于文妍，尹成明

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

活塞燃燒室的不同形狀對柴油機(jī)溫度場分布的影響*

于文妍，尹成明

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

運(yùn)用三維建模軟件Pro/E和有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行聯(lián)合仿真，研究活塞上燃燒室結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)活塞上的溫度場的影響。先運(yùn)用Pro/E進(jìn)行三維建模，再將模型導(dǎo)放到ANSYS Workbench中對其劃分網(wǎng)并進(jìn)行溫度場分析，其結(jié)果對分析活塞熱應(yīng)力提供了基礎(chǔ)，為燃燒室的形狀優(yōu)化提供了依據(jù)。

有限元；溫度場；熱應(yīng)力

0 引 言

活塞是柴油機(jī)的重要零部件之一, 不僅僅受周期性交變的機(jī)械負(fù)荷, 同時還承受較大的熱負(fù)荷。隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高, 并且由于其工況經(jīng)常變化, 如起動、怠速、急加速、急減速、大負(fù)荷等, 使得活塞的溫度總是在最小值和最大值之間變化, 從而產(chǎn)生熱應(yīng)力, 導(dǎo)致熱疲勞。直接影響著柴油機(jī)的性能、可靠性和耐久性, 而且燃燒室溫度的分布也直接影響發(fā)動機(jī)HC排放。利用先進(jìn)的計算技術(shù), 在設(shè)計階段對活塞熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)算和評估是保證設(shè)計成功的關(guān)鍵技術(shù)[1]。

柴油機(jī)活塞頂面的形狀取決于混合氣形成方式和燃燒室的形狀[2]。隨著排放法規(guī)的實(shí)行，對柴油機(jī)的排放要求越來越高。 柴油機(jī)的燃燒室分為：分隔式和直噴式，直噴式活塞頂部做出一定形狀的凹坑，分隔式燃燒室有預(yù)燃室和渦流室[3]。

1 柴油機(jī)基本參數(shù)

筆者針對1臺直噴式六缸柴油機(jī)進(jìn)行分析,氣缸直徑為106 mm、行程為125 mm；標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 300 r/min；標(biāo)定功率為155 kW；壓縮比為17.5[4]。

柴油機(jī)燃燒室活塞采用鑄造硅鋁合金材料 ZL109G，其常溫下的彈性模量E=71 000 MPa，泊松比μ=0.33，導(dǎo)熱系數(shù)λ=175 W·(m2·℃)-1，比熱c=902 J/(kg·K)，密度ρ=2 770 kg/m3。屈服強(qiáng)度σ0.2=280 MPa, 抗拉強(qiáng)度σb=500 MPa，廷伸率δ=18%,斷面收縮率φ=25%[4]。

2 模型的建立及網(wǎng)格的劃分

2.1 模型的建立

為了考察活塞上不同燃燒室形狀對其溫度分布的影響，設(shè)計了四種活塞燃燒室凹坑，總體如圖1所示。

圖1 活塞模型

圖2中，(a)是w型半開式燃燒室，該燃燒室通過燃燒室內(nèi)壁的曲率的變化，使進(jìn)來的空氣產(chǎn)生一個徑向旋流，由此使噴霧更加理想。(b)是由(a)局部修改而來，改變了斜率的變化率，增加流動的復(fù)雜性。(c)也是(a)的一個變形，(c)的縮脖長于(a)，主要是探討燃燒室上部高度和壓縮比對流動的影響。(d)是一個燃燒室凹坑曲率較平緩的情況，驗(yàn)證對流動的影響。

2.2 網(wǎng)格的劃分

在Pro/E中建立計算區(qū)域的幾何模型,將幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格之前應(yīng)對導(dǎo)入的計算區(qū)域幾何模型進(jìn)行修復(fù),采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對燃燒室?guī)缀文Ｐ瓦M(jìn)行區(qū)域離散,計算區(qū)域網(wǎng)格，上述四種燃燒室劃分后的單元數(shù)基本都在11萬左右。

圖2 四種活塞燃燒室凹坑

3 邊界條件的設(shè)定

熱邊界條件對活塞的溫度分布起主要的作用，合理地傳熱邊界條件是保證有限元計算可靠性的關(guān)鍵[5]。 工程上往往采用已有的研究成果，直接給出活塞相應(yīng)部位的對流換熱系數(shù)[6]。 在研究中活塞各處邊界條件如表1所列。

