李志敏 唐競

【摘 要】文章比較了幾種典型的活塞溫度場分析方法。在三維軟件中建立增壓汽油發(fā)動機活塞的三維幾何模型，利用有限元分析軟件進行網(wǎng)格劃分、區(qū)域劃分和建立傳熱學分析模型，按照第三類熱邊界條法賦予邊界條件并進行活塞溫度場的計算。同時，用硬度塞測溫法進行活塞的溫度場測試，根據(jù)試驗的結(jié)果，修改仿真模型直至仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合。得出與實際接近的活塞整體的溫度分布情況，分析和總結(jié)了活塞溫度場的分布規(guī)律，評估活塞工作的安全性。

【關(guān)鍵詞】增壓汽油機；活塞；溫度場；仿真；試驗

【中圖分類號】TK413 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）04-0043-03

0 引言

為應(yīng)對全球氣候變暖和環(huán)境惡化，提高國家的能源安全，國家整車油耗法規(guī)的日益嚴厲，為落實《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》的要求，實現(xiàn)2020年國產(chǎn)乘用車平均油耗降至5.0 L/100 km的目標，第四階段標準進一步提升了單車燃料消耗量限值和企業(yè)平均目標值的要求，對單車和企業(yè)同時進行考核。各發(fā)動機和汽車制造公司為應(yīng)對油耗法規(guī)，想盡各種方法降低發(fā)動機的燃油耗。在這些方法中，通過渦輪增壓增加發(fā)動機的平均有效壓力和適當小型化，降低摩擦是目前汽車公司和發(fā)動機公司一種的常見且有效的技術(shù)路徑。相對于自然吸氣的發(fā)動機而言，增壓汽油機由于功率密度提高，爆發(fā)壓力的增大，在發(fā)動機實際開發(fā)中，設(shè)計者往往過于注重活塞強度的設(shè)計，而對溫度導致的變形疲勞破壞重視不夠。根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗，由熱載荷引起的熱疲勞是導致活塞破壞的主要因素。因此，隨著發(fā)動機熱負荷的增加，作為熱能轉(zhuǎn)化為機械能的關(guān)鍵零件活塞，其工作中的溫度場尤其應(yīng)該加以重視。因此，在增壓發(fā)動機的設(shè)計中，對活塞溫度場分布進行準確的分析，得到活塞的溫度分布情況，可以為活塞的設(shè)計和改進提供有力的依據(jù)，達到改善發(fā)動機的工作耐久性的目的。

1 幾種常用的活塞溫度場分析方法及選擇

為考察活塞工作時的溫度及分布水平，開發(fā)者通常使用的方法為流固耦合分析、硬度塞測溫法測試、無線傳感器測溫、第三類熱邊界條法仿真計算等。

1.1 流固耦合分析法

隨著計算機技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，目前通過使用三維流體仿真軟件，可以計算得到活塞不同工況條件下各工作邊界的介質(zhì)溫度和換熱系數(shù)等數(shù)據(jù)，隨后將這些節(jié)點上的參數(shù)映射到對應(yīng)的活塞表面，通過穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的傳熱計算得到活塞工作的溫度場。目前，這種方法在研發(fā)中有不少的應(yīng)用，其優(yōu)點是可以對發(fā)動機多種工況條件下的活塞溫度進行預(yù)測分析，在設(shè)計階段就得到計算結(jié)果，可以進行預(yù)測分析活塞的溫度分布情況，從而預(yù)測活塞的工作安全性。但由于活塞工作邊界的復雜性，計算量大，且該方法受到流體計算結(jié)果的準確性限制，因此在發(fā)動機開發(fā)中的應(yīng)用受到制約。

