柴油機活塞溫度場有限元分析

郭超

摘要：活塞作為發動機的主要受熱件，其熱負荷問題最為嚴重，所以對其進行溫度場的計算是十分必要的。利用NASTRAN程序建立活塞的有限元傳熱分析模型，并計算活塞的溫度場和熱流。分析了活塞結構和材料、發動機工作過程參數、冷卻等因素對活塞溫度場的影響，得出當活塞采用導熱系數大的材料，在冷卻條件較好的環境下工作時，活塞的使用壽命越長。為活塞的優化設計提供了依據。

關鍵詞：柴油機;活塞;設計;溫度場

0? 引言

隨著發動機強化程度的不斷提高，其零部件的熱負荷將隨之不斷增大。活塞作為發動機的主要受熱件，由于具有受熱面積大、散熱條件差的特點，因而其熱負荷問題最為嚴重。它的結構對內燃機的可靠性、壽命、排放和經濟性等諸多方面有著至關重要的影響。如能求得活塞的溫度場的數值解，將可為考慮熱應力和熱變形的活塞優化設計提供依據。

有限元數值模擬技術具有試驗方法和理論解析方法無可比擬的優勢，已經成為內燃機性能研究的重要手段。本文以某型柴油機活塞為研究對象，進行了有限元模擬計算，得出了活塞在熱負荷作用下的溫度分布，為活塞的最優化設計提供了依據。

1? 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

要想得到比較精確的活塞溫度場計算結果，首先要考慮到的是如何建立準確的幾何模型。由于實際活塞往往非常復雜，要建立和實際的活塞完全一樣的三維幾何模型是幾乎不可能的，所以需要對幾何模型進行如下的簡化：

①活塞在冷態時的結構是上小下大，火力岸處的直徑是最小的，裙部是橢圓形的，在工作時，活塞由于受熱應力和機械應力的作用，形成上下近似一致的圓柱體。而裙部主要受側壓力作用，會發生彈性形變。所以在建模時，把活塞簡化成頭部呈圓柱形，裙部呈橢圓形的模型。

②由于活塞銷在溫度場中不是主要的分析對象，所以在建立活塞模型時將其簡化。活塞銷座上部的加強筋由雙肋結構簡化成單肋。

③實際活塞的油環槽處有回油孔，但由于油環傳遞的熱量占活塞傳熱的比例比較小，所以在模型中沒有開回油孔。

在處理活塞銷座和活塞裙等部位的時候，盡可能恢復活塞的原始尺寸，以達到分析結果的相對準確性。對于活塞的其它部位，在不影響分析結果的情況下可適當簡化處理。

1.2 活塞有限元網格的劃分

在三維幾何模型建立以后必須進行網格劃分，以有限個單元組成的集合體來代替原先的連續體進行研究。為了能有效地逼近實際連續體，必須考慮選擇單元的種類，確定單元的數目和剖分方案等問題。單元間僅有節點處互相連接，并傳遞內力，同時一般應滿足變形協調條件，即在研究對象內部時不能出現裂縫，也不允許有重疊。

有限元單元分為兩種：①二維面單元;②三維邊界對流換熱體單元。在本文中只對活塞進行溫度場分析，所以只要劃分三維體單元。有限元網格的生成情況對于計算結果有一定影響，為了盡量減少誤差，經過多次試驗，本文中采用4面體4節點單元格，其最大單元特征尺寸為1.8㎜，這樣會使計算誤差控制在8%之內。采用這種技術可以大大減少人為因素對模型的干預，從而盡量避免由于不合理簡化所造成的計算誤差，而且在進行復雜件模態的有限元計算中，采用4面體4節點單元能夠得到具有單調收斂性的解。因而本文做出的以上誤差估計是合理的。

1.3 活塞材料性質的選定

在這次建模中具體選用了ZL108和ZL109兩種導熱性較好的鋁合金材料來進行比較分析。活塞銷采用20Cr。氣環的材料為球墨鑄鐵，油環的材料為合金鑄鐵。幾種材料的熱物理性質如表1所示。

2? 有限元分析

2.1 有限元分析的基本原理

利用有限元法進行溫度場分析的基本思想是：將一個連續的整體進行離散化，分割成彼此用節點相連接的有限的單元，建立單元的泛函疊加而得到的整個結構的泛函關于溫度的表達式，再由求泛函極值的方法，得到以結構節點溫度為未知數的線性方程組，解之可以求得結構節點的溫度值。

2.2 活塞溫度場傳熱邊界條件的確定

為了加載邊界條件時方便和計算結果的精確，現對活塞進行分區，分區如圖1所示，其中數字1～18表示各分區號。

在發動機工作過程中，氣缸壁的溫度是從上到下逐漸降低的。在分析活塞溫度場時，根據前面的設定，即為穩態溫度場，可將活塞與氣缸壁的傳熱溫度沿軸向分為2個不同的溫度區域，由上至下兩個區域的溫度分別為130℃和110℃。在活塞工作過程中，活塞內腔表面和銷座表面都會與曲軸箱內的油氣混合氣發生對流換熱，而油氣混合氣溫度各處都相差不大，所以在分析時取油氣混合氣的溫度為90℃。同時為了比較冷卻條件惡化時對溫度場的影響，選擇了兩個區域的溫度分布為130℃和150℃的兩種情況進行分析。

