昂金鳳，胡昌良，程志勇

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230022)

0 引言

活塞竄氣量是影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出的重要原因之一，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，這種影響更加明顯，同時(shí)也會(huì)增加曲軸箱壓力，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作造成影響[1]。

作者利用多體動(dòng)力學(xué)軟件EXCITE Power Unit(后面簡(jiǎn)稱EPU)和EXCITE Piston & Rings(后面簡(jiǎn)稱EPR)各自的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，建立基于動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)耦合性能仿真分析模型，通過(guò)計(jì)算活塞與缸套、環(huán)與缸套、環(huán)與活塞環(huán)槽之間的摩擦力所作的功，將功轉(zhuǎn)化為熱能。主要分析思路為：利用EPU軟件的彈性液體動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能計(jì)算活塞裙部與缸套的摩擦生熱，獲得活塞裙部溫度與換熱系數(shù)；利用EPR軟件的環(huán)動(dòng)力學(xué)分析功能，通過(guò)計(jì)算環(huán)與缸套、環(huán)與環(huán)槽的摩擦生熱，獲得活塞環(huán)槽的溫度與換熱系數(shù)；由動(dòng)力學(xué)分析所獲取的活塞溫度邊界進(jìn)行活塞溫度場(chǎng)和熱變形分析，并提取活塞熱變形和溫度邊界，重新代入動(dòng)力學(xué)計(jì)算，反復(fù)迭代，直到溫度收斂，取迭代末次的活塞熱態(tài)型線進(jìn)行活塞竄氣量的仿真與標(biāo)定。

1 活塞-缸套液體潤(rùn)滑分析

當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，燃燒室的氣體壓力推動(dòng)活塞沿缸套軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在活塞裙部與缸套之間形成潤(rùn)滑油膜?；谌S的活塞-缸套動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算活塞與缸套之間由相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，進(jìn)而得到摩擦力所作的功，最終將功轉(zhuǎn)化為熱能作為表面熱流輸入到活塞溫度場(chǎng)計(jì)算中。

1.1 分析模型

動(dòng)力學(xué)模型包括活塞、活塞銷、連桿、曲柄銷、缸套以及連接副單元。其中，體單元均采用彈性體單元[2]，多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

1.2 邊界條件

動(dòng)力學(xué)計(jì)算所需載荷邊界為缸內(nèi)燃?xì)鈮毫?，如圖2所示。

傳熱計(jì)算所需初始熱邊界由流體計(jì)算獲得，活塞-缸套接觸面油膜傳熱計(jì)算所需參數(shù)如表1所示。

表1 活塞-缸套接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

1.3 提取計(jì)算結(jié)果

由活塞裙部潤(rùn)滑計(jì)算得到裙部溫度與換熱系數(shù)，將其作為溫度邊界映射到活塞溫度場(chǎng)計(jì)算的有限元模型上。

2 環(huán)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

活塞環(huán)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算是建立在活塞二階運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)之上，在EPR中建立的環(huán)動(dòng)力學(xué)分析可直接調(diào)用上述活塞裙部潤(rùn)滑計(jì)算的活塞二階運(yùn)動(dòng)結(jié)果[3]。分析模型如圖3所示。

圖3 在EPR中建立的環(huán)動(dòng)力學(xué)分析模型

缸內(nèi)氣體壓力與活塞裙部液體潤(rùn)滑計(jì)算的壓力邊界一致，環(huán)槽上、下側(cè)面的初始溫度來(lái)自流體計(jì)算。

活塞環(huán)的動(dòng)力學(xué)與摩擦學(xué)耦合模型基于二維截面建立，截面特征能夠完全實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)化描述。環(huán)、缸套與環(huán)槽的熱態(tài)型線均采用冷態(tài)型線和熱變形量疊加的方式獲得，活塞環(huán)組型線如圖4所示，活塞和缸套型線如圖5所示。

圖4 活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)面型線圖

圖5 活塞與缸套截面型線

通過(guò)環(huán)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到環(huán)槽的溫度場(chǎng)和換熱系數(shù)。

3 活塞溫度和熱變形計(jì)算

由活塞-缸套液體潤(rùn)滑計(jì)算獲得活塞裙部溫度與換熱系數(shù)，由環(huán)動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得活塞環(huán)槽的溫度與換熱系數(shù)，活塞其余表面的熱邊界來(lái)自流體計(jì)算，對(duì)活塞進(jìn)行溫度場(chǎng)分析和熱變形計(jì)算[4]。提取活塞裙部熱變形量和溫度場(chǎng)作為修正邊界代入動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代收斂條件為相鄰兩次活塞溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中溫度最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值不大于1 ℃。此例中，經(jīng)過(guò)3次迭代計(jì)算后，活塞溫度收斂，活塞最終溫度場(chǎng)云圖如圖6所示。圖7為迭代中活塞裙部熱態(tài)型線的變化，活塞初始型線為不考慮活塞裙部與缸套摩擦生熱的熱態(tài)型線，第一、二、三次迭代型線均為在提取活塞動(dòng)力學(xué)熱邊界下的溫度熱態(tài)變形量。由圖7可見(jiàn)：隨著迭代的推進(jìn)，活塞裙部熱變形量在不斷遞增并趨于收斂。

圖6 活塞最終溫度場(chǎng)分布云圖

圖7 迭代過(guò)程中的活塞裙部熱變形量

4 活塞竄氣量的仿真與標(biāo)定

活塞的型線對(duì)活塞-環(huán)-缸套系統(tǒng)構(gòu)成的近似于節(jié)流閥連接的容積系統(tǒng)的大小和壓差產(chǎn)生直接的影響，進(jìn)而影響活塞竄氣量。

迭代過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的活塞竄氣量計(jì)算結(jié)果如表2所示，將竄氣量的仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較可見(jiàn)基于末次迭代的活塞型線計(jì)算得到的竄氣量值與試驗(yàn)值最接近。

表2 活塞竄氣量

由于活塞環(huán)組主要依靠前兩道氣環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，因此，在對(duì)標(biāo)試驗(yàn)時(shí)只調(diào)節(jié)前兩道氣環(huán)各個(gè)流通面的流量系數(shù)來(lái)標(biāo)定竄氣量值。圖8為各個(gè)轉(zhuǎn)速下活塞竄氣量的計(jì)算值，圖9為竄氣量計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的差值都在+10%以內(nèi)，且趨勢(shì)接近，表明環(huán)動(dòng)力學(xué)模型搭建較為準(zhǔn)確。

圖8 各個(gè)轉(zhuǎn)速下活塞竄氣量的計(jì)算值

圖9 竄氣量計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)標(biāo)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)活塞裙部液體動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出由于活塞裙部與缸套之間的液動(dòng)潤(rùn)滑摩擦而產(chǎn)生的熱量；通過(guò)環(huán)動(dòng)力學(xué)分析得到環(huán)與環(huán)槽之間的摩擦生熱。相較于普通的活塞溫度場(chǎng)分析，基于EPR和EPU聯(lián)合仿真得到的活塞溫度邊界更加符合活塞在實(shí)際工作中的溫度分布，后期的活塞竄氣量計(jì)算也證實(shí)了經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代后的活塞熱態(tài)型線更加精確?；诰_的活塞熱態(tài)型線建立的環(huán)動(dòng)力學(xué)分析能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)活塞竄氣量的大小和趨勢(shì)，并能有效地指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的正向開(kāi)發(fā)工作。