1.2 硬度塞測溫法測試

淬火鋼經(jīng)過常規(guī)加熱、保溫，并以一定的冷卻方式冷卻，在一定溫度下回火，可獲得預(yù)期的強度和硬度。利用材料這一特性和規(guī)律，將一定形狀的淬火鋼放入某一低于臨界點的、變化的、非均一的溫度場中加熱保溫，即可獲得一定的、不同的回火硬度。若將一系列回火溫度和回火后硬度繪制成“溫度—硬度關(guān)系曲線”作為標準，那么，在知其回火后硬度后，根據(jù)“溫度—硬度關(guān)系曲線”，就可查出所對應(yīng)的回火溫度。在實際發(fā)動機開發(fā)中，人們在試驗的活塞上，安裝上標準的硬度塞，確保發(fā)動機按照預(yù)定的工況（通常是較為惡劣的工況）運轉(zhuǎn)預(yù)定的時間并平緩停機，試驗后檢測硬度塞的溫度，根據(jù)“溫度—硬度關(guān)系曲線”就能得出活塞該位置的工作溫度。該方法在開發(fā)中也有使用。如果能確保硬度塞在熱處理、安裝和試驗中的條件，硬度塞測溫法的檢測結(jié)果還是比較準確的，但是由于硬度塞不能在同一個活塞中安裝過多，影響活塞本身的熱傳遞條件，其測點數(shù)量有限，不能預(yù)測整個活塞范圍內(nèi)的溫度分布情況，且實時性較差，不能實現(xiàn)在設(shè)計階段就對活塞溫度的整體分布進行分析和評估。

1.3 無線傳感器測溫

在活塞中埋入無線傳感器，發(fā)動機運行時，傳感器的溫度測量結(jié)果通過無線裝置實時傳輸出來，利用在發(fā)動機外的設(shè)備進行接收和處理，就能得到發(fā)動機實際運轉(zhuǎn)過程中，傳感器布置點的溫度信息。該方法的優(yōu)點是可以考察多工況，且溫度測量結(jié)果準確。缺點是成本較高，試驗復雜，受安裝條件限制，測點有限等。

1.4 第三類熱邊界條法仿真計算

通過利用以往開發(fā)試驗結(jié)果和計算經(jīng)驗，對活塞工作邊界進行劃區(qū)，對所劃分區(qū)域賦予傳熱的相關(guān)邊界條件，計算得到活塞的溫度分布情況。該方法可以快速地計算出活塞的溫度分布情況，且具有一定的參考意義。但是由于發(fā)動機的差異，賦予的邊界條件往往有偏差，可能會與實際工作情況相差較大。

1.5 活塞溫度場分析方法的選擇

在發(fā)動機的活塞實際工程開發(fā)中，往往只關(guān)注最惡劣的工況，只要在最惡劣工況條件下發(fā)動機活塞的工作溫度沒有超出材料溫度的許可值，即可以認為零件是安全的。本文以開發(fā)中的某增壓汽油發(fā)動機的活塞為主要研究對象，建立了活塞的三維幾何模型，利用有限元分析軟件建立傳熱學模型，考慮到當發(fā)動機處于穩(wěn)定工況時，活塞溫度場近似于穩(wěn)態(tài)，因此按照第三類熱邊界條法進行計算，即通過給出換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度，模擬活塞的溫度分布情況。同時，使用硬度塞測溫法進行活塞的溫度場測試試驗，得出關(guān)注點的溫度值，再根據(jù)試驗的溫度數(shù)值結(jié)果，反復修改仿真模型，直至仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，從而得出與實際接近的活塞整體的溫度分布情況，評估活塞的安全性。由于是根據(jù)試驗的實測數(shù)據(jù)對計算模型進行修正，計算模型經(jīng)過實際試驗校正后，其計算結(jié)果能較為準確地反映實際工作中的溫度分布情況。

2 有限元模型的建立

在CATIA中建立活塞的三維模型，考慮到開發(fā)中的活塞無論主副推力面或銷孔軸向前后方向，活塞都是非對稱的，因此將活塞的全數(shù)模用hypermesh進行網(wǎng)格劃分后導入ABAQUS中，對活塞表面的工作邊界進行劃區(qū)，整個活塞總共劃分為33個區(qū)域。隨后，使用第三類熱邊界條法，對所劃分區(qū)域賦予傳熱的相關(guān)邊界條件建立有限元模型，并對其進行計算求解。活塞材料的參數(shù)見表1。

3 硬度塞測溫試驗

為測試關(guān)注點的活塞溫度，活塞溫度測試中溫度塞的布置需要慎重考慮。硬度塞在試驗中有可能由于加工、安裝稍有不慎而脫落，導致試驗失敗，且過多的布置硬度塞會影響傳熱?？紤]到由于燃燒室中心是熱量的輸入?yún)^(qū)域，因此附近區(qū)域往往是活塞溫度最高的部位。由于活塞的正反推力面受壓而導致頂面沿銷孔方向應(yīng)力相對進排氣側(cè)區(qū)域大，活塞頂部沿銷孔中心位置的溫度是開發(fā)過程中關(guān)注最多的部位。同時，為防止?jié)櫥徒Y(jié)焦，各環(huán)槽及環(huán)岸附近的溫度不能超過潤滑油的使用許可值。綜合考慮上述原因及經(jīng)驗，在圖1中所示位置埋入總共7顆硬度塞用以進行活塞溫度考察試驗。

