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        閉式內(nèi)冷油腔體積對活塞冷卻的影響

        2018-11-13 07:36:08郝冠男鄧立君劉瑞中國石油大學(xué)華東機(jī)電工程學(xué)院山東青島66580濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院山東濱州56600濱州渤?;钊邢薰?/span>山東濱州56600
        車用發(fā)動機(jī) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:油腔傳熱系數(shù)覆蓋率

        郝冠男,鄧立君,劉瑞(.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 66580;.濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,山東 濱州 56600;.濱州渤海活塞有限公司,山東 濱州 56600)

        活塞內(nèi)腔頂部增加冷卻油腔的局部強(qiáng)化冷卻方案可以有效降低活塞頂部和第一環(huán)槽的溫度[1-4]。內(nèi)冷油腔冷卻活塞的過程是通過氣缸下部的一個(gè)或多個(gè)噴油嘴對準(zhǔn)活塞的進(jìn)油孔進(jìn)行噴油,由于進(jìn)入冷卻油道的機(jī)油受到慣性作用,在油道內(nèi)與壁面產(chǎn)生了較大的相對速度,進(jìn)而形成了強(qiáng)烈的振蕩[5-7],強(qiáng)化傳熱,有效對活塞進(jìn)行冷卻。

        在活塞往復(fù)運(yùn)動過程中,影響內(nèi)冷油腔冷卻效果的因素較多,如填充率、機(jī)油流量、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、噴孔直徑、內(nèi)冷油腔的位置、體積與活塞頂面面積的比值以及形狀等。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)和模擬的方法做了大量相關(guān)研究工作[8-13]。通過對活塞內(nèi)冷油腔中流體流動和傳熱的研究,獲得了不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻機(jī)油流量下內(nèi)冷油腔中流動特性與傳熱特性,深入分析了機(jī)油通過率、填充率以及傳熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速和機(jī)油流量的變化規(guī)律[14-17]。但對于內(nèi)冷油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

        對于帶有內(nèi)冷油腔的內(nèi)燃機(jī)活塞,其內(nèi)冷油腔的設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的要求。本研究主要通過對比不同內(nèi)冷油腔體積下,活塞關(guān)鍵位置溫度和內(nèi)冷油腔溫度分布以及瞬態(tài)面積覆蓋率、傳熱系數(shù)等的變化規(guī)律來分析活塞冷卻效果的變化,為活塞內(nèi)冷油腔體積的設(shè)計(jì)提供一定的理論支持。

        1 試驗(yàn)裝置及流程

        1.1 試驗(yàn)裝置

        圖1示出動態(tài)打靶試驗(yàn)臺示意。試驗(yàn)裝置包括工作臺、缸套、活塞、驅(qū)動電機(jī)和液壓站(可調(diào)溫調(diào)壓),缸套位于工作臺的上方,活塞置于缸套中,驅(qū)動電機(jī)的輸出軸上固定有曲軸,曲軸上固定有驅(qū)使活塞往復(fù)運(yùn)動的連桿?;钊性O(shè)置有內(nèi)冷油腔,內(nèi)冷油腔由橫腔及與其相通的進(jìn)油道、出油道組成,進(jìn)油道、出油道的開口均朝下。工作臺上設(shè)置有可在平面內(nèi)移動的調(diào)節(jié)塊,調(diào)節(jié)塊上固定有噴嘴,噴嘴經(jīng)管路與液壓站相連接,通過移動調(diào)節(jié)塊使噴嘴軸線與進(jìn)油道軸線在同一直線上,以便向進(jìn)油道中噴入冷卻液。

        1.2 試驗(yàn)流程

        試驗(yàn)流程分為三步。首先,將流量計(jì)安裝于噴嘴上,啟動驅(qū)動電機(jī),通過流量計(jì)測量出噴嘴出口流量,設(shè)噴嘴出口流量為Qjet。然后,將流量計(jì)從噴嘴上移除,將其安裝于進(jìn)油道的進(jìn)口上,啟動驅(qū)動電機(jī),待運(yùn)行平穩(wěn)后,通過流量計(jì)測量T時(shí)間段內(nèi)油腔進(jìn)口流量,設(shè)為Qin。最后,將流量計(jì)從進(jìn)油道的進(jìn)口上移除,將其安裝于出油道的出口上,啟動驅(qū)動電機(jī),待運(yùn)行平穩(wěn)后,通過流量計(jì)測量T時(shí)間段內(nèi)油腔出口流量,設(shè)為Qout。

