柴油機活塞頭部結構參數熱敏性研究

姜東東，韓振南

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

近年來，柴油機朝著高強化方向發展，活塞作為其主要受熱零部件之一，其溫度和溫度梯度也不斷地升高。較高的溫度和較大的溫度梯度會使活塞產生一定的熱應力及熱變形，直接影響活塞的強度、潤滑性能以及運動特性等[1-3]，甚至導致拉缸問題[4]。發動機工作時，活塞頭部直接暴露在高溫燃氣中，會導致活塞材料疲勞強度下降[5]，縮短活塞的熱疲勞壽命；現代發動機活塞頭部在設計時也考慮了因高的燃氣溫度而產生的熱變形[3]。

目前對于活塞傳熱的研究主要從單一參數的改進與提升考慮[6-8]，對于多個結構參數研究與探討較少，顯然，優化單個結構參數對活塞傳熱的作用遠遠低于多個結構參數對活塞傳熱的綜合影響。為此，以4100QBZ 渦輪增壓柴油機為例，從傳熱理論入手，利用有限元仿真分析方法對活塞的溫度場進行了有限元仿真，確定了活塞傳熱的主要優化參數；以活塞最高溫度、第一環槽最高溫度和內腔頂側最高溫度為考察指標，分別對燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度進行了單因素實驗，并以活塞最高溫度作為優化目標，應用正交實驗法優化了活塞頭部結構參數。該研究為優化活塞的結構提供了參考。

2 傳熱分析基本理論

活塞的溫度場在柴油機穩定工況下可以看成是穩態溫度場[8]。對于活塞的穩態溫度場φ（x，y，z），在直角坐標系中可描述為如下導熱微分方程：

對于具體的某一導熱現象，在求解其導熱微分方程時，需提供對應的定解條件，主要包括幾何條件、物理條件、初始條件及邊界條件。其中，常見的邊界條件有三類：恒定溫度、熱流密度、對流。在這里選取第三類邊界條件。

3 活塞有限元模型的建立

3.1 有限元模型的建立

針對4100QBZ 渦輪增壓柴油機的活塞進行研究，燃燒室的形式為縮口ω 型，由于活塞各熱分析載荷邊界條件不同且不是軸對稱零件，取完整的活塞進行分析。

在UG 中，依照實物的實際尺寸創建活塞三維幾何模型。在計算結果精度達到要求的基礎上，忽略了活塞中的活塞環槽、活塞銷座內部倒角等局部特征，如圖1 所示。然后將創建好的三維模型導入ANSYS Workbench 軟件，采用Tetrahedrons 中的Patch Conforming 算法對其進行網格劃分，設定整體網格尺寸為2mm，并對活塞頂表面、ω 燃燒室等區域進行細化，網格尺寸設為1mm。共劃分669136 個節點、443560 個單元。

圖1 活塞三維模型及網格模型Fig.1 Three-Dimensional Model and Mesh Model of Piston

3.2 熱分析載荷邊界條件的確定

表1 活塞換熱邊界條件Tab.1 The Heat Transfer Boundary Conditions of Piston

熱分析載荷邊界條件的準確與否直接影響著活塞溫度場的預測是否精確。利用參考文獻[9-10]的經驗公式初步得到活塞各個表面的熱分析載荷邊界條件，然后通過活塞各測點的實測溫度[11]反復修正，最終獲得與實驗值相差不超過10℃的活塞各熱分析載荷邊界條件，如表1 所示。活塞溫度分布，如圖2 所示。

圖2 活塞溫度分布圖Fig.2 Temperature Distributionof Piston

由圖2 分析可得，活塞的溫度梯度較大，最高溫度367.4℃位于燃燒室喉口與排氣凹坑交接處，并且沿活塞軸向方向，由上往下溫度逐漸降低，最低溫度142℃位于活塞裙部最下端。進一步分析活塞的頂面溫度分布規律，從圖2 可知，溫度沿徑向變化明顯，由內往外溫度逐漸降低，并且燃燒室靠近環岸一側的溫度大于遠離環岸一側的溫度。

4 結構參數單因素實驗

4.1 結構參數的選擇

通過上文初步分析，由于活塞頂面與高溫燃氣直接接觸，活塞內腔頂端被機油冷卻，四周又通過第一、二道活塞環進行冷卻，使活塞頭部的溫度和溫度梯度很大，容易造成活塞局部位置產生很大的熱應力。在活塞頭部結構參數中，燃燒室位置、活塞頂厚度和火力岸高度影響著活塞頂面和燃燒室到環區和內腔頂側等吸收熱量部位的距離，進而影響到活塞傳熱和溫度場的分布。

綜上所述，確定優化參數為燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度3 個參數，結構參數，如圖3 所示。

