汽油机活塞传热分析

汪展展，安玉环，孙环，王能河

（燕山大学车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066004）

前言

汽油机作为目前车辆最普遍的动力装置之一，面临燃料价格不断增加，以及车辆越来越多而引起的环境恶化问题。因而改进汽油机燃烧技术来提高发动机经济性、动力性、以及排放性是人们一直以来不断追求的目标[1]。虽然内燃机受到不可再生能源的限制，但是新能源技术还处于初级阶段，所以，在以后几十年内，内燃机仍然是车辆主要动力来源[2]。杜丹阳通过改变活塞头部形貌提高发动机压缩比及改善缸内流场来提高发动机综合性能[3]。

活塞作为发动机重要零部件之一，长期工作于恶劣环境中，活塞工作过程中，活塞顶面承受着很高的交变热负荷。这些负荷严重影响发动机活塞的使用寿命，并且可能出现拉缸、咬缸、结胶等故障。极大地危害了发动机的可靠性和耐久性。因此，有必要求解活塞温度场。本文采用有限元软件ANSYS对异型活塞温度场进行数值模拟计算，得出温度分布。

1 活塞有限元模型建立

1.1 几何模型的建立

随着计算机技术不断发展，有限元计算方法日渐成熟。T. Morel[4]首次运用网格法模拟计算活塞的稳态温度场。施培文[5]、谢琰[6]建立活塞整体模型进行数值模拟分析。

本文用 CATIA建立硅铝合金活塞的整体模型。转换成STP格式导入ABAQUS中，活几何模型如图1所示。

图1 活塞几何模型

1.2 活塞模型的网格处理

为了获取准确的计算结果。应合理提高网格质量，这样既能节省计算时间又能保证计算结果精度。运用 ABAQUS软件自带网格划分工具对其进行网格划分：采用四面体网格划分，四节点线性传热四面体单元DC3D4。网格数目为活塞网格节点数为1487894。活塞网格划分如图2所示。

图2 活塞网格划分模型

2 理论模型

2.1 导热微分方程

关于固体导热问题利用傅立叶定律，其向量表达式为：

式中：q为热流密度(W·m-2)；k为材料的导热系数（W·K-1·m-1）；gradT 为温度梯度（K·m-1）。

由传热学的基本方程，按照能量守恒定律，可以得到固体导热微分方程：

式中：cp为定压比热容（J·kg-1·K-1）。φ为内热源（W·m-3）。

由于活塞内部没有热源，并且活塞温度整体变化范围比较小，可以将其简化为常物性，稳态、无内热源问题。则导热微分方程可写成：

2.2 边界条件的确定

热边界条件对活塞温度分布有决定性作用，合理的边界条件是保证仿真结果可靠的关键。

缸内瞬时平均换热系数以及缸内瞬时温度根据一维性能仿真软件AVL_BOOST得到。一维仿真模型如图3所示。

图3 发动机一维仿真模型

仿真结果如图4、图5所示。缸内循环平均温度及换热系数参考公式[7]。

式中：为缸内循环平均温度；缸内循环平均换热系数；Tg为缸内瞬时平均温度；hg为缸内瞬时平均换热系数。hg，Tg可由AVL_BOOST计算得出如图5，图6所示活塞侧面边界的当量换热系数计算入式为[8]。

式中：h活塞侧面当量换热系数；tc润滑油膜温度；λe润滑油膜导热系数；tn活塞环温度；λn活塞环导热系数；tc气缸壁温度，λc气缸壁导热系数；h'修正热交换系数。

图4 燃气侧瞬时换热系数

图5 缸内瞬态温度

活塞裙部换热系数按式(6)中去掉tn/λn计算，活塞内腔换热系数一般取 600～800W/(m2·K)[9]。火力岸处换热系数取顶部燃气侧循环平均的 1/5～1/4比较合理。活塞其他边界条件参考现有成果[8-9]以及实际情况，具体第三来热边界条件如表1所示。

表1 活塞主要壁面热边界条件

3 有限元传热分析结果

利用有限元软件 ABAQUS仿真得到的活塞温度场结果如图6所示：

图6 活塞温度场

从图6-a）可以得出平顶活塞的最大温度为546.6K（273℃），位于活塞顶面中心，活塞温度场关于活塞呈几何对称。从图6-b)中可以看出活塞第一环槽、第二环槽、第三环槽的温度分别为515K、501K、481K。活塞内腔温度约为537K。

整体来看，活塞温度沿活塞轴向，温度越往下越低，由于活塞顶面始终与高温燃气直接接触，活塞顶部中心区域温度较高。顶面周围温度低于中心位置，是因为活塞顶面周围离活塞环槽较近，热量通过活塞环带走之后，温度下降。

图7 活塞隔热槽位置

采用隔热槽的方法，即在活塞第一环槽上方开隔热槽，减少热量往第一环槽扩散，以减少活塞第一环槽温度。在平顶活塞火力岸处开隔热槽，几何模型如图7所示。利用相同的方法计算开隔热槽之后活塞温度场如图8所示。

从图8-a)中可以看出，活塞第一环槽的温度为509.8K，比之前温度降低了大约 6.5K。但是活塞最高温度为 550K，比之前的温度增加了5.3K。因为开隔热槽之后，隔热槽阻断了一部分热流流向活塞第一环槽，迫使热流向第二、第三环槽，减弱了活塞第一环槽的冷却作用，从而使活塞最大温度略有升高。

活塞开隔热槽之后，温度较高的区域明显增大，活塞顶部在隔热槽上面的部分温度均在540K以上，而未开隔热槽的温度约为 523K-528K。活塞内腔顶面中心位置温度为540K。活塞开设隔热槽后活塞第一环槽的温度约为 509K。可以看出隔热槽能降低活塞第一环槽的温度，但活塞顶不温度将会有所提高。

图8 平顶活塞开隔热槽温度分布

4 结论

本文通过建立活塞三维模型并基于 ABAQUS对其温度场数值模拟分析，得出活塞的温度分布，为活塞机构的优化提供了参考。得到以下结论：

1）活塞最高温度出现在活塞顶面中位置，活塞温度整体对称。

2）通过在火力岸处开隔热槽能有效降低活塞第一环槽的温度，但会使活塞整体温度有所增加，尤其是活塞隔热槽以上部分。