汽油机活塞温度场分析与结构优化
1 HONGYUAN ZHANG, 2 ZHAOXUN LIN, 1 JIAN XING,
1沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳110159，辽宁
2上海通用（沈阳）诺森汽车有限公司（SGM-Norsom）总装车间，
中国辽宁沈阳110044
摘要
本文介绍了内燃机活塞热分析的原理，通过计算得到了活塞顶部的热交换系数以及活塞和冷却水的热交换系数分布，利用有限元的方法计算活塞的温度场，并通过反复比较测量的温度结果来修改计算模型。在对活塞温度场进行计算之后，发现活塞顶部和第一个环形槽的温度相对较高，并且根据计算结果，对活塞结构采用了增设冷却油室的优化方案。 结果表明，经过优化后，活塞顶部最高温度降到了264度，并且第一环最高温度降到了204度，从而改善了活塞环的工作状态。
关键词：发动机、活塞、热负荷、优化
1.引言
作为一种热动力机械，发动机的工作环境十分恶劣，在运行过程中必须承受热负荷的影响。活塞作为发动机最关键的部分，它的运转状况对发动机的使用寿命和性能有很大的影响，因此对发动机活塞进行温度场分析显得尤为重要。目前，活塞的温度场分析工作包括：
Hidehiko Kajiwaraa，Yukihiro Fujiokab，Tatsuya Suzukia，Hideo Negishi[1]使用CFD工具计算了对活塞冷却有影响的冷却通道的传热系数。 J.H. Ong[2]利用有限元分析的结果预测了高速柴油机活塞的稳态温度分布。 V.Esfahanian，A.Javaheri，M.Ghaffarpour[3]计算了发动机活塞冠的传热。采用三种不同的计算方法计算燃烧边界条件。比较了不同燃烧侧边界条件处理的结果，并研究了它们对活塞热性能的影响。H.W. Wu, C.P. Chiu[4]提出了一种用于实时运行发动机活塞温度分布预测的有限元传热模型。热边界条件在模型中有充分的规定，适用于各种操作。Shu Yao Long, Xing Cheng Kuai, Jun Chen[5]采用三角形有限元和恒定边界元计算了柴油机活塞的温度场和热应力场。Ravindra Prasad[6]提出了一种计算具有冷却油通道的半绝热柴油机活塞温度场的数值方法。 Yuh-Yih Wu, Bo-Chiuan Chen, Feng-Chi Hsieh [7]提出了一个使用斯坦顿数的传热模型。Avinash Kumar Agarwal[8]研究时解决了一个中型柴油发动机活塞喷油冷却的数值模拟。
本文根据热分析的基本理论，利用有限元分析软件对活塞的温度场进行了计算。我们将活塞在几个关键点的测量温度值与计算结果进行了比较，并多次修正了温度和换热系数的边界条件。分析结果表明，活塞顶部和第一环槽区的温度较高，并且通过对活塞结构的优化，有效地改善了活塞顶部和第一环槽的工作状态，取得了明显的效果，从而降低了活塞的热负荷。
- 有限元模型
2.1.几何模型
对活塞进行有限元分析，首先要建立合理、准确的有限元模型，然后通过标记单元网格进行分析，最终得到准确的结果。 根据活塞的结构对称性，为了便于计算，减少工作量，将所建立的活塞模型切割为1/4，然后根据建模软件与有限元分析软件之间的良好接口，将模型导入有限元软件中，对活塞进行有限元分析。在进口过程中，省略了一些细节，如活塞销的倒棱角和卡环等等。活塞的几何模型如图1所示。
图1：活塞的几何模型
2.2. 材料的物理性质
表1：活塞材料参数
|
参数 |
参数值 |
|
活塞材料 |
铝合金 |
|
泊松比 |
0.32 |
|
活塞弹性模量 |
70GPa |
|
材料密度 |
2700kg / m3 |
|
传导系数 |
160 w /(m2 times; K ) |
|
热膨胀系数 |
21*10-6 m / K |
2.3.网格生成
在活塞模型网格生成过程中，根据经验和多次试验，选用了八节点六面体单元SOLID 70。图2显示了活塞网格生成后的最终有限元模型。
图2：活塞的网格生成
- 有限元分析
3.1.热分析基础理论
求解物体的温度场是计算热应力所必需的前提，从而获得热应变，然后利用机械载荷的正应变和剪切应变进行累积。
从传热的基本理论出发，我们可以推导出具有内热源和瞬态温度场的物体的传热微分方程：
......（1）
其中，T是物体的瞬态温度值，t是时间，k是材料的电导率因子，r是材料的密度，c是材料的比热容以及是材料的内热源强度。通常，k，r，c和被视为常量，然而稳态热分析与时间变量t无关，在对活塞进行有限元分析时不考虑内部热源。所以我们可以得到以下结果：
