发动机活塞温度场仿真分析

ｏ， 因此 温度 场控 制方 程变 为 ：
， ｌ （
＋
＋
） 小 ］ ＋ｇ ＿（ ．
（ １ ）
式 中 ： 为导热系数 ； 为材料 的 比热 ， Ａ Ｃ 单位 Ｊ（ ｍ ； ／ ｋ・ ）
为温 度随 时问 的变 化率 。 ２ 边界 条件 。边 界 条件描 述 的是 温度场 在边 界上 ）
第三类边界条件 环境温度／Ｃ 。 换热 系数 Ｗ／ ２ ） （ ． ｍ Ｋ
６０ ５ ｌＯ ８ ｌＯ ８ ４９ ８ ９ ０ ２０ ５
Ｉ上下面
』 底面
裙部 主 销 孑 Ｌ 内油 道 Ｉ 上部
１０ ６
１０ ６
１０ ４ １０ ４ ９ ０ ９ ０
３０ ８
２０ ７
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ０ ２ １－ ４ ２
活塞 顶部 与燃 气接 触 ， 为强 制对流 换热 ， 活塞 在 且 不 同部 位 和燃 气 在不 同 的温度 下 换 热 系数 是 不 同 的 ， 燃气最高温度一般在 １ ０ ～ ０。 。平均换热系数 ０ ２０ Ｃ ８ ５ 考虑了活塞在不 同部位有不同的系数以及热辐射情况 下 的热量传递 ， 取对流换热 的平均表面换热系数和平 均燃气温度 ， 分别为 ４ ９ （。Ｋ 和 ６０。 。活塞的 ８ ｍ ・ １ ５ Ｃ Ｗ／
、 （ ２ ）
（ ３ ）
２ 算 例 由于发 动机 在长 时 间停 机 状态后 启 动时 整机 的初 始 温度 会 由环境 温 度 所决 定 ， 且 机 体零 件 的 温度 可 并 以认 为和 环 境温 度 相 一致 。 由于初 始 温 度差 异 大 ， 现 在取 比较 常 用 的三个 环境温 度值 作 为活 塞在启 动 工况 下的初始温度 ：５ Ｃ ０。 一７。 。润滑油 的初始温 ２ 。 、 Ｃ、 Ｃ 度与环境温度也相一致 。
的状况 ， 本文在对活塞温度场进行计算时 ， 活塞边界为 第 三 类边 界 条 件 ， 热 系数 ｈ和介 质 温度 （ 气 温 度 ） 换 燃 根据试验实测温度和模拟计算结果估计 。其传热
方 程为 ：
罄＋。 ｏ ａ。 。 ‘ ｚ ＋ ． 。ａ ｖ ＿
篑ＩＯ一 ／． （ 丁 Ｙ ） １
第 ３ （ 第 １１ ） 期 总 ２期
Ｎｏ３ Ｓ ．（ ＵＭ ．２ ） Ｎｏ １ １
机 械 管 理 开 发
ＭＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥ ＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶ ０Ｐ ＥＬ ＭＥＮ Ｔ
２ １ 年 ６月 ０１
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发动机活塞温度场仿真分析
刘 嘉 ’ 卫
＝
工况时活塞的温度 分布情况。
关键词 ： 车用发动机 ； 活塞 ； 限元 法； 有 温度场
中图分类号 ： ２ ． ０ ４８ ２ 文献标识码它的设计是否合理直 接关系到内燃机可靠性 、 寿命 、 经济性等。活塞结构复 杂， 而且 作 为 内燃机 的主要受 热 零件 ， 受周 期交 变 的 经 机械载荷 和热载荷的作用 ， 常在高温 、 高速 、 高压 以及 冷 却 困难 的情 况 下 工 作 （ 启 动 、 速 、 如 怠 急加 速 、 减 急 速 、 负荷等 ） 大 。分 析活 塞 温 度 的分 布 情 况 ， 以 为解 可 决 温度 过高 造成 活 塞损 坏 的问题 提供 理论 依据 。 本文采用有限元分析方法计算了某车用发动机活 塞在不 同初始温度下启动时的受热情况 ， 是研究解决 上述 问题 的一种 有效 手段 。 １ 活 塞有 限 元分 析”】 １１ 实体模 型 的 建立 ． 对 活 塞 有 限元 分 析 是基 于结 构 的 三维 实 体模 型 ， 发 动机 活 塞 结构 复 杂 ， 不 影 响 分析 结 果 的基 础 上 对 在 活塞实体模型进行必要的简化 ， 简化模型如 图 １ 所示。
