天然气发动机活塞温度场仿真计算与测试分析

何永生，吴宇波

（1.龙口龙泵燃油喷射有限公司，龙口265701；2.上海柴油机股份有限公司，上海200438）

天然气发动机活塞温度场仿真计算与测试分析

何永生1，吴宇波2

（1.龙口龙泵燃油喷射有限公司，龙口265701；2.上海柴油机股份有限公司，上海200438）

借助ANSYS有限元分析软件对新开发的天然气发动机的活塞进行额定工况点的温度场仿真计算，得到活塞此工况点的温度场分布和疲劳安全系数。同时利用硬度塞法对活塞在整个工作过程中的温度场进行测试分析，验证仿真计算结果的可靠性。仿真计算结果表明，活塞最高温度为316.4℃，位于燃烧室顶部，疲劳安全系数大于1。设计的活塞满足天然气发动机的工作要求。

气体发动机 活塞 温度场 仿真计算 测试

1 前言

活塞是内燃机的一个重要零件。由于活塞结构复杂、工作条件恶劣，其可靠性对保证发动机性能而言至关重要。

天然气发动机以其利用清洁能源，有利于节能减排的优势正在悄然兴起。随着天然气发动机应用的逐步普及，天然气发动机所暴露的问题也逐渐增多，特别是活塞。其与高温高压燃气直接接触，承受较大的热负荷，易产生开裂、烧蚀等问题。本分析从研究活塞温度场的角度出发，利用有限元仿真软件，对天然气发动机活塞在工作状态下的温度场分布和疲劳安全系数进行仿真计算，并通过活塞温度场测量试验来验证有限元仿真计算的可靠性，为天然气发动机活塞的设计提供相关指导。

2 活塞有限元仿真计算

2.1 活塞3维建模及网格划分

在有限元分析之前，对仿真对象进行建模和网格划分。研究的活塞带敞口型燃烧室。根据活塞的CAD设计图纸，利用Pro/E建立了活塞的全尺寸3维模型，如图1所示。考虑到活塞对称性，取活塞、活塞销和连杆小头的1/2模型作为有限元分析模型，划分有限元网格。活塞有限元网格如图2所示，活塞有限元网格信息见表1。为了使仿真结果更加精确，可根据情况调整网格结构，并对必要部位进行适当修正。

2.2 活塞材料及边界条件

活塞材料为BH122A（牌号），其主要物理机械性能见表2。研究的活塞用于电站用电控天然气发动机，因而按发动机最大功率264 kW进行仿真计算。仿真计算边界条件见表3。

图1 活塞3维模型

图2 活塞有限元网格

表1 活塞有限元网格信息

表2 活塞材料主要物理机械性能

2.3 活塞仿真计算结果

通过仿真计算，得到活塞温度场分布和活塞关键部位的温度，分别见图3和表4。由图3可知活塞温度较高的区域在活塞顶部和第1环槽。燃烧室温度从中心到边缘先降后升，在燃烧室边缘达到最大值，最高温度为316.4℃。此处的活塞材料最容易在高温下失效，且热应力较高，设计时需要重点考虑。从图3还可以看到，燃烧室底面温度并不高，只有253.8℃，这归功于冷却油腔的贡献。冷却油腔对加强活塞传热和改善热负荷、减小热应力效果显著[1]。

表3 仿真计算边界条件

图3 活塞温度场分布图

表4 活塞关键部位温度

通过仿真计算得到的活塞关键部位的疲劳系数见表5。从表5可见，活塞关键部位的疲劳安全系数均大于1，满足发动机对活塞疲劳寿命的设计要求。活塞疲劳安全系数的变化与温度有关，在活塞温度较高的顶部区域疲劳安全系数较低，而在裙部等温度较低区域疲劳安全系数则较高。由表5可见，易发生疲劳损坏的活塞第1环槽、销座、销孔等关键部位的疲劳安全系数虽基本满足设计要求，但余量稍显不足，长期工作易出现疲劳裂纹。在活塞优化改进和台架试验中应关注这些部位的疲劳强度问题[2]。

表5 活塞关键部位疲劳系数

3 活塞温度场测量试验

进行仿真分析时，仅知道发动机的最大功率、发动机转速、冷却液温度等信息，所以在发动机性能开发阶段，需要通过测量活塞表面工作温度来确定设计的活塞是否满足发动机的使用要求，并确定其是否有较长的使用寿命。

通常，通过测量活塞温度场的方式来确定活塞工作温度。同时，用测得的活塞工作温度验证活塞仿真计算结果的可靠性，还可用测量值修正活塞仿真计算的边界条件，从而得到比较准确的仿真计算结果。

3.1 活塞温度场测量方法

活塞的温度测量可分为非电量测量和电量测量。非电量测量的典型应用为硬度塞法或易熔合金法，电量测量大多数采用热电偶法或热敏电阻法。

用硬度塞法测量活塞温度，简单、可靠，且可通过布置大量测量点来提高测量精度；但是不足之处是只能测得测点的平均温度[3]。本测量采用硬度塞法。在每缸活塞的顶面和侧面，均匀安装23个硬度塞，即分布23个测点。硬度塞安装位置详见图4。

3.2 活塞温度场测量过程

进行活塞温度场测量试验时，为了准确地测量活塞温度场，发动机先经过较短时间磨合，然后逐步缓慢增加负荷，至发动机达到最大功率后，连续稳态运行2 h，中途不停机或间断运行，平均每10 min记录发动机的主要运行参数。试验结束后，待发动机自然冷却到环境温度，取下活塞，分析测点温度。

图4 硬度塞安装位置示意图

3.3 活塞温度场测量试验结果

经过对试验后的硬度塞进行处理和分析，得到活塞表面各测点的温度，如图5所示。由图5可见，活塞温度较高的区域主要是活塞顶部燃烧室和侧面第1环槽，且活塞顶部温度场分布的变化趋势也是由燃烧室中心向边缘先降后升，在燃烧室边缘达到最大值，而活塞裙部等区域温度相对低一些，与仿真计算结果大体一致。

活塞顶部燃烧室边缘与燃气直接接触，是导致此处出现最高温度的重要因素，因而此处活塞的热负荷也较高。活塞环槽部位，尤其第1环槽位置高于燃烧室底部，热流密度大，燃烧室内的高温直接传递到此处，导致温度较高。发动机长时间运行易使第1环槽中的润滑油结焦、碳化，进而影响润滑性能，导致活塞环卡滞；加之较高的热负荷也易使活塞产生裂纹。这些部位在活塞设计时需要重点给予考虑，在试验时需要给予特别关注[4]。将活塞表面重要测点的最高温度实测值与仿真计算值进行对比，对比结果见图6。

图5 活塞表面各测点温度

图6 活塞重要测点温度实测值与仿真计算值对比

由图6可见，实测值与仿真计算值大体吻合，但也存在一定误差，部分测点误差达约23℃。导致误差的因素如下：（1）活塞仿真计算时，包括发动机冷却液温度、机油温度、爆发压力等参数都是预估的；（2）天然气在气缸内的燃烧模型、气缸套和活塞的传热模型也不是很完善；（3）活塞温度场测点的选定位置受到活塞结构强度限制。但从总体看，重要测点的相对误差均低于8%，在可接受的范围内，满足工程要求。为了使仿真计算结果和测试结果更吻合，既要改进仿真计算的模型和方法，也要完善试验条件，提高测量试验精度，这样才能更有效地确保仿真计算结果的可靠性。

4 结论

通过对天然气发动机活塞的仿真计算和测量试验，可以得到以下结论：

（1）活塞温度场仿真计算结果与测试结果基本吻合，重要部位误差在10%以内，因而仿真计算得到的结果基本可信的。

（2）研究结果表明活塞最高工作温度出现在顶部燃烧室边缘位置（超过300℃），这要求活塞顶部必须具有良好的导热性、足够的耐热性和强度。活塞第1环槽区域温度较高，这是导致活塞长时间工作后产生活塞环卡滞、裂纹等问题的重要因素，因此必须采取措施，加强活塞冷却效果，降低活塞的热负荷；同时在设计过程中要充分考虑活塞材料、结构形式、加工工艺等因素的影响。

（3）通过仿真计算得到的活塞关键部位的疲劳安全系数均大于1，可以接受；但是对于第1环槽、销座等易发生疲劳损坏的位置要充分考虑设计余量，确保活塞有足够的机械强度和疲劳强度。

（4）利用有限元分析方法进行天然气发动机活塞设计能基本满足零部件设计要求；但是仿真结果和试验结果存在一定的误差，这要求在设计开发过程中不断进行改进、优化仿真方法和测量手段，尽量减小误差。

[1]田永祥，张锡朝，张济勇，等.发动机活塞温度场三维有限元分析[J].内燃机工程，2004，25（1）：64-65.

[2]李小泉.12V170柴油机活塞的有限元分析与疲劳评价[J].内燃机与配件，2015（6）：29-30.

[3]于旭东，王政，王成焘，等.车用发动机活塞稳定工况温度测量[J].机械科学与技术,1999,18(5)：825-526.

[4]雷基林，申立中，杨永忠，等.4100QBZ型增压柴油机活塞温度场试验研究及有限元分析[J].内燃机学报，2007，25（5）：449-450.

Simulation and Testof Temperature Field of NaturalGas Engine Piston

He Yongsheng1,Wu Yubo2
（1.Longkou Longbeng Fuel Injection Co.,Ltd.,Longkou 265701,China;2.ShanghaiDiesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China)

The temperature field of the piston ofa newly developed naturalgasenginewasanalyzed by ANSYSFEA software at the rated condition,and the temperature distribution and fatigue safety factor of the piston were simulated.At the same time,the analysis resultswere verified with testing.The analysis results show that themaximum temperatureof the piston is316.4℃,which isat the top of the combustion chamber.The safety factor of critical places ismore than 1,indicating that the designed piston satisfies the operation requirementsof thenaturalgasengine.

naturalgas engine,piston,temperature field,simulation,testing

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.002

来稿日期：2017-02-27

何永生（1978-）男，工程师，主要研究方向为燃油喷射系统的开发和发动机性能研究。