活塞冷却油腔位置变化对活塞温度场的影响

2022-01-17张创科孙俊花马辉

内燃机与配件 2022年2期

关键词：活塞

张创科孙俊花马辉

摘要：为提升活塞油腔对活塞的冷却效果，采用ANSYS有限元分析法对活塞温度场进行数值模拟，对活塞顶部燃烧室喉口及活塞第一环槽处两个重点区域进行分析，并对活塞产生热应力具有明显影响的温度梯度进行同步分析，结果表明，内冷油腔沿活塞轴向移动时的活塞温度场变化明显大于其沿活塞径向移动时的温度场变化，对活塞高温区域的冷却效果更好。

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.

关键词：活塞;内冷油腔;活塞温度场

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

中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2022）02-0078-04

0 引言

活塞头部铸出由封闭圆环构成的冷却油腔，冷却油由入口进入冷却油腔，经循环后由出口流出的冷却方式被称作强制振荡冷却法，作为柴油机活塞厂家应用最为广泛的冷却方式，可有效带走活塞热量，被认为是最有效的冷却方式，因此对活塞冷却油腔进行优化设计，可以改善活塞外部热环境，进而提高发动机的使用寿命。

1 内冷油腔影响活塞温度及其温度分布的主要因素

1.1 内冷油腔位置和形状

通过ANSYS对活塞的温度场进行有限元模拟分析可知，活塞冷却油腔的位置和形状对活塞整体温度场的影响是非常大的。通常，设计内冷油腔的形状时，面容比应尽可能大，内冷油腔容积小，活塞强度会大幅提高，内冷油腔的容积一定时，冷却油腔的表面积越大，吸收周围热量的能力越强，冷却效果越好。设计冷却油腔形状时，使冷却机油在油腔内流动为紊流状态，可达到更好的冷却效果。设计内冷油腔的位置时，让油腔尽可能靠近温度高、温度梯度大的区域，可有效提高活塞的冷却效果。

1.2 内冷油腔横截面面积

活塞冷却油腔截面积对冷却效果同样至关重要，当冷却油腔较小时，冷却机油不能在内冷油腔内充分的振荡实现紊流状态，会影响冷却机油的吸热能力，进而影响散热效果。冷却油腔截面积大时，冷却机油不能充满整个冷却油腔，冷却油腔会产生真空部分，由于真空具有隔热作用，阻隔热量传播，影响冷却效果，同时，真空部分增加顶部热量向活塞下半部分的传递难度，增加了活塞顶部的热量积累，影响活塞的可靠性。所以，冷却油腔的冷却效果同冷却油腔的横截面积并非线性关系，在某一截面积存在最优的冷却效果。

1.3 冷却机油的油压和油量

冷却油腔中，冷却机油的油压和油量同样会对活塞的冷却效果产生很大的影响。根据日本研究人员在DMP81Z柴油机上进行的实验可知，内冷油腔中冷却机油的油压在0.6～1.0MPa时，油压每增加0.1MPa，活塞的整体温度会下降3～7℃[14]。所以，确定内冷油腔位置形状和横截面积后，冷却机油的油压也要根据发动机工况调整至合适区间。在强制振荡冷却方式中，喷射到冷却油腔中的冷却机油量要根据发动机工况决定。

1.4 冷却机油的供给方式

冷却机油供给冷却油腔的方式主要有两种，第一种是通过连通连杆小头的冷却油道直接喷入冷却油腔，第二种是经由单独的冷却系统把冷却机油供向冷却油腔。这两种冷却机油的供给方式，各有优缺点，第一种冷却机油供给方式，连杆小头处的喷油孔直接把机油喷入冷却油腔中，中间存在开放空间，因此冷卻机油的飞溅不能保证所有冷却机油都流入冷却油腔，产生较大的机油损失，且连杆小头处冷却机油的喷油量与发动机的工况也有着密切联系。第二种冷却机油供给系统与发动机润滑系统相分离，可以使冷却油腔内机油的初始温度处于较低水平，提高冷却效果。