圖3 結構參數示意圖Fig.3 Sketch Map of Structural Parameters

圖中：A—燃燒室偏置量，mm；B—活塞頂厚度，mm；C—火力岸高度，mm。

4.2 參數設計方案

表2 因素水平表Tab.2 Factor Level Table

每個因素以經驗設計的極限尺寸為依據，將其等分為5 個水平，得到的各個因素下不同水平的取值，如表2 所示。

4.3 各結構參數對活塞傳熱的影響

以活塞最高溫度、第一環槽最高溫度和內腔頂側最高溫度為考察指標，對燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度進行單因素實驗，所得結果，如圖4 所示。

圖4 各特征參數對活塞關鍵部位溫度的影響Fig.4 Effect of Each Characteristic Parameter on the Temperature of Key Parts of Piston

由圖4 分析發現，隨著燃燒室偏置量（A）的增加，燃燒室與偏離活塞中心一側的環區的距離減小，導致活塞頂部的熱量在燃燒室靠近環岸一側堆積，溫度大幅上升，活塞最高溫度最多上升23℃，第一環槽最高溫度最多上升21℃。由于活塞頂面和燃燒室到內腔頂側的距離基本不受燃燒室位置改變的影響，燃燒室位置的變化對內腔頂側的溫度場影響較小。

隨著活塞頂厚度（B）的增加，燃燒室底端到內腔頂側的距離增加，導致燃燒室底端的熱量傳向內腔頂側受阻，傳入內腔頂側的熱量減少，使內腔頂側溫度降低，內腔頂側最高溫度最多下降30.6℃。但是由于活塞內腔頂側離活塞頂面、環區較遠，活塞頂厚度的變化對活塞頂面、環區的溫度分布影響較小。

隨著火力岸高度（C）的增加，活塞頂面和燃燒室到環區和內腔頂側等吸收熱量部位的距離均會不同程度增加，導致活塞頂部的熱量傳向各個吸收熱量區域受阻，使活塞頭部溫度上升，活塞最高溫度最多上升13.8℃。活塞頭部熱量傳向環區受阻，進而導致傳入第一環槽的熱量減少，使第一環槽處溫度降低，最多降低6.5℃。內腔頂側最高溫度隨著火力岸高度增加而降低，最多降低13.8℃。

5 結構參數正交實驗設計

通過正交實驗法可以獲得各相關因素的影響程度，因此，采用正交實驗法確定上述單因素實驗中各個參數對活塞考察區域溫度場的影響程度。正交實驗法在水平較少的情況下具有較高的效率，因此，選取上述實驗中各個參數的最大值、最小值和中間值作為正交實驗的三個水平值進行研究，因素水平表，如表3 所示。

表3 正交實驗因素水平表Tab.3 Factor Level Table of Orthogonal Experiment

在單因素實驗的基礎上，以活塞最高溫度為考察指標，采用正交設計表L9（34）對燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度3個因素進行正交實驗設計，并利用極差分析尋找實驗的主次順序、最優水平、最優組合，如表4 所示。

表4 正交實驗及極差分析Tab.4 Orthogonal Experiment and Range Analysis

從表4 中可以看出，對于活塞最高溫度，各因素極差排序為A＞C＞B。其中，燃燒室偏置量對活塞最高溫度的影響最大，其影響比例達到60.3%，其次是火力岸高度，活塞頂厚度影響最小。對于指標活塞最高溫度，從表中可看出，考慮活塞最高溫度達到最低，最優結構參數組合為A1B3C1，即燃燒室偏置量3mm、活塞頂厚度26mm、火力岸高度10mm 時。以最優結構組合構建三維模型，對優化之后的活塞的溫度場進行了有限元仿真，所得結果，如圖5 所示。最優組合下，活塞最高溫度為359.7℃，比原方案下降了7.7℃。

圖5 優化之后的活塞溫度場Fig.5 Temperature Field of Optimized Piston

6 總結

（1）結合活塞實測溫度與經驗公式，利用有限元仿真方法獲得了活塞準確的溫度場，確定了活塞傳熱的主要優化參數。分析發現，活塞的溫度梯度較大，最高溫度367.4℃出現在燃燒室喉口與排氣凹坑交接處，并且沿活塞軸向方向，由上往下溫度逐漸降低，最低溫度142℃位于活塞裙部最下端。進一步分析活塞的頂面溫度分布規律，活塞頂面的溫度沿徑向變化明顯，由內往外溫度遞減，并且燃燒室靠近環岸一側的溫度大于遠離環岸一側的溫度。

（2）燃燒室偏置量、活塞頂厚度、火力岸高度均對活塞溫度場有一定的影響，燃燒室偏置量和火力岸高度對活塞最高溫度和第一環槽最高溫度的影響較大，活塞頂厚度和火力岸高度對內腔頂部最高溫度的影響較大。

（3）應用正交實驗的方法優化了活塞頭部結構參數，最優結構組合為燃燒室偏置量為3mm、活塞頂厚度為26mm、火力岸高度為10mm。最優組合下，活塞最高溫度為359.7℃，比原方案下降了7.7℃。