某增壓汽油機活塞溫度場仿真及試驗研究

李志敏 唐競

【摘 要】文章比較了幾種典型的活塞溫度場分析方法。在三維軟件中建立增壓汽油發動機活塞的三維幾何模型，利用有限元分析軟件進行網格劃分、區域劃分和建立傳熱學分析模型，按照第三類熱邊界條法賦予邊界條件并進行活塞溫度場的計算。同時，用硬度塞測溫法進行活塞的溫度場測試，根據試驗的結果，修改仿真模型直至仿真結果與試驗結果相吻合。得出與實際接近的活塞整體的溫度分布情況，分析和總結了活塞溫度場的分布規律，評估活塞工作的安全性。

【關鍵詞】增壓汽油機；活塞；溫度場；仿真；試驗

【中圖分類號】TK413 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）04-0043-03

0 引言

為應對全球氣候變暖和環境惡化，提高國家的能源安全，國家整車油耗法規的日益嚴厲，為落實《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》的要求，實現2020年國產乘用車平均油耗降至5.0 L/100 km的目標，第四階段標準進一步提升了單車燃料消耗量限值和企業平均目標值的要求，對單車和企業同時進行考核。各發動機和汽車制造公司為應對油耗法規，想盡各種方法降低發動機的燃油耗。在這些方法中，通過渦輪增壓增加發動機的平均有效壓力和適當小型化，降低摩擦是目前汽車公司和發動機公司一種的常見且有效的技術路徑。相對于自然吸氣的發動機而言，增壓汽油機由于功率密度提高，爆發壓力的增大，在發動機實際開發中，設計者往往過于注重活塞強度的設計，而對溫度導致的變形疲勞破壞重視不夠。根據開發經驗，由熱載荷引起的熱疲勞是導致活塞破壞的主要因素。因此，隨著發動機熱負荷的增加，作為熱能轉化為機械能的關鍵零件活塞，其工作中的溫度場尤其應該加以重視。因此，在增壓發動機的設計中，對活塞溫度場分布進行準確的分析，得到活塞的溫度分布情況，可以為活塞的設計和改進提供有力的依據，達到改善發動機的工作耐久性的目的。

1 幾種常用的活塞溫度場分析方法及選擇

為考察活塞工作時的溫度及分布水平，開發者通常使用的方法為流固耦合分析、硬度塞測溫法測試、無線傳感器測溫、第三類熱邊界條法仿真計算等。

1.1 流固耦合分析法

隨著計算機技術在工程領域的應用，目前通過使用三維流體仿真軟件，可以計算得到活塞不同工況條件下各工作邊界的介質溫度和換熱系數等數據，隨后將這些節點上的參數映射到對應的活塞表面，通過穩態或瞬態的傳熱計算得到活塞工作的溫度場。目前，這種方法在研發中有不少的應用，其優點是可以對發動機多種工況條件下的活塞溫度進行預測分析，在設計階段就得到計算結果，可以進行預測分析活塞的溫度分布情況，從而預測活塞的工作安全性。但由于活塞工作邊界的復雜性，計算量大，且該方法受到流體計算結果的準確性限制，因此在發動機開發中的應用受到制約。

1.2 硬度塞測溫法測試

淬火鋼經過常規加熱、保溫，并以一定的冷卻方式冷卻，在一定溫度下回火，可獲得預期的強度和硬度。利用材料這一特性和規律，將一定形狀的淬火鋼放入某一低于臨界點的、變化的、非均一的溫度場中加熱保溫，即可獲得一定的、不同的回火硬度。若將一系列回火溫度和回火后硬度繪制成“溫度—硬度關系曲線”作為標準，那么，在知其回火后硬度后，根據“溫度—硬度關系曲線”，就可查出所對應的回火溫度。在實際發動機開發中，人們在試驗的活塞上，安裝上標準的硬度塞，確保發動機按照預定的工況（通常是較為惡劣的工況）運轉預定的時間并平緩停機，試驗后檢測硬度塞的溫度，根據“溫度—硬度關系曲線”就能得出活塞該位置的工作溫度。該方法在開發中也有使用。如果能確保硬度塞在熱處理、安裝和試驗中的條件，硬度塞測溫法的檢測結果還是比較準確的，但是由于硬度塞不能在同一個活塞中安裝過多，影響活塞本身的熱傳遞條件，其測點數量有限，不能預測整個活塞范圍內的溫度分布情況，且實時性較差，不能實現在設計階段就對活塞溫度的整體分布進行分析和評估。

1.3 無線傳感器測溫

在活塞中埋入無線傳感器，發動機運行時，傳感器的溫度測量結果通過無線裝置實時傳輸出來，利用在發動機外的設備進行接收和處理，就能得到發動機實際運轉過程中，傳感器布置點的溫度信息。該方法的優點是可以考察多工況，且溫度測量結果準確。缺點是成本較高，試驗復雜，受安裝條件限制，測點有限等。

1.4 第三類熱邊界條法仿真計算

通過利用以往開發試驗結果和計算經驗，對活塞工作邊界進行劃區，對所劃分區域賦予傳熱的相關邊界條件，計算得到活塞的溫度分布情況。該方法可以快速地計算出活塞的溫度分布情況，且具有一定的參考意義。但是由于發動機的差異，賦予的邊界條件往往有偏差，可能會與實際工作情況相差較大。