從發(fā)動機運行工況特點分析，發(fā)動機工作時，在總的熱量（燃油消耗量）輸入越大的工況下，活塞溫度往往越高，因此選用發(fā)動機的額定功率點進行活塞工作溫度測試試驗，測量該工況條件下活塞的溫度。該工況下活塞溫度測試和分析結(jié)果如果不超出材料許用的溫度值，則其他工況條件下，活塞往往處于較為安全的狀態(tài)。試驗中發(fā)動機試驗運行步驟和工況時間根據(jù)硬度塞的材料特性要求設(shè)置，以得到較為準確的結(jié)果。潤滑油和冷卻液溫度根據(jù)技術(shù)條件確定，試驗后的活塞如圖2所示。

試驗后檢查，所埋的硬度塞完好，無松脫及其他異常情況，試驗是有效的。經(jīng)過試驗后，先將硬度塞放到電子顯微硬度計下測量其硬度，每個硬度塞測量4個值，取平均值。然后根據(jù)材料的“硬度—溫度標準曲線”求出活塞該點的溫度。

4 活塞溫度場校正及計算分析

根據(jù)實際測試的結(jié)果，對計算模型進行反復調(diào)整。因為發(fā)動機冷卻液溫度、潤滑油的溫度是較為穩(wěn)定的，所以主要調(diào)整計算模型中活塞頂部的相關(guān)參數(shù)，直至每個測點的溫度計算值與實際測量值的誤差在1 ℃之內(nèi)，則認為模型與活塞實際工作條件相符。模型校正后的活塞溫度場計算結(jié)果如圖3所示。

從仿真模型校正后的計算分析結(jié)果可以得知，活塞工作的溫度場具有以下特點。

（1）活塞的工作溫度大致呈中間高、主副推力側(cè)低，活塞上部溫度高、往下逐漸降低的分布。其中，排氣側(cè)溫度比進氣側(cè)溫度稍高。一環(huán)槽及以上的溫度梯度較大；主副推理側(cè)溫度大致呈對稱狀態(tài)。

（2）活塞工作的最高溫度位于活塞頂中央，最高溫度為227.6 ℃，這與該部位離燃燒中心距離較近有關(guān)。活塞的工作溫度小于材料的許用溫度（320 ℃），能夠滿足發(fā)動機的工作要求，且處于理想的范圍內(nèi)，比預(yù)期要好，分析其原因，應(yīng)該是活塞采用了冷卻噴嘴，對活塞內(nèi)腔采取了強制冷卻導致。

（3）活塞的最低溫度位于進氣側(cè)裙部底端，溫度為110.5 ℃，接近冷卻液及潤滑油的溫度。這是由于環(huán)槽對傳熱的隔斷，熱能輸入距離遠，且裙部貼合在缸套上，內(nèi)部潤滑油進行冷卻，散熱條件較好所導致。

（4）重點關(guān)注的一環(huán)槽及火力岸的工作溫度小于潤滑油開始結(jié)焦的溫度（220 ℃）[1]，潤滑油結(jié)焦的風險較低。

5 結(jié)語

建立了有限元的傳熱模型，并通過活塞溫度場試驗，對模型進行校正后，得到較為可信的活塞溫度場分布情況及其大致分布規(guī)律。可以得知，所開發(fā)活塞的工作溫度處于材料許用范圍內(nèi)，活塞結(jié)構(gòu)及熱失效風險較小，活塞環(huán)槽及環(huán)岸溫度小于潤滑油結(jié)焦溫度，潤滑油結(jié)焦的風險較小?；钊臏囟确治龊驮囼炑芯浚瑸榛钊脑O(shè)計及改進提供了強有力的依據(jù)。

參 考 文 獻

[1]楊睿.潤滑油結(jié)焦行為的實驗室評價[J].石油學報（石油加工），2013（5）：813-817.

[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[3]張云飛.汽油機活塞熱機耦合分析及其試驗研究[D].長沙：湖南大學，2014.