内冷油腔结构对锻钢活塞换热的影响

2021-06-18陈笑天邓立君

小型内燃机与车辆技术 2021年2期

陈笑天邓立君

（滨州学院机电工程学院山东滨州 256600）

引言

近年来，随着柴油发动机的功率不断提高，其强化程度也不断提高，但高负荷导致的发动机活塞失效现象仍然存在[1]。为了避免这种现象发生，保障发动机安全稳定运行，朱海荣等[2]和曹元福等[3]提出了振荡冷却的方法。在发动机活塞头部附近设置冷却油腔，冷却油腔内填充一定比例的冷却油，当活塞进行往复运动时，冷却油腔内的冷却油不断冲刷冷却油腔的各个壁面，产生强烈的湍流，从而提高了传热效率。良好的内冷油腔结构能提高活塞的降温效率和可靠性，因此，合理的内冷油腔结构是非常有必要的。国内外学者研究发现[4-6]，内冷油腔的结构会影响活塞顶部和活塞销孔部位的温度及其可靠性。胡蕾[7]建立了无内冷油腔和带内冷油腔的活塞模型，发现加入内冷油腔之后，活塞各个区域的平均温度均有所下降。郝冠男等[8]通过网格技术和sst k-w 两相湍流模型，对内冷油腔的传热进行了数值计算。结果表明，在结构允许的范围内，内冷油腔的体积应尽可能大。耿泽伟[9]和刘庆刚等[10]研究发现，不同的冷却油腔截面形状对活塞的降温有一定影响。邓晰文[11]研究发现，内冷油腔壁面靠近燃烧室底部与活塞内腔顶部、增加内冷油腔截面面积可以增强其振荡传热性能，降低活塞的最高温度。王新[12]、石小明[13]、Yoshikawa T.等[14]研究发现，与无内冷油腔相比，带内冷油腔的活塞，其内冷油腔带走了活塞头部的部分热量，活塞冷却效果得到增强，环岸和第2 环槽区降温最为明显，燃烧室、内腔顶部次之，裙部下端降温最少。本文主要通过ANSYS 软件分析不同内冷油腔结构下活塞的温度场和应力场情况，研究活塞内冷油腔轴向和径向变化对活塞冷却效果的影响。

1 方案设计

锻钢活塞内冷油腔的形状像英文字母中的“L”，所以将其命名为L 型内冷油腔。在保证锻钢活塞内冷油腔相对位置不变的前提下，改变锻钢活塞内冷油腔的结构。采用控制变量法，改变内冷油腔的轴向尺寸和径向尺寸。第1 种方案是对内冷油腔进行轴向设计，将内冷油腔的上端向活塞顶部延伸；第2 种方案是对内冷油腔进行径向设计，将底部右侧边界向活塞的中心线延伸；第3 种方案是对内冷油腔同时进行轴向和径向设计，即同时延伸内冷油腔的顶部和底部。方案如图1 所示。

图1 内冷油腔底部和高度变化情况

2 硬度塞实验

2.1 实验原理

活塞经过淬火之后，硬度会随着回火温度的升高而下降，硬度的损失量取决于它所承受的最高温度和在此温度下的淬火时间。建立温度与硬度的关系曲线，然后测量材料硬度的变化，最终估算出所受到的外部温度。

2.2 实验过程

2.2.1 实验材料

硬度塞材料要有良好的淬透性，淬火后的硬度应≥65 HRC，材料回火温度和硬度变化的关系最好成线性关系或者近似线性关系，材料的金相显微组织和化学成分要均匀。

轴承钢及高碳钢基本符合作为硬度塞材料的要求。轴承钢的金相微观组织如图2 所示。

图2 轴承钢金相微观组织

2.2.2 HV-T 标定曲线

回火试验通常每隔30 ℃测一次硬度。选取硬度合格的硬度塞，先选6 只硬度塞放在干井炉中进行特定温度的恒温回火，恒温时间为发动机试验的运行时间。恒温过后，取出硬度塞放在空气中自然冷却至室温即可。冷却后测取6 个硬度值，求平均值，得出不同回火温度所对应的硬度测量值。

2.3 实验结果

用如图3 所示的显微维氏硬度计打出准确的硬度值，并在HV-T 标准曲线上查出其对应的温度，即为被测点在所要求工况下的温度值。

图3 显微维氏硬度计

3 有限元分析

3.1 热边界条件的确定

温度场的计算分析方法是稳态热分析法，是分析柴油机在稳定工作状态下活塞热负荷对活塞整体的影响。研究表明，柴油机循环一次的时间非常短，当柴油机进入正常运转状态时，活塞表面的温度趋于恒定，只有距离活塞表面2 mm 的区域有明显的波动，其余部位温度不变。因此，在计算时，假定活塞在整个工作过程中为一个稳态的温度场。本文根据硬度塞实验结果，结合经验确定锻钢活塞关键位置的边界条件，见表1。