        1—工作臺;2—調(diào)節(jié)塊;3—缸套;4—活塞;5—驅(qū)動電機(jī);6—曲軸;7—連桿;8—噴嘴;9—玻璃罩;10—進(jìn)油道;11—內(nèi)冷油腔(橫腔);12—出油道;13—調(diào)控面板;14—液壓站;15—電機(jī)控制器;16—調(diào)節(jié)塊;17—曲柄;18—軸承支架。圖1 試驗(yàn)臺示意

        2 數(shù)值模擬

        2.1 物理模型

        同一個(gè)內(nèi)燃機(jī)活塞模型,根據(jù)內(nèi)冷油腔的設(shè)計(jì)參數(shù),保持內(nèi)冷油腔形狀和中心位置不變,通過改變內(nèi)冷油腔截面積的大小,得到不同體積的內(nèi)冷油腔(見圖2)。圖2b中相鄰兩個(gè)環(huán)線的間距是0.5 mm。

        不同內(nèi)冷油腔體積的設(shè)計(jì)方案見表1。其中,體積是內(nèi)冷油腔周向環(huán)部全部填充滿后的體積,體積比是指內(nèi)冷油腔體積與壓縮高部分活塞參考體積(D2*Hc)的比值,本研究中各方案D2*Hc取值為1 395 158.5 mm3。

        圖2 內(nèi)冷油腔示意

        方案編號C0C1C2C3C4C5C6截面積/mm2169.419194.277220.706248.705146.133124.417104.271體積/mm350 533.42857 957.63365 851.76074 215.80943 579.14537 094.78431 080.345體積比0.0360.0420.0470.0530.0310.0270.022

        C0代表原方案(最佳方案),其他方案均為在C0的基礎(chǔ)上進(jìn)行偏離設(shè)置,即在截面的周向增加或者減少相同的值:C1為+0.5 mm,C2為+1.0 mm,C3為+1.5 mm,C4為-0.5 mm,C5為-1.0 mm,C6為-1.5 mm;D為活塞直徑,Hc為活塞壓縮高。

        2.2 湍流模型

        本研究使用CFD軟件Fluent對三維瞬態(tài)流動進(jìn)行求解。Fluent中的湍流模型很多,有單方程模型、雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型、轉(zhuǎn)捩模型等。有研究表明[18-19],研究活塞振蕩冷卻問題時(shí)采用SSTκ-ω雙方程模型,結(jié)果更接近實(shí)際情況。

        SSTκ-ω雙方程模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ω模型的變形,見式(1)、式(2)。使用混合函數(shù)將標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型與κ-ω模型結(jié)合起來,包含了轉(zhuǎn)捩和剪切選項(xiàng)。該模型考慮了正交發(fā)散項(xiàng),從而使得方程在近壁區(qū)和遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域都合適。

        (1)

        (2)

        式中:Gκ為由于平均速度梯度引起的湍流動能的生成相。Gω為ω的生成相;Γκ和Γω分別為κ和ω的有效擴(kuò)散系數(shù);Yκ和Yω分別為κ和ω的湍流耗散相;Dω為正交擴(kuò)散項(xiàng);Sκ和Sω為自定源相。

        湍動能κ和ω分別通過式(3)、式(4)計(jì)算。

        (3)

        (4)

        式中:u為平均速度;I為湍流強(qiáng)度;Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),默認(rèn)值為0.09;l為湍流長度尺度。

        2.3 網(wǎng)格獨(dú)立性

        2.3.1有限元分析網(wǎng)格模型

        采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于活塞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,建模過程中產(chǎn)生的狹長或窄面的網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一設(shè)置為1 mm。圖3分別示出了單元尺寸為3 mm,2 mm和1 mm時(shí)活塞的網(wǎng)格模型,其單元數(shù)分別為198 283,467 938,2 806 465。

        圖3 活塞固體域網(wǎng)格模型

        通過與硬度塞試驗(yàn)(硬度塞測點(diǎn)見圖4)數(shù)據(jù)的比較,驗(yàn)證不同網(wǎng)格的計(jì)算精度。表2示出了活塞關(guān)鍵位置處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算值。對比發(fā)現(xiàn),不同網(wǎng)格模型計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差都在工程允許的誤差(5%)以內(nèi),且網(wǎng)格劃分得越小,精度越高。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在保證精度的基礎(chǔ)上,選用單元尺寸為2 mm的網(wǎng)格模型。

        1—燃燒室中間底部;5—燃燒室喉口;7—頂面;9—火力岸;13—第二環(huán)岸;16—內(nèi)腔頂;18—銷孔內(nèi)側(cè)。圖4 硬度塞測點(diǎn)位置