1.5 活塞溫度場分析方法的選擇

在發動機的活塞實際工程開發中，往往只關注最惡劣的工況，只要在最惡劣工況條件下發動機活塞的工作溫度沒有超出材料溫度的許可值，即可以認為零件是安全的。本文以開發中的某增壓汽油發動機的活塞為主要研究對象，建立了活塞的三維幾何模型，利用有限元分析軟件建立傳熱學模型，考慮到當發動機處于穩定工況時，活塞溫度場近似于穩態，因此按照第三類熱邊界條法進行計算，即通過給出換熱系數和介質溫度，模擬活塞的溫度分布情況。同時，使用硬度塞測溫法進行活塞的溫度場測試試驗，得出關注點的溫度值，再根據試驗的溫度數值結果，反復修改仿真模型，直至仿真結果與試驗結果吻合，從而得出與實際接近的活塞整體的溫度分布情況，評估活塞的安全性。由于是根據試驗的實測數據對計算模型進行修正，計算模型經過實際試驗校正后，其計算結果能較為準確地反映實際工作中的溫度分布情況。

2 有限元模型的建立

在CATIA中建立活塞的三維模型，考慮到開發中的活塞無論主副推力面或銷孔軸向前后方向，活塞都是非對稱的，因此將活塞的全數模用hypermesh進行網格劃分后導入ABAQUS中，對活塞表面的工作邊界進行劃區，整個活塞總共劃分為33個區域。隨后，使用第三類熱邊界條法，對所劃分區域賦予傳熱的相關邊界條件建立有限元模型，并對其進行計算求解。活塞材料的參數見表1。

3 硬度塞測溫試驗

為測試關注點的活塞溫度，活塞溫度測試中溫度塞的布置需要慎重考慮。硬度塞在試驗中有可能由于加工、安裝稍有不慎而脫落，導致試驗失敗，且過多的布置硬度塞會影響傳熱。考慮到由于燃燒室中心是熱量的輸入區域，因此附近區域往往是活塞溫度最高的部位。由于活塞的正反推力面受壓而導致頂面沿銷孔方向應力相對進排氣側區域大，活塞頂部沿銷孔中心位置的溫度是開發過程中關注最多的部位。同時，為防止潤滑油結焦，各環槽及環岸附近的溫度不能超過潤滑油的使用許可值。綜合考慮上述原因及經驗，在圖1中所示位置埋入總共7顆硬度塞用以進行活塞溫度考察試驗。

從發動機運行工況特點分析，發動機工作時，在總的熱量（燃油消耗量）輸入越大的工況下，活塞溫度往往越高，因此選用發動機的額定功率點進行活塞工作溫度測試試驗，測量該工況條件下活塞的溫度。該工況下活塞溫度測試和分析結果如果不超出材料許用的溫度值，則其他工況條件下，活塞往往處于較為安全的狀態。試驗中發動機試驗運行步驟和工況時間根據硬度塞的材料特性要求設置，以得到較為準確的結果。潤滑油和冷卻液溫度根據技術條件確定，試驗后的活塞如圖2所示。

試驗后檢查，所埋的硬度塞完好，無松脫及其他異常情況，試驗是有效的。經過試驗后，先將硬度塞放到電子顯微硬度計下測量其硬度，每個硬度塞測量4個值，取平均值。然后根據材料的“硬度—溫度標準曲線”求出活塞該點的溫度。

4 活塞溫度場校正及計算分析

根據實際測試的結果，對計算模型進行反復調整。因為發動機冷卻液溫度、潤滑油的溫度是較為穩定的，所以主要調整計算模型中活塞頂部的相關參數，直至每個測點的溫度計算值與實際測量值的誤差在1 ℃之內，則認為模型與活塞實際工作條件相符。模型校正后的活塞溫度場計算結果如圖3所示。

從仿真模型校正后的計算分析結果可以得知，活塞工作的溫度場具有以下特點。

（1）活塞的工作溫度大致呈中間高、主副推力側低，活塞上部溫度高、往下逐漸降低的分布。其中，排氣側溫度比進氣側溫度稍高。一環槽及以上的溫度梯度較大；主副推理側溫度大致呈對稱狀態。

（2）活塞工作的最高溫度位于活塞頂中央，最高溫度為227.6 ℃，這與該部位離燃燒中心距離較近有關。活塞的工作溫度小于材料的許用溫度（320 ℃），能夠滿足發動機的工作要求，且處于理想的范圍內，比預期要好，分析其原因，應該是活塞采用了冷卻噴嘴，對活塞內腔采取了強制冷卻導致。

（3）活塞的最低溫度位于進氣側裙部底端，溫度為110.5 ℃，接近冷卻液及潤滑油的溫度。這是由于環槽對傳熱的隔斷，熱能輸入距離遠，且裙部貼合在缸套上，內部潤滑油進行冷卻，散熱條件較好所導致。

（4）重點關注的一環槽及火力岸的工作溫度小于潤滑油開始結焦的溫度（220 ℃）[1]，潤滑油結焦的風險較低。

5 結語

建立了有限元的傳熱模型，并通過活塞溫度場試驗，對模型進行校正后，得到較為可信的活塞溫度場分布情況及其大致分布規律。可以得知，所開發活塞的工作溫度處于材料許用范圍內，活塞結構及熱失效風險較小，活塞環槽及環岸溫度小于潤滑油結焦溫度，潤滑油結焦的風險較小。活塞的溫度分析和試驗研究，為活塞的設計及改進提供了強有力的依據。

參 考 文 獻

[1]楊睿.潤滑油結焦行為的實驗室評價[J].石油學報（石油加工），2013（5）：813-817.

[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]張云飛.汽油機活塞熱機耦合分析及其試驗研究[D].長沙：湖南大學，2014.