......（2）
此外，要得到上述微分方程的唯一解，应增加初始条件和边界条件，统称为定条件。然后我们得到了微分方程的耦合解。本文应用第三边界条件求解和分析了活塞的温度场，这意味着接触物体的流体介质的温度Tf和热交换系数h被视为已知常数的变量。我们可以用下面的公式来表示：
......（3）
其中，n是物体边界的外法向量，h是对流换热系数，Tf是周围介质的温度。
活塞温度场的有限元分析是在微分方程泛函原理的基础上，用变分原理求出微分方程的极值函数，从而求解以节点温度为未知变量的方程组。基于变分原理，建立了求解节点温度的函数方程：
...（4）其中，S是活塞边界，V是活塞体的解区域。
通过对上述函数进行变异，得到满足边界条件的活塞温度场的温度函数T（x,y,z,t），并得到以下最小解:
......（5）
对活塞体进行有限元划分后，各单元可视为积分计算区域的子域，从而得到,其中是每个单元的子域。
而子域中单元格的功能方程可以表示为：
..（6）
单元内任意点的温度值应用单元的节点温度来执行插值函数，并通过计算得到：
......（7）
其中，Ni和Ti分别是温度单元节点的形状函数和温度单元节点的形状函数，m是单元节点的数目。
3.2.边界条件的确定
3.2.1.活塞顶换热系数的计算
在作为一个稳定的温度场进行计算时，需要计算综合气体在一个工作周期内的平均温度以及平均换热系数。首先要得到瞬态换热系数和瞬态气体温度。
Woschni公式基于相似原理，以气缸直径D以及活塞平均转速Re为主要代表量。计算公式是：
......（8）
其中，Pg-瞬态气体压力，MPa；
Tg-瞬态气体温度，K；
Cm-活塞的平均速度，m/s。
为了求出平均换热系数，在计算内燃机热负荷时，按曲轴转角作为时间，工作周期为720度。然后我们可以得到：
......（9）
根据上述计算，,平均综合气体温度是以气体为基础的温度。它用hm的表达的式子是：
......（10）
从而可以得到Tres=1369.19K.
3.2.2.活塞与冷却水的换热系数
活塞从气体中吸收的热量一般占燃料燃烧总热量的2-4%。当活塞达到热平衡时，热量可以
- 从活塞环区和裙部通过气缸套壁传送到水套内的循环冷却水；
- 在进气过程中通过活塞头输送到新鲜空气中；
- 通过活塞的内腔和油室传送到油雾和冷却油中。
气缸套与冷却水之间的换热系数为：hm=3715W/（m2.K）
关于活塞环区的初始边界条件，请参阅表2。
表2：活塞环区域的边界条件
|
位置 |
符号 |
换热系数 |
|
活塞火力岸 |
h1 |
145 |
|
第一圆槽顶部边缘 |
h2 |
456 |
|
第一圆槽内缘 |
h3 |
375 |
|
第一圆槽底部边缘 |
h4 |
2331 |
|
第二圆槽顶部边缘 |
h5 |
389 |
|
第二圆槽内缘 |
h6 |
244 |
|
第二圆槽底部边缘 |
h7 |
389 |
|
第三圆槽顶部边缘 |
h8 |
387 |
|
第三圆槽内缘 |
h9 |
244 |
|
第三圆槽底部边缘 |
h10 |
387 |
|
第一环的底环 |
h11 |
145 |
|
第二环的底环 |
h12 |
145 |
|
活塞裙部 |
h13 |
532 |
3.2.3.活塞温度场计算的边界条件
通过对上述活塞各部分换热系数的计算，得出各部分换热系数计算的边界条件，从而得 活塞温度场的计算。在某些部分中，根据计算结果对原计算区域进行细分，根据不同的位置对计算区域进行增减， 从而更好地满足了实际情况。
在确定边界条件时，要使分析结果更接近活塞的实际运行情况。根据活塞的结构特点和关键部件，活塞表面可划分为18个边界区，每个部分的位置如图3所示：
图3：活塞热边界区的划分图
通过与实验结果的比较和实验结果的反复计算调整，得到了活塞边界的换热系数和温度，如表3所示。
表3：活塞的换热系数及温度
|
位置 |
换热系数 |
环境温度 |
|
1 |
150 |
150 |
|
2 |
500 |
150 |
|
3 |
400 |
150 |
|
4 |
2500 |
130 |
|
5 |
450 |
130 |
|
6 |
350 |
130 |
|
7 |
450 |
130 |
|
8 |
400 |
120 |
|
9 |
350 |
120 |
|
10 |
400 |
120 |
|
11 |
150 |
150 |
|
12 |
150 |
130 |
|
13 |
700 |
110 |
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