        表2 網(wǎng)格細(xì)化對活塞關(guān)鍵位置溫度的影響 ℃

        2.3.2CFD流體分析網(wǎng)格模型

        建立內(nèi)冷油腔的動網(wǎng)格模型。流體區(qū)域模型包括環(huán)狀內(nèi)冷油腔、進(jìn)出油道部分和活塞底部流體區(qū)域。為加快計(jì)算速度,將活塞底部的流體區(qū)域簡化為圓柱體。網(wǎng)格模型示意見圖5。改變動網(wǎng)格尺寸,分別設(shè)置動網(wǎng)格尺寸與周圍網(wǎng)格尺寸比例a為0.5,1.0,1.5,以此來改變動網(wǎng)格的疏密,計(jì)算得到內(nèi)冷油腔的流量,分析網(wǎng)格精度對結(jié)果的影響。

        圖6示出了網(wǎng)格細(xì)化對內(nèi)冷油腔流量的影響。通過對比Qout計(jì)算模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果,可知不同網(wǎng)格模型計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)值之間的誤差在工程允許的范圍(10%)以內(nèi)。結(jié)果顯示,隨著網(wǎng)格的細(xì)化,計(jì)算結(jié)果的精度不同,當(dāng)動網(wǎng)格尺寸與周圍網(wǎng)格尺寸比例a為0.5~1.0時(shí),計(jì)算精度最高。為了保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間,選用a=1.0,即動網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm。

        圖5 內(nèi)冷油腔流體域物理模型和網(wǎng)格模型示意

        圖6 網(wǎng)格細(xì)化對內(nèi)冷油腔出口流量的影響

        3 結(jié)果與分析

        內(nèi)冷油腔的位置、形狀等都對內(nèi)冷油腔的傳熱性能產(chǎn)生一定的影響。因此,研究中保持其他參數(shù)不變,只通過改變內(nèi)冷油腔截面積的大小來改變內(nèi)冷油腔的體積。

        3.1 內(nèi)冷油腔體積對溫度分布的影響

        硬度塞法廣泛應(yīng)用于活塞表面溫度測量[20]。本研究根據(jù)硬度塞試驗(yàn)測出的活塞表面平均溫度,調(diào)節(jié)溫度邊界條件,使得計(jì)算得出的溫度場與試驗(yàn)測得的溫度場基本吻合。內(nèi)冷油腔的傳熱系數(shù)和環(huán)境溫度,根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行時(shí)間積分平均后投影給有限元網(wǎng)格。設(shè)置相同的熱邊界條件,對7種不同方案進(jìn)行有限元分析,得到不同方案的內(nèi)冷油腔表面溫度梯度分布(見圖7)。

        由圖7可見,隨內(nèi)冷油腔體積增大,內(nèi)冷油腔最低溫度減小,最高溫度增加。從圖中曲線變化可以看出,內(nèi)冷油腔頂部和底部附近變化較大,而內(nèi)冷油腔中間部位變化不大。由此可知,隨著體積增加,內(nèi)冷油腔頂部的冷卻效果受到影響。

        圖7 內(nèi)冷油腔溫度隨高度坐標(biāo)的分布規(guī)律

        3.2 內(nèi)冷油腔體積對面積覆蓋率的影響

        內(nèi)冷油腔一般不被充滿,這樣在油腔中形成了兩相流動,另外在慣性力的作用下,冷卻油能形成強(qiáng)烈的振蕩和飛濺,容易形成紊流,產(chǎn)生良好的冷卻效果。為了得到較好的振蕩效果和冷卻效果,可以改變內(nèi)冷油腔的體積,增加內(nèi)冷油腔的面積覆蓋率,以強(qiáng)化傳熱。

        圖8示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、噴嘴機(jī)油速度為25.2 m/s時(shí),內(nèi)冷油腔面積覆蓋率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律?;钊麖南轮裹c(diǎn)(BDC)向上運(yùn)動時(shí),內(nèi)冷油腔內(nèi)的機(jī)油大多在底部,機(jī)油隨活塞上下振蕩的同時(shí)受慣性作用會有部分從進(jìn)出油口流出,內(nèi)冷油腔的面積覆蓋率較小。隨著活塞向上運(yùn)動,機(jī)油從進(jìn)出油口流出的量減少,面積覆蓋率增加,在上止點(diǎn)(TDC)附近達(dá)到最大?;钊麖纳现裹c(diǎn)向下運(yùn)動過程中,面積覆蓋率變化較大。受慣性作用,機(jī)油撞到頂部后迅速回落,流出的機(jī)油量增加,使得面積覆蓋率減??;之后由于機(jī)油產(chǎn)生向上的加速度,使得內(nèi)冷油腔面積覆蓋率再次增大。下止點(diǎn)時(shí),機(jī)油從進(jìn)油口流出的量增多,面積覆蓋率降低。

