陶瓷涂覆的柴油机活塞热分析

2019-11-06李恩光李毓

汽车实用技术 2019年20期

李恩光，李毓

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

前言

活塞作为内燃机最重要的零部件之一，其设计的合理性成为制约内燃机排放和燃烧的关键点。只有活塞可靠高效的工作，才能让活塞式内燃机具有旺盛的生命力[1]。英国伯明翰大学的Soheil Zeraati-Rezaei 等人在一台四缸柴油机上进行了汽油掺混柴油的中、高负荷下排放试验研究。研究结果表明，特别是在高负荷下燃料的雾化质量和活塞表面对发动机的燃烧相位有很大的影响[2]。Dean Pierce 等人指出随着缸内峰值压力提高，活塞热负荷增加，活塞温度增高[3]，随之而来的负面影响也逐渐增多。陶瓷涂层具有良好的隔热效果，可以用来控制活塞温度的分布和热流量[4]，从而提高燃烧效率。同时Kun Ye 等人[5]的研究表明活塞表面温度还会对传热、热压力产生影响。本文设计出了带陶瓷涂层的活塞三维模型。设定正确的活塞边界条件，使用软件对其进行稳态热分析，通过分析数据发现在活塞顶部涂覆陶瓷涂层可以降低其温度。

1 材料的属性

在活塞顶部涂覆陶瓷涂层就是为了利用陶瓷的高耐热性和低导热性来保护基体合金材料。由于氧化锆基有低的热传导率和高的热膨胀系数，所以它被用作活塞涂层，如表1。本设计将涂层分为6 层，其中与基体相连的金属层1 层、过渡层4 层、陶瓷层1 层，每层厚度为 0.4mm[6]。

表1 陶瓷材料物性参数

2 有限元模型的建立

本设计活塞是燃烧室为ω 型的铝硅合金活塞。该类型活塞结构对称性好，是轴对称部件,考虑到精度与计算量，此次分析使用活塞1/2 模型，这样既可以提高精度，也可以减少计算方程的刚度，是可行的[7]。活塞1/2 三维模型如图1。将带有覆层活塞的活塞模型导入到ANSYS 中，进行网格的划分，将活塞涂层网格设置为1mm，其余地方设置为3mm，共有693250 节点，487705 单元。活塞有限元模型如图2。

图1 活塞1/2 三维模型

图2 活塞有限元网格模型

3 活塞的边界条件

活塞顶部是活塞热量流入的地方，该部分换热介质温度和换热系数将会对整个活塞温度场分布产生重大影响。缸内燃气平均温度为1033℃，活塞顶部与缸内燃气的平均换热系数为875W/m2·K。活塞顶面每个部位的换热系数均以以上数据为基础进行计算。

表2 活塞主要部分热边界条件

缸套与活塞之间隔着活塞环、机油油膜和气体，热传递过程采用多层平壁传热模型，按第三类边界条件处理；内冷油腔换热系数利用管流计算经验公式，取活塞内冷油腔换热系数为3000W/m2·K；活塞内腔主要通过曲轴箱气体与外界进行热量传递，然而曲轴箱内气体温度相对比较稳定，而且活塞内腔不与燃气直接接触，因此其换热系数变化范围比较小。经过整理计算，得出活塞主要部分的热边界条件，如表2。

4 结果和讨论

设置活塞各层材料的物性参数，将活塞各部分热边界条件施加到划分好网格的有限元模型中，然后在软件中进行一系列必要的设置，再进行分析计算，得到涂覆陶瓷层对活塞所起的作用。活塞的稳态温度场分别如图3 和图4。

图3 无陶瓷涂覆活塞的温度场

图4 带陶瓷涂覆活塞的温度场

通过活塞温度场分布可以看出，带涂层活塞温度的整体分布与无涂层活塞的温度相似，都是从活塞顶至活塞底部沿轴线方向逐渐下降，最大值出现在活塞顶部，最小值出现在活塞裙部最低端。无涂层活塞表面最高温度为332.02℃，带涂层活塞表面最高温度为466.82℃，带涂层活塞表面的最高温度比无涂层活塞表面的最高温度提高了40.6%，而活塞基体的最高温度为289.01℃,相比没有涂层下降了12.95%。这是因为陶瓷的导热系数比活塞基体导热系数小很多，热传递量随着导热系数的减小而减小，因而陶瓷层阻止了许多由顶部向下传递的热量，使得顶部温度上升，基体温度下降。同时陶瓷涂层也给燃烧室提供了更高的温度，从而提高了发动机的热效率。