活塞冷卻油腔位置變化對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響

張創(chuàng)科 孫俊花 馬輝

摘要：為提升活塞油腔對(duì)活塞的冷卻效果，采用ANSYS有限元分析法對(duì)活塞溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)活塞頂部燃燒室喉口及活塞第一環(huán)槽處兩個(gè)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分析，并對(duì)活塞產(chǎn)生熱應(yīng)力具有明顯影響的溫度梯度進(jìn)行同步分析，結(jié)果表明，內(nèi)冷油腔沿活塞軸向移動(dòng)時(shí)的活塞溫度場(chǎng)變化明顯大于其沿活塞徑向移動(dòng)時(shí)的溫度場(chǎng)變化，對(duì)活塞高溫區(qū)域的冷卻效果更好。

Abstract： In order to improve the cooling effect of the piston oil chamber on the piston， the ANSYS finite element analysis method was used to numerically simulate the piston temperature field to analyze the two key areas at the combustion chamber throat ofthepistonand the first ring groove of the piston， and generate the simultaneous analysis of temperature gradients whathas a significant effect on thermal stress. The results show that the temperature change of the piston when the inner cooling oil chamber moves along the axial direction of the piston is significantly larger than that when it moves along the radial direction of the piston， and it has a better cooling effect on the high temperature area of the piston.

關(guān)鍵詞：活塞;內(nèi)冷油腔;活塞溫度場(chǎng)

Key words： piston;inner cooling oil chamber;piston temperature field

中圖分類號(hào)：TK42 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0078-04

0 ?引言

活塞頭部鑄出由封閉圓環(huán)構(gòu)成的冷卻油腔，冷卻油由入口進(jìn)入冷卻油腔，經(jīng)循環(huán)后由出口流出的冷卻方式被稱作強(qiáng)制振蕩冷卻法，作為柴油機(jī)活塞廠家應(yīng)用最為廣泛的冷卻方式，可有效帶走活塞熱量，被認(rèn)為是最有效的冷卻方式，因此對(duì)活塞冷卻油腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以改善活塞外部熱環(huán)境，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

1 ?內(nèi)冷油腔影響活塞溫度及其溫度分布的主要因素

1.1 內(nèi)冷油腔位置和形狀

通過(guò)ANSYS對(duì)活塞的溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬分析可知，活塞冷卻油腔的位置和形狀對(duì)活塞整體溫度場(chǎng)的影響是非常大的。通常，設(shè)計(jì)內(nèi)冷油腔的形狀時(shí)，面容比應(yīng)盡可能大，內(nèi)冷油腔容積小，活塞強(qiáng)度會(huì)大幅提高，內(nèi)冷油腔的容積一定時(shí)，冷卻油腔的表面積越大，吸收周圍熱量的能力越強(qiáng)，冷卻效果越好。設(shè)計(jì)冷卻油腔形狀時(shí)，使冷卻機(jī)油在油腔內(nèi)流動(dòng)為紊流狀態(tài)，可達(dá)到更好的冷卻效果。設(shè)計(jì)內(nèi)冷油腔的位置時(shí)，讓油腔盡可能靠近溫度高、溫度梯度大的區(qū)域，可有效提高活塞的冷卻效果。

1.2 內(nèi)冷油腔橫截面面積

活塞冷卻油腔截面積對(duì)冷卻效果同樣至關(guān)重要，當(dāng)冷卻油腔較小時(shí)，冷卻機(jī)油不能在內(nèi)冷油腔內(nèi)充分的振蕩實(shí)現(xiàn)紊流狀態(tài)，會(huì)影響冷卻機(jī)油的吸熱能力，進(jìn)而影響散熱效果。冷卻油腔截面積大時(shí)，冷卻機(jī)油不能充滿整個(gè)冷卻油腔，冷卻油腔會(huì)產(chǎn)生真空部分，由于真空具有隔熱作用，阻隔熱量傳播，影響冷卻效果，同時(shí)，真空部分增加頂部熱量向活塞下半部分的傳遞難度，增加了活塞頂部的熱量積累，影響活塞的可靠性。所以，冷卻油腔的冷卻效果同冷卻油腔的橫截面積并非線性關(guān)系，在某一截面積存在最優(yōu)的冷卻效果。

