汽油機活塞傳熱分析

汪展展，安玉環，孫環，王能河

（燕山大學車輛與能源學院，河北 秦皇島 066004）

前言

汽油機作為目前車輛最普遍的動力裝置之一，面臨燃料價格不斷增加，以及車輛越來越多而引起的環境惡化問題。因而改進汽油機燃燒技術來提高發動機經濟性、動力性、以及排放性是人們一直以來不斷追求的目標[1]。雖然內燃機受到不可再生能源的限制，但是新能源技術還處于初級階段，所以，在以后幾十年內，內燃機仍然是車輛主要動力來源[2]。杜丹陽通過改變活塞頭部形貌提高發動機壓縮比及改善缸內流場來提高發動機綜合性能[3]。

活塞作為發動機重要零部件之一，長期工作于惡劣環境中，活塞工作過程中，活塞頂面承受著很高的交變熱負荷。這些負荷嚴重影響發動機活塞的使用壽命，并且可能出現拉缸、咬缸、結膠等故障。極大地危害了發動機的可靠性和耐久性。因此，有必要求解活塞溫度場。本文采用有限元軟件ANSYS對異型活塞溫度場進行數值模擬計算，得出溫度分布。

1 活塞有限元模型建立

1.1 幾何模型的建立

隨著計算機技術不斷發展，有限元計算方法日漸成熟。T. Morel[4]首次運用網格法模擬計算活塞的穩態溫度場。施培文[5]、謝琰[6]建立活塞整體模型進行數值模擬分析。

本文用 CATIA建立硅鋁合金活塞的整體模型。轉換成STP格式導入ABAQUS中，活幾何模型如圖1所示。

圖1 活塞幾何模型

1.2 活塞模型的網格處理

為了獲取準確的計算結果。應合理提高網格質量，這樣既能節省計算時間又能保證計算結果精度。運用 ABAQUS軟件自帶網格劃分工具對其進行網格劃分：采用四面體網格劃分，四節點線性傳熱四面體單元DC3D4。網格數目為活塞網格節點數為1487894。活塞網格劃分如圖2所示。

圖2 活塞網格劃分模型

2 理論模型

2.1 導熱微分方程

關于固體導熱問題利用傅立葉定律，其向量表達式為：

式中：q為熱流密度(W·m-2)；k為材料的導熱系數（W·K-1·m-1）；gradT 為溫度梯度（K·m-1）。

由傳熱學的基本方程，按照能量守恒定律，可以得到固體導熱微分方程：

式中：cp為定壓比熱容（J·kg-1·K-1）。φ為內熱源（W·m-3）。

由于活塞內部沒有熱源，并且活塞溫度整體變化范圍比較小，可以將其簡化為常物性，穩態、無內熱源問題。則導熱微分方程可寫成：

2.2 邊界條件的確定

熱邊界條件對活塞溫度分布有決定性作用，合理的邊界條件是保證仿真結果可靠的關鍵。

缸內瞬時平均換熱系數以及缸內瞬時溫度根據一維性能仿真軟件AVL_BOOST得到。一維仿真模型如圖3所示。

圖3 發動機一維仿真模型

仿真結果如圖4、圖5所示。缸內循環平均溫度及換熱系數參考公式[7]。

式中：為缸內循環平均溫度；缸內循環平均換熱系數；Tg為缸內瞬時平均溫度；hg為缸內瞬時平均換熱系數。hg，Tg可由AVL_BOOST計算得出如圖5，圖6所示活塞側面邊界的當量換熱系數計算入式為[8]。

式中：h活塞側面當量換熱系數；tc潤滑油膜溫度；λe潤滑油膜導熱系數；tn活塞環溫度；λn活塞環導熱系數；tc氣缸壁溫度，λc氣缸壁導熱系數；h'修正熱交換系數。

圖4 燃氣側瞬時換熱系數

圖5 缸內瞬態溫度

活塞裙部換熱系數按式(6)中去掉tn/λn計算，活塞內腔換熱系數一般取 600～800W/(m2·K)[9]。火力岸處換熱系數取頂部燃氣側循環平均的 1/5～1/4比較合理。活塞其他邊界條件參考現有成果[8-9]以及實際情況，具體第三來熱邊界條件如表1所示。

表1 活塞主要壁面熱邊界條件

3 有限元傳熱分析結果

利用有限元軟件 ABAQUS仿真得到的活塞溫度場結果如圖6所示：

圖6 活塞溫度場

從圖6-a）可以得出平頂活塞的最大溫度為546.6K（273℃），位于活塞頂面中心，活塞溫度場關于活塞呈幾何對稱。從圖6-b)中可以看出活塞第一環槽、第二環槽、第三環槽的溫度分別為515K、501K、481K。活塞內腔溫度約為537K。

整體來看，活塞溫度沿活塞軸向，溫度越往下越低，由于活塞頂面始終與高溫燃氣直接接觸，活塞頂部中心區域溫度較高。頂面周圍溫度低于中心位置，是因為活塞頂面周圍離活塞環槽較近，熱量通過活塞環帶走之后，溫度下降。

圖7 活塞隔熱槽位置

采用隔熱槽的方法，即在活塞第一環槽上方開隔熱槽，減少熱量往第一環槽擴散，以減少活塞第一環槽溫度。在平頂活塞火力岸處開隔熱槽，幾何模型如圖7所示。利用相同的方法計算開隔熱槽之后活塞溫度場如圖8所示。

從圖8-a)中可以看出，活塞第一環槽的溫度為509.8K，比之前溫度降低了大約 6.5K。但是活塞最高溫度為 550K，比之前的溫度增加了5.3K。因為開隔熱槽之后，隔熱槽阻斷了一部分熱流流向活塞第一環槽，迫使熱流向第二、第三環槽，減弱了活塞第一環槽的冷卻作用，從而使活塞最大溫度略有升高。

活塞開隔熱槽之后，溫度較高的區域明顯增大，活塞頂部在隔熱槽上面的部分溫度均在540K以上，而未開隔熱槽的溫度約為 523K-528K?；钊麅惹豁斆嬷行奈恢脺囟葹?40K?；钊_設隔熱槽后活塞第一環槽的溫度約為 509K。可以看出隔熱槽能降低活塞第一環槽的溫度，但活塞頂不溫度將會有所提高。

圖8 平頂活塞開隔熱槽溫度分布

4 結論

本文通過建立活塞三維模型并基于 ABAQUS對其溫度場數值模擬分析，得出活塞的溫度分布，為活塞機構的優化提供了參考。得到以下結論：

1）活塞最高溫度出現在活塞頂面中位置，活塞溫度整體對稱。

2）通過在火力岸處開隔熱槽能有效降低活塞第一環槽的溫度，但會使活塞整體溫度有所增加，尤其是活塞隔熱槽以上部分。