表1 关键位置的热边界条件

3.2 活塞负荷条件的确定

活塞工作过程中主要承受气体作用力、惯性力以及侧向力3 个方面的作用力。实际情况下，活塞所受的侧向力对结构的影响不明显，可以忽略不计。在本文的分析中，为了简化计算，将最大爆发压力施加到活塞顶面和火力岸即可，热工况下的活塞压力取0.3 MPa，爆发压力工况下的最大爆发压力取23 MPa。在有限元分析中，活塞的材料确定，体积一定，惯性力只需要输入加速度数值即可。

3.3 网格精度分析

有限元分析中，随着网格数量加大，计算精度提高、计算规模加大，必需将这2 方面的因素综合起来考虑，最终确定出合理的网格尺寸。在有限元分析中，需要更加注意网格划分过程，因为网格的合理性会直接影响到计算结果的收敛性、计算时间的合理性以及计算的精度。本文中，活塞有限元模型的网格划分采用自由网格划分法。

3.3.1 网格无关性分析

对锻钢活塞进行3 种网格尺寸的精度划分，设定1 mm、2 mm、3 mm 3 种网格尺寸，然后分别利用ANSYS 计算该网格精度下的温度场，并将3 个关键位置（喉口、燃烧室、一环槽）的实验数据中的温度场进行对比，如表2 所示，最后取误差相对最小的那一套网格。

表2 不同网格下关键位置的温度对比 ℃

由表2 可知，每套网格计算值与实验值的绝对误差都在5%以内，计算精度达到工程应用的要求。而且，在不同网格下，活塞的温度变化不明显。因此，网格尺寸对温度的影响可以忽略。

3.3.2 网格相关性分析

一般来说，有限元分析中，单元划分越小，计算精度越高；单元数目越多，计算分析时所消耗的时间越长，且网格大小会对活塞的静应力产生影响。因此，需要进行网格相关性分析。仍然设定1 mm、2 mm、3 mm 3 种网格尺寸，然后利用ANSYS 平台计算该网格精度下的应力场，如表3 所示，最后取应力在许用应力以内且相对误差较小的网格。

表3 不同网格下关键位置的应力对比 MPa

在不同网格下，活塞的应力最大值出现在活塞的二环岸位置和喉口位置。且随着网格精度的变化，最大应力出现较大的变化。根据网格相关性、热分析以及相关文献分析，网格尺寸为2 mm 的情况更符合实际，因此选择网格为2 mm 进行静应力分析。2 mm网格的网格划分如图4 所示，共生成364 709 个节点，230 076 个单元。

图4 2 mm 网格划分图

活塞关键位置的受力和温度分布在对称面近乎一样，因此，只取一半的锻钢模型进行分析，且需要在对称面上施加对称约束；活塞销与销孔之间存在相对运动，所以施加接触约束；只计算连杆小头在某一曲轴转角下的温度场和应力场情况，所以对连杆小头施加固定约束。

4 结果与分析

4.1 不同结构下活塞温度场分析

4.1.1 内冷油腔顶部变化的温度场分析

表4 为内冷油腔高度变化时关键位置的温度。表4 中，距离指的是内冷油腔顶部边界到活塞顶部的距离。

表4 内冷油腔高度变化时关键位置的温度 ℃

表4 的结果显示，改变内冷油腔的轴向高度，活塞顶部的温度变化较大。除第3 组数据之外，内冷油腔的高度越大（距离越小），活塞喉口位置的温度越低。油腔高度越大，冷却油进入油腔顶部的空间越大，散热面积越大，冷却油冲击油腔的时间越长，降温效果明显，而内冷油腔底部的温度变化不大。

4.1.2 内冷油腔底部变化的温度场分析

表5 内冷油腔底部变化时关键位置的温度 ℃

表5 的结果显示，改变油腔底部边界到活塞中心的距离，每隔0.5 mm 变化一次。活塞喉口部位的温度随着活塞内冷油腔底部的增大（距离减小）而轻微下降；内冷油腔部位的温度随着底部面积的增大（距离减小）而逐渐降低。

相比于没有改变内冷油腔结构的情况，减小油腔底部边界到活塞中心的距离，活塞喉口位置的温度呈轻微下降趋势。底部面积变大，冷却油冲刷油腔底面的时间变长，内冷油腔有一定的降温。

4.1.3 内冷油腔容积最大时的温度场分析

表6 为正常情况和内冷油腔容积最大时关键位置的温度。

表6 内冷油腔正常和容积最大时关键位置的温度℃

从表6 可以看出，内冷油腔容积最大时，活塞喉口的最高温度为429.54 ℃，相比于正常结构降低了13.66 ℃；油腔顶部的最高温度为341.53 ℃，相比于正常结构上升了8.08 ℃；一环槽根部的温度为208.65 ℃，相比于正常结构降低了8.47 ℃；销孔位置的最高温度为147.03 ℃，相比于正常结构降低了1.59 ℃。随着内冷油腔高度增加，油腔顶部到活塞头部的距离减小，温度有一定的升高。根据文献资料[8]，铝活塞的内冷油腔体积越大，散热效果越好。由分析发现，容积最大时，活塞整体降温效果很好。