1.3 冷卻機(jī)油的油壓和油量

冷卻油腔中，冷卻機(jī)油的油壓和油量同樣會(huì)對(duì)活塞的冷卻效果產(chǎn)生很大的影響。根據(jù)日本研究人員在DMP81Z柴油機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可知，內(nèi)冷油腔中冷卻機(jī)油的油壓在0.6～1.0MPa時(shí)，油壓每增加0.1MPa，活塞的整體溫度會(huì)下降3～7℃[14]。所以，確定內(nèi)冷油腔位置形狀和橫截面積后，冷卻機(jī)油的油壓也要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)整至合適區(qū)間。在強(qiáng)制振蕩冷卻方式中，噴射到冷卻油腔中的冷卻機(jī)油量要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況決定。

1.4 冷卻機(jī)油的供給方式

冷卻機(jī)油供給冷卻油腔的方式主要有兩種，第一種是通過(guò)連通連桿小頭的冷卻油道直接噴入冷卻油腔，第二種是經(jīng)由單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)把冷卻機(jī)油供向冷卻油腔。這兩種冷卻機(jī)油的供給方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，第一種冷卻機(jī)油供給方式，連桿小頭處的噴油孔直接把機(jī)油噴入冷卻油腔中，中間存在開(kāi)放空間，因此冷卻機(jī)油的飛濺不能保證所有冷卻機(jī)油都流入冷卻油腔，產(chǎn)生較大的機(jī)油損失，且連桿小頭處冷卻機(jī)油的噴油量與發(fā)動(dòng)機(jī)的工況也有著密切聯(lián)系。第二種冷卻機(jī)油供給系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)相分離，可以使冷卻油腔內(nèi)機(jī)油的初始溫度處于較低水平，提高冷卻效果。

2 ?內(nèi)冷油腔位置改變對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響

通過(guò)以上的分析可知，多種因素影響著活塞內(nèi)冷油腔的散熱效果。以下探討改變冷卻油腔位置，對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響。首先對(duì)活塞模型施加相同的邊界條件，然后觀察內(nèi)冷油腔位置發(fā)生不同方向移動(dòng)時(shí)，活塞溫度場(chǎng)發(fā)生的變化。

2.1 內(nèi)冷油腔沿徑向移動(dòng)對(duì)活塞溫度場(chǎng)影響

表1為活塞內(nèi)冷油腔分別沿著活塞軸向和徑向做平移的設(shè)計(jì)方案。圖1為原有內(nèi)冷油腔活塞溫度云圖;表2為活塞內(nèi)冷油腔做徑向移動(dòng)時(shí)溫度變化。

對(duì)比圖1冷卻水腔初始位置活塞溫度云圖可知，在對(duì)活塞內(nèi)冷油腔的位置做徑向平移時(shí)，活塞最高溫度變化幅度不大。

2.2 內(nèi)冷油腔沿軸向移動(dòng)對(duì)活塞溫度場(chǎng)影響

活塞內(nèi)冷油腔沿軸線平移時(shí)，共有F，G，I，J，四種設(shè)計(jì)方案，最高溫度變化如表3所示。對(duì)比圖1可知，活塞冷卻油道的位置采用設(shè)計(jì)F時(shí)，活塞溫度云圖見(jiàn)圖2。活塞的最高溫度位于活塞燃燒室喉口處，其溫度由332℃下降到327℃，溫度下降較明顯。相反，把活塞內(nèi)冷油腔的位置定位設(shè)計(jì)方案I和方案J方案時(shí)，活塞溫度云圖見(jiàn)圖4和圖5。活塞的最高溫度都出現(xiàn)上升趨勢(shì)，由332℃上升到335℃。由表3可得知，當(dāng)活塞冷卻油道越靠近活塞頂部，距離活塞燃燒室的距離越接近時(shí)，活塞喉口處的最高溫度越低，但也不能一味的接近，如表3顯示，當(dāng)活塞內(nèi)冷油腔采用設(shè)計(jì)G方案時(shí)，活塞最高溫度反而上升見(jiàn)圖3。顯然，活塞內(nèi)冷油腔越靠近活塞頂部，其與活塞高溫區(qū)域也就是喉口處的距離也就越接近，散熱效果也就越好，但也并不能一味的接近。