對活塞的溫度場進行計算時所加的邊界條件可以用表1來概括。表1中換熱系數α（W/（m2·K））一欄里的材料一表示活塞的材料選為ZL108，材料二為ZL109;傳熱邊界載荷（℃）一欄中的1表示活塞工作時環境溫度為130℃，2表示活塞工作時環境溫度為150℃。

3? 活塞溫度場熱流分布的計算結果和分析

從熱流分析可以看出，在活塞環槽處的熱流密度很大，每經過一個環槽，熱流密度都有很大的降低。說明活塞頂面從高溫燃氣中吸收的熱量絕大部分是通過活塞環傳遞給氣缸壁的，然后通過氣缸壁傳給冷卻系統，只有極少一部分熱量通過活塞裙部傳導。活塞環除具有密封的特性外，還起到了冷卻活塞的作用。所以在設計活塞環的時候，應該對活塞環材料的熱物理參數多加考慮，以保證活塞環的高導熱性。

通過對熱流值的觀察，還可以發現活塞裙部的熱流值相對比較低，這就驗證了只有極少一部分的熱量是通過活塞裙部散失的結論。

從活塞熱流分布的分析結果，可以看出其與溫度場分析所得出的結論是一致的。這就從另一方面說明了溫度場結論的正確性，兩者結合起來證明了整個分析的科學性、合理性。

3.1 活塞溫度梯度的計算結果

在活塞環槽處的熱流密度很大，每經過一個環槽，熱流密度都有很大的降低。說明活塞頂面從高溫燃氣中吸收的熱量絕大部分是通過活塞環傳遞給氣缸壁的，然后通過氣缸壁傳給冷卻系統，只有極少一部分熱量通過活塞裙部傳導。活塞環除具有密封的特性外，還起到了冷卻活塞的作用。所以在設計活塞環的時候，應該對活塞環材料的熱物理參數多加考慮，以保證活塞環的高導熱性。

通過對熱流值的觀察，還可以發現活塞裙部的熱流值相對比較低，這就驗證了只有極少一部分的熱量是通過活塞裙部散失的結論。

從活塞熱流分布的分析結果，可以看出其與溫度場分析所得出的結論是一致的。這就從另一方面說明了溫度場結論的正確性，兩者結合起來證明了整個分析的科學性、合理性。

3.2 結果分析

由活塞與高溫燃氣接觸表面的最高溫度出現在活塞頂部的燃燒室附近，其數值大約在300℃左右。活塞的外側面，沿軸向從上到下，溫度由高到低。活塞的軸向溫度差在150℃左右，而且沿軸向的分布是非線性的，所以在設計活塞時要考慮活塞在受熱時的非線性變形。

活塞環區的溫度對于發動機的可靠性是極為重要的。環區溫度過高，將使潤滑油變質，甚至碳化。造成活塞環粘接，失去活動性，使環槽將迅速磨損、變形，嚴重時將造成發動機氣缸套擦傷，甚至拉缸。本文中第一環槽的溫度為220℃左右，在可用范圍之內。

活塞環槽上下表面及內側的溫度差為15℃左右。而溫度梯度比較大，達到4430℃/m，而且環槽處的邊角比較多，這會引起活塞環槽處熱應力增大和熱變形。所以在設計活塞時要注意減少環槽處的邊角，減少熱應力和熱變形。

4? 結論

當發動機冷卻條件比較好（即模型所處的環境溫度比較低）時，對流換熱明顯增強，有利于活塞的散熱。所以在設計發動機的冷卻系統時，要注意使氣缸壁的溫度在合適的范圍之內。使用導熱系數比較大的材料時，活塞的最高溫度相對比較低，活塞整體的溫差也有所降低。

活塞頂面從高溫燃氣中吸收的熱量絕大部分是通過活塞環傳遞給氣缸壁的，然后通過氣缸壁傳給冷卻系統，只有極少一部分熱量通過活塞裙部傳導。活塞環除具有密封的特性外，還起到了冷卻活塞的作用。所以在設計活塞環的時候，應該對活塞環材料的熱物理參數多加考慮，以保證活塞環的高導熱性。

活塞頂部的結構對活塞溫度場的影響非常大。隨著換熱面積的增大，活塞的整體受熱普遍提高，所以在設計活塞時，盡量減小活塞頂平面的受熱面積，以降低活塞的熱負荷。除此之外還可以通過改變冷卻介質與活塞外表面的溫度差或改變冷卻介質的冷卻方式等來降低活塞的熱負荷。而活塞裙部的設計則著重考慮它的導向作用，因為它對熱量散失的貢獻不大。

通過對活塞溫度場的計算結果進行分析，得出了當活塞選用導熱系數大的材料，在冷卻條件較好的環境下工作時，活塞的使用壽命越長。

參考文獻：

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