表1 邊界條件

4 計算結(jié)果和分析

根據(jù)上述活塞模型、基本參數(shù)和邊界條件，利用ANSYS Workbench有限元軟件對 4 種不同燃燒室的活塞進(jìn)行熱穩(wěn)態(tài)分析， 設(shè)定初始條件， 計算獲得活塞的溫度場如圖 3所示。

圖3 四種活塞的溫度場

由圖3所示的四種活塞的溫度場可知：

(a)型活塞最高溫度為240.82 ℃，最低溫度為90.648 ℃，最高溫度發(fā)生在活塞凹坑中的燃燒室中心處，最高溫度與最低溫度相差150 ℃[2]。

(b)型活塞最高溫度為450.01 ℃，最低溫度為132.66 ℃，最高溫度發(fā)生在活塞凹坑中的燃燒室中心處,相對(a)型的最高溫度增加了210 ℃，最低溫度也增加了42 ℃，最高溫度與最低溫度相差318 ℃。

(c)型活塞最高溫度為449.02 ℃，最低溫度為140.32 ℃，最高溫度發(fā)生在活塞凹坑中的燃燒室中心處及活塞的一部分頂面,相對(a)型的最高溫度增加了209 ℃，最低溫度也增加了50 ℃，最高溫度與最低溫度相差309 ℃。

(d)型活塞最高溫度為457.61 ℃，最低溫度為139.68 ℃，最高溫度發(fā)生在活塞凹坑中的燃燒室中心處,相對(a)型的最高溫度增加了217 ℃，最低溫度也增加了49 ℃，最高溫度與最低溫度相差318 ℃。

5 結(jié) 論

(1) 對于圖3所示的4種設(shè)計方案的活塞溫度場分布，(b)、(c)、(d)型最高溫度明顯比(a)型高不少，在活塞材料允許的范圍內(nèi)， 有利于提高發(fā)動機(jī)的熱效率。

(2) 圖3中(b)、(d)型活塞的最高溫度和最低溫度相差最大，這主要也有利于活塞散熱。

(3) 4種活塞的最高溫度發(fā)生在活塞凹坑中的燃燒室中心處。

[1] 姬芬竹,高 峰.風(fēng)冷柴油機(jī)活塞溫度場的三維有限元分析[J].柴油機(jī)設(shè)計與制造,2005(3),24:32.

[2] 藥志英,張翠平,孫力平,等.活塞燃燒室形狀對柴油機(jī)溫度場的影響[J].煤礦機(jī)械,2013(3):117-118.

[3] 劉 杜.有限元分析柴油機(jī)活塞溫度場[J].鄂州大學(xué)學(xué)報, 2010(2):32-35.

[4] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[5] 魏海軍,孫建波.柴油機(jī)活塞溫度場有限元計算分析[J].船舶力學(xué), 2003(8):73-76.

[6] Kim B J, Xiong Z, Pearlman W A. Very Low Bit-rate Em-bedded Video Codingwith 3-D Set Partitioning in Hierarchical Trees(3D-SPIHT) [J].IEEE Trans on Circ. and Syst. for Video Tech., 2000(8): 1365-1374.

Distribution Influence on Temperature Field of Diesel Engine with Different Shapes of Piston Combustion Chamber

YU Wen-yan, YIN Cheng-ming

(DepartmentofMechanicalEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,BaotouInnerMongolia014010,China)

Using three-dimensional modeling software Pro/E and finite element analysis software ANSYS Workbench to simulate and study the distribution influence on temperature field of diesel engine with different structure of piston combustion chamber . First use Pro/E to build three-dimensional model, and then lead into the ANSYS Workbench model in its meshed and analyze the temperature field, the results show piston thermal stress analysis could provide the basis for the shape optimization of the combustion chamber.

finite element; temperature field; thermal stress

2013-12-02

于文妍(1962-)，女，內(nèi)蒙古包頭人，教授，碩導(dǎo)，主要從事機(jī)電液一體化系統(tǒng)研究與應(yīng)用方面的工作。

U664

A

1007-4414(2014)02-0015-02