2 内冷油腔位置改变对活塞温度场的影响

通过以上的分析可知，多种因素影响着活塞内冷油腔的散热效果。以下探讨改变冷却油腔位置，对活塞温度场的影响。首先对活塞模型施加相同的边界条件，然后观察内冷油腔位置发生不同方向移动时，活塞温度场发生的变化。

2.1 内冷油腔沿径向移动对活塞温度场影响

表1为活塞内冷油腔分别沿着活塞轴向和径向做平移的设计方案。图1为原有内冷油腔活塞温度云图;表2为活塞内冷油腔做径向移动时温度变化。

对比图1冷却水腔初始位置活塞温度云图可知，在对活塞内冷油腔的位置做径向平移时，活塞最高温度变化幅度不大。

2.2 内冷油腔沿轴向移动对活塞温度场影响

活塞内冷油腔沿轴线平移时，共有F，G，I，J，四种设计方案，最高温度变化如表3所示。对比图1可知，活塞冷却油道的位置采用设计F时，活塞温度云图见图2。活塞的最高温度位于活塞燃烧室喉口处，其温度由332℃下降到327℃，温度下降较明显。相反，把活塞内冷油腔的位置定位设计方案I和方案J方案时，活塞温度云图见图4和图5。活塞的最高温度都出现上升趋势，由332℃上升到335℃。由表3可得知，当活塞冷却油道越靠近活塞顶部，距离活塞燃烧室的距离越接近时，活塞喉口处的最高温度越低，但也不能一味的接近，如表3显示，当活塞内冷油腔采用设计G方案时，活塞最高温度反而上升见图3。显然，活塞内冷油腔越靠近活塞顶部，其与活塞高温区域也就是喉口處的距离也就越接近，散热效果也就越好，但也并不能一味的接近。

3 活塞热应力与热变形分析

活塞内冷油腔沿活塞轴线平移时，活塞温度场的变化较大，所以此处重点对比方案F、方案I以及冷却油道处于初始位置时，三种方案下活塞的热应力和热变形。

冷却油道处于初始位置时，其活塞的热应力分布如图6，采用F方案时，热应力分布见图7，I方案时见图8。

冷却油道处于初始位置时，其Y方向的热变形见图9，冷却油道处于F方案位置时，其Y方向的热变形见图10，冷却油道处于I方案位置时，其Y方向的热变形见图11。

由图9、图10、图11可知，活塞Y方向热变形在活塞下部变形比较大，在活塞顶部和活塞燃烧室中心凸起处热变形比较小。活塞内冷油道沿活塞轴线移动时，活塞在Y方向的变形并不是特别明显。当采用I方案时，如图8所示，活塞所受最大热应力为143MPa;当采用F方案时，如图7所示，活塞所受最大热应力为139MPa;当内冷油道处于初始位置时，如图6所示，活塞所受最大热应力为153MPa。

4 结论

研究活塞内冷油腔位置对活塞温度场的影响，目的是改善活塞的内冷油腔的位置，优化活塞的冷却性能，延长活塞的工作寿命，最终得到以下结论：

①随着活塞内冷油道沿着活塞轴线移动，在活塞顶部和活塞燃烧室中心凸起处热变形比较小。因此，缩短活塞高温区域和内冷油腔之间的距离是降低活塞温度的一种有效方法。

②当内冷油腔和活塞高温区域的距离比较接近时，活塞的最高温度会下降。但距离和温度的下降并不呈现线性关系，所以，不能使活塞内冷油腔一味的靠近活塞高温区域，同时，还要考虑活塞的强度问题。

③虽然内冷油腔和活塞高温区域的距离缩小时，活塞最高温度会下降，但缩小到一定距离后，活塞最高温度不降反增，这种现象可能与内冷油腔上移影响活塞顶部强度有关，今后需要进行更加深入的研究。

参考文献：

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