3 ?活塞熱應(yīng)力與熱變形分析

活塞內(nèi)冷油腔沿活塞軸線平移時(shí)，活塞溫度場(chǎng)的變化較大，所以此處重點(diǎn)對(duì)比方案F、方案I以及冷卻油道處于初始位置時(shí)，三種方案下活塞的熱應(yīng)力和熱變形。

冷卻油道處于初始位置時(shí)，其活塞的熱應(yīng)力分布如圖6，采用F方案時(shí)，熱應(yīng)力分布見(jiàn)圖7，I方案時(shí)見(jiàn)圖8。

冷卻油道處于初始位置時(shí)，其Y方向的熱變形見(jiàn)圖9，冷卻油道處于F方案位置時(shí)，其Y方向的熱變形見(jiàn)圖10，冷卻油道處于I方案位置時(shí)，其Y方向的熱變形見(jiàn)圖11。

由圖9、圖10、圖11可知，活塞Y方向熱變形在活塞下部變形比較大，在活塞頂部和活塞燃燒室中心凸起處熱變形比較小。活塞內(nèi)冷油道沿活塞軸線移動(dòng)時(shí)，活塞在Y方向的變形并不是特別明顯。當(dāng)采用I方案時(shí)，如圖8所示，活塞所受最大熱應(yīng)力為143MPa;當(dāng)采用F方案時(shí)，如圖7所示，活塞所受最大熱應(yīng)力為139MPa;當(dāng)內(nèi)冷油道處于初始位置時(shí)，如圖6所示，活塞所受最大熱應(yīng)力為153MPa。

4 ?結(jié)論

研究活塞內(nèi)冷油腔位置對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響，目的是改善活塞的內(nèi)冷油腔的位置，優(yōu)化活塞的冷卻性能，延長(zhǎng)活塞的工作壽命，最終得到以下結(jié)論：

①隨著活塞內(nèi)冷油道沿著活塞軸線移動(dòng)，在活塞頂部和活塞燃燒室中心凸起處熱變形比較小。因此，縮短活塞高溫區(qū)域和內(nèi)冷油腔之間的距離是降低活塞溫度的一種有效方法。

②當(dāng)內(nèi)冷油腔和活塞高溫區(qū)域的距離比較接近時(shí)，活塞的最高溫度會(huì)下降。但距離和溫度的下降并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，所以，不能使活塞內(nèi)冷油腔一味的靠近活塞高溫區(qū)域，同時(shí)，還要考慮活塞的強(qiáng)度問(wèn)題。

③雖然內(nèi)冷油腔和活塞高溫區(qū)域的距離縮小時(shí)，活塞最高溫度會(huì)下降，但縮小到一定距離后，活塞最高溫度不降反增，這種現(xiàn)象可能與內(nèi)冷油腔上移影響活塞頂部強(qiáng)度有關(guān)，今后需要進(jìn)行更加深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]沈維道.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[3]李翠華，姜清輝，等.強(qiáng)度折減有限元法中的單元階次影響分析[J].巖土力學(xué)，2013，11.

[4]閆理貴.缸蓋內(nèi)沸騰傳熱流固耦合模擬及其可靠性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

[5]劉鵬展.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻技術(shù)及其應(yīng)用：中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)汽油機(jī)煤氣機(jī)分會(huì)2001年度聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.貴陽(yáng)，2001，10：430-434.

[6]曹元福，張衛(wèi)正，楊振宇，等.封閉空腔中多相流振蕩傳熱特性的數(shù)值模擬[J].化工學(xué)報(bào)，2013（64）：891-896.

[7]胡蕾.活塞噴油強(qiáng)制振蕩冷卻的仿真分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[8]胡志華.冷卻油腔截面積對(duì)柴油機(jī)溫度場(chǎng)的影響[J].煤礦機(jī)械，2014（12）.

[9]張勇，張力，申正軍，等.振蕩冷卻油腔活塞熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（5）：56-59.

[10]譚建松，俞小莉.高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻方式仿真[J].兵工學(xué)報(bào)，2006，27（1）：97-100.