        圖8 不同體積內(nèi)冷油腔面積覆蓋率的變化規(guī)律

        從圖中還可以看出,不同體積的內(nèi)冷油腔面積覆蓋率的變化規(guī)律基本一致。隨著內(nèi)冷油腔體積增大,面積覆蓋率增加;但是當(dāng)體積增大到一定程度,體積越大,面積覆蓋率增加得越少,甚至不再增加。對比發(fā)現(xiàn),C1,C4,C5,C6 4個(gè)方案的面積覆蓋率較小,且比較接近,而C2,C3和原方案C0的面積覆蓋率比較接近。這表明在一定范圍內(nèi)增加內(nèi)冷油腔體積可以提高其面積覆蓋率。

        3.3 內(nèi)冷油腔體積對傳熱系數(shù)的影響

        圖9示出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、噴嘴機(jī)油速度為25.2 m/s時(shí),內(nèi)冷油腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律?;钊鶑?fù)運(yùn)動使得內(nèi)冷油腔內(nèi)的流體脈動很大,流體的分布和流動形態(tài)也因此變化,所以,每個(gè)循環(huán)對流傳熱系數(shù)在時(shí)間上分布不均勻,循環(huán)與循環(huán)之間也有一定的差異(見圖9a)。從圖9b可以看出,對流傳熱系數(shù)受到面積覆蓋率的影響,活塞上行時(shí)在曲軸轉(zhuǎn)角180°附近最大,活塞下行時(shí)在曲軸轉(zhuǎn)角330°附近最大。當(dāng)活塞由下止點(diǎn)(BDC)運(yùn)行到上止點(diǎn)(TDC)時(shí),內(nèi)冷油腔內(nèi)的機(jī)油達(dá)到最多。而且機(jī)油在慣性作用下保持較高速度,脫離底部撞擊到頂部,此時(shí)湍流強(qiáng)度和內(nèi)冷油腔壁面的機(jī)油覆蓋率都達(dá)到最大。因此,活塞在上止點(diǎn)附近時(shí),內(nèi)冷油腔的對流傳熱系數(shù)最高。相反,當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)行時(shí),內(nèi)冷油腔內(nèi)的機(jī)油溫度有所升高,且面積覆蓋率也有所降低,導(dǎo)致內(nèi)冷油腔的對流傳熱系數(shù)隨之降低。從圖中還可以看出,與面積覆蓋率變化規(guī)律一致,隨內(nèi)冷油腔體積的增加,內(nèi)冷油腔的對流傳熱系數(shù)增大;當(dāng)內(nèi)冷油腔體積太小(如方案C4,C5,C6)時(shí),面積覆蓋率也隨之減小,且機(jī)油的振蕩強(qiáng)度降低,因此傳熱系數(shù)減小。當(dāng)體積太大時(shí),面積覆蓋率卻不能繼續(xù)增大,內(nèi)冷油腔壁面無法被機(jī)油全部覆蓋,因此傳熱受到影響。

        圖9 瞬時(shí)傳熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

        3.4 內(nèi)冷油腔體積對活塞溫度場的影響

        表3示出利用有限元分析軟件對活塞溫度場進(jìn)行模擬得到的活塞關(guān)鍵位置溫度值。

        表3 內(nèi)冷油腔體積對活塞關(guān)鍵位置溫度的影響 ℃

        對比發(fā)現(xiàn),無論內(nèi)冷油腔增大還是減小,溫度值都有變化,即內(nèi)冷油腔體積對活塞的溫度有一定的影響,且不能忽略。溫度值的變化表明,當(dāng)內(nèi)冷油腔體積增大時(shí),活塞關(guān)鍵位置的溫度最大減小10 ℃。從表中還可以看出,活塞關(guān)鍵位置的溫度變化與內(nèi)冷油腔溫度變化趨勢一致,隨體積增大,所有位置溫度呈減小趨勢。油腔體積變化對第一環(huán)槽溫度的影響見圖10。由圖可見,油腔體積變化對第一環(huán)槽的影響也很明顯,體積越大,油腔導(dǎo)熱量大,第一環(huán)槽溫度越低,體積越小,溫度越高。

        4 結(jié)論

        a) 隨內(nèi)冷油腔體積增大,油腔的最低溫度減小,油腔軸向最高溫度增加,且溫度梯度增加,使得傳熱系數(shù)增大,進(jìn)而強(qiáng)化活塞傳熱;

        b) 在一定范圍內(nèi),內(nèi)冷油腔體積增大可以提高其面積覆蓋率;所研究的閉式內(nèi)冷油腔的周向環(huán)部體積應(yīng)設(shè)計(jì)為活塞壓縮高參考體積的3%~4%。

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