陶瓷涂覆的柴油機活塞熱分析

李恩光，李毓

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

活塞作為內燃機最重要的零部件之一，其設計的合理性成為制約內燃機排放和燃燒的關鍵點。只有活塞可靠高效的工作，才能讓活塞式內燃機具有旺盛的生命力[1]。英國伯明翰大學的Soheil Zeraati-Rezaei 等人在一臺四缸柴油機上進行了汽油摻混柴油的中、高負荷下排放試驗研究。研究結果表明，特別是在高負荷下燃料的霧化質量和活塞表面對發動機的燃燒相位有很大的影響[2]。Dean Pierce 等人指出隨著缸內峰值壓力提高，活塞熱負荷增加，活塞溫度增高[3]，隨之而來的負面影響也逐漸增多。陶瓷涂層具有良好的隔熱效果，可以用來控制活塞溫度的分布和熱流量[4]，從而提高燃燒效率。同時Kun Ye 等人[5]的研究表明活塞表面溫度還會對傳熱、熱壓力產生影響。本文設計出了帶陶瓷涂層的活塞三維模型。設定正確的活塞邊界條件，使用軟件對其進行穩態熱分析，通過分析數據發現在活塞頂部涂覆陶瓷涂層可以降低其溫度。

1 材料的屬性

在活塞頂部涂覆陶瓷涂層就是為了利用陶瓷的高耐熱性和低導熱性來保護基體合金材料。由于氧化鋯基有低的熱傳導率和高的熱膨脹系數，所以它被用作活塞涂層，如表1。本設計將涂層分為6 層，其中與基體相連的金屬層1 層、過渡層4 層、陶瓷層1 層，每層厚度為 0.4mm[6]。

表1 陶瓷材料物性參數

2 有限元模型的建立

本設計活塞是燃燒室為ω 型的鋁硅合金活塞。該類型活塞結構對稱性好，是軸對稱部件,考慮到精度與計算量，此次分析使用活塞1/2 模型，這樣既可以提高精度，也可以減少計算方程的剛度，是可行的[7]。活塞1/2 三維模型如圖1。將帶有覆層活塞的活塞模型導入到ANSYS 中，進行網格的劃分，將活塞涂層網格設置為1mm，其余地方設置為3mm，共有693250 節點，487705 單元。活塞有限元模型如圖2。

圖1 活塞1/2 三維模型

圖2 活塞有限元網格模型

3 活塞的邊界條件

活塞頂部是活塞熱量流入的地方，該部分換熱介質溫度和換熱系數將會對整個活塞溫度場分布產生重大影響。缸內燃氣平均溫度為1033℃，活塞頂部與缸內燃氣的平均換熱系數為875W/m2·K。活塞頂面每個部位的換熱系數均以以上數據為基礎進行計算。

表2 活塞主要部分熱邊界條件

缸套與活塞之間隔著活塞環、機油油膜和氣體，熱傳遞過程采用多層平壁傳熱模型，按第三類邊界條件處理；內冷油腔換熱系數利用管流計算經驗公式，取活塞內冷油腔換熱系數為3000W/m2·K；活塞內腔主要通過曲軸箱氣體與外界進行熱量傳遞，然而曲軸箱內氣體溫度相對比較穩定，而且活塞內腔不與燃氣直接接觸，因此其換熱系數變化范圍比較小。經過整理計算，得出活塞主要部分的熱邊界條件，如表2。

4 結果和討論

設置活塞各層材料的物性參數，將活塞各部分熱邊界條件施加到劃分好網格的有限元模型中，然后在軟件中進行一系列必要的設置，再進行分析計算，得到涂覆陶瓷層對活塞所起的作用。活塞的穩態溫度場分別如圖3 和圖4。

圖3 無陶瓷涂覆活塞的溫度場

圖4 帶陶瓷涂覆活塞的溫度場

通過活塞溫度場分布可以看出，帶涂層活塞溫度的整體分布與無涂層活塞的溫度相似，都是從活塞頂至活塞底部沿軸線方向逐漸下降，最大值出現在活塞頂部，最小值出現在活塞裙部最低端。無涂層活塞表面最高溫度為332.02℃，帶涂層活塞表面最高溫度為466.82℃，帶涂層活塞表面的最高溫度比無涂層活塞表面的最高溫度提高了40.6%，而活塞基體的最高溫度為289.01℃,相比沒有涂層下降了12.95%。這是因為陶瓷的導熱系數比活塞基體導熱系數小很多，熱傳遞量隨著導熱系數的減小而減小，因而陶瓷層阻止了許多由頂部向下傳遞的熱量，使得頂部溫度上升，基體溫度下降。同時陶瓷涂層也給燃燒室提供了更高的溫度，從而提高了發動機的熱效率。

5 結論

（1）利用PRO/E 軟件建立活塞模型時，建立了1/2 模型。將三維模型導入到ANSYS 進行網格劃分時，應合理劃分網格，并對特殊部位進行網格細化。

（2）從本設計可以看出，由于陶瓷材料具有良好的絕熱性與較低的熱膨脹性，使得活塞基體溫度較低、總體變形量減小。