定的意義。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

圖1為某柴油機活塞的示意圖。如圖1所示，冷卻油腔位于活塞的頭部，其形狀設計需要從活塞的強度和傳熱效果兩方面考慮。

圖1所示的活塞冷卻油腔形狀一般為一個恒截面回轉空腔，空腔內部填充填充部分機油。柴油機工作過程中，隨著活塞的往復運動，填充在活塞冷卻油腔中的機油在冷卻油腔內振蕩流動，從而帶走活塞頂部的熱量。在活塞內填充的冷卻油振蕩流動的過程中，冷卻油與活塞壁面不斷發生碰撞，破壞冷卻油腔壁面的液體邊界層，從而起到強化傳熱的作用。

圖1 某110型柴油機活塞模型

為了探索冷卻油腔形狀對振蕩傳熱效果的影響，本文建立三種截面形狀的油腔模型分別為圓形、橢圓形和水滴形。三種油腔截面具有相同的面積，其幾何尺寸如圖2所示。

1.2 物理模型

數值模擬中，采用VOF多相流模型，整個油腔內簡化為含機油和空氣兩種流體，并且兩者之間互不混合。每一個控制體積內，機油和空氣兩相的體積分數之和為1，并且它們之間有分界面，如果用相函數F表示機油的體積分數。

圖2 冷卻油腔形狀

相函數F為：

對流輸運方程為：

式中：為控制單元流體速度。

動量方程為：

式中：ρ為控制單元密度，μ為動力粘度，p為控制單元壓力，為表面張力等效體積力，為重力加速度。

能量方程為：

式中：k為有效熱導率，Cp為定壓比熱，T為單元溫度。

2 油腔截面形狀對傳熱性能的影響

2.1 一個循環周期內三種截面形狀油腔傳熱性能對比

如圖3為轉速2000r/min、行程100mm、充油率50%的不同曲軸轉角下三種油腔壁面平均換熱系數的變化規律。從圖3中可以看出，在一個運動周期內三條曲線都呈現高低起伏的變化趨勢。對比這三條曲線可以得出，水滴形油腔的壁面平均換熱系數高于橢圓形的換熱系數，橢圓形油腔的換熱系數高于圓形的換熱系數，說明水滴形內冷油腔的振蕩冷卻效果最好，其次是橢圓形油腔，圓形的振蕩冷卻效果最差。

圖3 一個循環內三種截面形狀油腔的傳熱性能對比

2.2 不同轉速條件下三種截面形狀油腔的傳熱性能對比

為了在不同轉速下分析圓形、橢圓形和水滴形的內冷油腔形狀對振蕩冷卻效果的影響，設置活塞的行程為100mm，充油率為50%，轉速在1500r/min～2500r/min之間變化，其他參數的設置相同，通過數值模擬對比三種油腔形狀的振蕩冷卻效果，其壁面平均傳熱系數如圖4所示。

圖4 不同柴油機轉速條件下三種截面油腔的平均傳熱系數

從圖4中可以看出，不同轉速下三條曲線的變化趨勢一致。比較這三條曲線可知，同一轉速下，圓形內冷油腔的壁面平均換熱系數最小，其次是橢圓形內冷油腔的壁面平均換熱系數，水滴形內冷油腔的壁面平均換熱系數最大，隨著轉速的變化，圓形內冷油腔的壁面平均換熱系數仍然是最小的，水滴形內冷油腔的壁面換熱系數仍然是最大的，說明了這三種截面形狀中水滴形內冷油腔換熱效果最好，這是由于水滴形油腔比圓形和橢圓形油腔更加偏向于細長型，這種細長型的內冷油腔在活塞的往復運動中，油腔中的機油振蕩流動速度增大，可以更好地形成紊流，從而帶走更多活塞頂部的熱量，提高了換熱效果。

2.3 不同行程條件下三種截面形狀油腔的傳熱性能對比

為了在不同行程下分析圓形、橢圓形和水滴形的內冷油腔對振蕩冷卻效果的影響，設置活塞的行程分別為60mm、100mm和140mm，轉速為2000r/min，其他參數設置與上節相同，來對比三種油腔形狀的振蕩冷卻效果。

圖5為不同行程下三種形狀內冷油腔壁面平均換熱系數的變化曲線圖。從圖中可以看出，不同轉速下三條曲線的變化趨勢一致。對比這三條曲線可以得出，隨著行程的變化，圓形內冷油腔的壁面平均換熱系數整體上是最小的，其次是橢圓形內冷油腔的壁面平均換熱系數，水滴形內冷油腔的壁面平均換熱系數整體上是最大的，這說明了在不同的行程下，水滴形的換熱效果最好。

圖5 不同曲軸行程條件下三種截面油腔的平均傳熱系數

3 結論

針對柴油發動機冷卻油腔的截面形狀對冷卻效果的影響開展研究，采用數值模擬的方法分別研究了圓形、橢圓形和水滴形三種冷卻油腔截面形狀的活塞在一個振蕩冷卻周期內，壁面平均傳熱系數的變化規律，并且在不同發動機轉速、曲軸行程條件下對比了三種油腔截面的壁面平均傳熱系數，結果表明，水滴形截面形狀具有最佳傳熱效果，在發動機活塞結構設計時應予以選用。