的采用循环冷却系统 ； 有的是无循环冷却系统 ， 我国是 个水资源缺乏的国家 ， 以节约用水对节能有着极 所 其重 要 的意 义 。 凡是没有循环冷却 系统的 ， 均应考虑压缩机冷却 水 的循环复用设计循环冷却装置 时， 修建循环水池和 建冷却塔 。为了美化环境 、 净化空气 ， 如果在工业广场 修建一座造型美观的水池 ， 并配以假 山， 进行压缩机冷 却水的循环与复用 ， 既可节省土地 ， 又可收到极好的经 济效 益 和社会 效益 。 ４ 经济 效 益的预 测 我国的压缩机 ， 设以一千台统计 ： 若按合理供油 ， 则 一 年 可 节 省压 缩 机 油 １ ６ ， 每 吨 ０８ ０ｔ按 ５ ．万元 ， 节 可 省 资 金 １ ８ 万 元 人 民币 。 由于 压缩 机 气 阀及 管 网泄 ０ ２ 漏不 能及时 处理 、 效率低 、 比功率 高 ； 能提高效率 若 ２ ％， ０ 那么一年又可节 电４ 亿度 ， ３ － ３ 计 亿元左右。节 水： 预计有 １ ０ ／ 为无循环冷却系统 ， １ 若按实现循环冷却 装 置 ， 么一年 又可节水 ２０ 万 ｔ １５ ０ 那 ５０ ， ７０ 万元 。综上 计 所述 ， 压缩机 节能 ， 是提高企业经济效益 的重要 途径 。
表 １ 稳态第 三类边界条件
边界对应 区域
活塞顶部 火力岸 其它环岸
ｒｒ
（ ） 塞 内腔 结 构 ａ活
（ ）活 塞 外 邵 结 构 ｂ
图 １ 活 塞 实体模 型 １ 有 限元模 型的 建立 ． ２ １ ． 结 构离 散及 网格 划分 ．１ ２ 为 了有利 于 网格 的 自动 划 分并保 证 网格 划分 的质 量高 ， 采用 八节 点六 面体 单 元 ， 根据 材 料特 Ｉ 定其 并 生设 物 理特 。有 限元模 型如 图 ２ 所示 。
（． １ 中北大学 机械工程与 自动化学 院， 山西 太原 ０ ０ ５ ；． ３ ０ １２太原工业 学院 机械１ 程系 ＝ ＝ 山西 太原 ０ ００ ） ３０８
摘
要： 建立 了车用发动机 活塞的三维 实体模型 ， 并采 用有限元法对其进行 了温度 场仿 真分析 ， 讨并研究 了启动 探
、 文章编号 ：０ ３ ７ ３ ２ １ ）３ ０ ２ — ２ １０ — ７ Ｘ（０ １０ — １７ ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｓ ｒｉ ｔ ｅ ｍａ ｎ ｅ ｅ ｙ ｃ ｎ ｅｖ ｔ ｎ ｂ ｓｃｅ ｕ ｐ ｎ ． ｈ ｆ ｃｉ ｅ ｗ ｙ ｔ ｅ ｃｅ ｓ ｈ ｏ ｓ ｒ ａｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｉ ｏ ｔ ｎ ｓｒ ｃ ： ｈ ｏ ｒ ｓ ｏ ｈ ｉ ｎ ｒ ｏ ｓ ｒ ａｉ ａ ｉ ｑ ｉ ｍｅ ｔ Ｔ ｅ ｅｆ ｔ ａ ｏ ｄ ｓ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｖ ｔ ｓ ｈ ｍｐ ｒａ ｔ ｓ ｏ ｅ ｖ ｏ ｍｅｈ ｄ ｆ ｒ ｈ ｅ ｅ ｖ ｍｅ ｔｏ ｒ ｄ ｃｉｉ ． ｅ ｐ ａ ｔｃ ｈ ｗｓｔ ａ ｉ ｃ ｎ ｕ ｔｏ ａ ｅ ｎ ｐ ａ ｔｃ ｌ ｒｃｉ ｎ ａ ｅ ｎ ａ ｉ ｇ ａ ｏｄ ｍｅ — ｔ ｏ ｏ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｐ ｏ ｕ ｔ ｔ Ｔｈ ｒ ｃｉ ｅｃ ｏ ｈ ｔ ｌ ｏ ｓ ｍｐ ｉｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｒ ｃｉ ａ ｉ ｔ ｒ ａ ａ ｄ ｌ ｋ ｎ ｖ ｉ ａ ｔ ｖｙ ｏ ｆ ｏ ｅ ｓ ｒ ｄ ｃ ｅｐ ｗ ｒｒ ｔ ｒ ｏ ｈ ｔ ｅｇ ｏ ａ ｅ ｃ ｅ ｓ ｏ ｓ ｒ ａ ｉｎ Ｔ ｅｐ ｐ ｒ ｌｂ ｒ ｔｓｔ ｅｓ ｌ ｔ ｎ ａ ｅ ｎｐ ａ ｔ ｅ ｕ ｅ ｔ ｒ ｕ ｅｔ ｏ ｅ ａｅ ａｅ ｂ ｔ ｏ ｄ ｗ ｙｔ ｄ ｓ ｒ ａ ｅｃ ｎ ｅ ｖ ｔ ． ｈ ａ ｅ ａ ｏ ａｅ ｏ ｕ ｉ ｓｂ ｓ ｄｏ ｒ ｃｉ ． ｏｅ ｈ ｈ ｏ ｏ ｅ ｈ ｏ ｃ Ｋｅ ｒ ｓ Ｃｏ ｒ ｓ ｏ ； ｎ ｒｙ ｃ ｎ ｅ ｖ ｔ ｎ Ｌ ｗｅ ｎ ｒ ａ ｕ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ｍｐ ｅ ｓ ｒ Ｅ ｅ ｇ ｏ ｓ ｒ ａ ｉ ； ｏ ｒ ｅ ｇ ｍｅ ｓ ｒ ｏ ｅ ｙ
（ 上接 第 １ ７ ） ２页 稳 态第 三 类边 界 条件 如表 １ 示 。 所 图 ３ 图 ４和 图 ５ 别 为 初 始 温 度 为 ２ Ｃ、 Ｃ 、 分 ５。 ０。 和 一７。 的稳 态 温度 场分 布情 况 。 Ｃ时
图 ３ ２ ℃ 时 温 度 场 云 图 ５
图 ４ Ｏ 时 温 度 场 云 图 ℃
一
参考 文献 【】 成大先． １ 机械设计手册【 】北京 ： Ｍ． 化学工业 出版社 ，０ ３ ２０．
Ｏｎ Ｃｏ ｐ ｅ ｓ ｒＥｎ ｒ ｙ Ｃｏ ｓ ｒ ａ ｉ ｎ ｍ ｒ ｓｏ ｅ ｇ ｎ ｅ ｖ ｔ ｏ
Ｚ ＨＡＮ Ｊｎ ｊｅ Ｇ ｉ－ ｉ
（ａ ｕ ｎ ａｌａ ｒｎｐ ｒｔ ｉ ｑ ｉｍ ｎ ｏ， ｄ， ａｙａ ３０ ９ Ｃ ｉ ） Ｔ ｉ ａ ｉ ｙ ａ ｓｏａ ｔ ｎＥ ｕｐ ｅ ｔ ．ｈ ． ｉｕｎ０ ０ ０ ， ｈｎ ｙ Ｒ ｗ Ｔ ａｏ Ｃ Ｔ ａ
步进行 以及活塞本身的结 构 和 厚 度 的不 同而造 成 的 。 ３ 启 动 工 况 时 ， 塞 ） 活 轴 向 出 现 较 大 的温 度 差 ， 特 别是 低 温环 境 时温度 差 更 大 ， 这 种 状 况 下 随着 在 图５ —７ ℃温度场云图 导 热 的 进 行 ， 塞 的温 度 活 逐渐升高进而降低温度差的时间也就越长。故发动机 在冷启动时需要充分预热 ， 更不可有大负荷运转 ， 以免 造成 活塞严重 热蚀 和热变形 。
‘ 下 转第 １ ９页） （ ２
作者简介 ： 嘉（９２ ） 山西太原人 ， 师， 刘 １８一， 男， 讲 在读硕 士研 究生 ， 究方向 ： 设计。 研 机械
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１ ２７・
第３ （ 期 总第 １１ ） ２期
张 津杰 ： 压缩机 的节能 论
的注 意 和重视 。 为了降低 比功率 ， 不仅要做到气阀不泄漏 ， 而且要 及时堵塞和处理管网漏风 ； 定期清洗 吸气管侧滤风器 ； 合理调整气缸余 隙； 时处理气缸 间隙和调整更换气 及 缸填料 ， 并保持压缩机的良好冷却条件。 气 阀泄漏很容 易被运转司机和维修人 员发现 ， 其 表象是 ： 可从中间冷却器 的压力表上观察 ， 如果表压力 比正常压力低 ， 说明低压缸排气阀漏风 ； 该表压力 比正 常压力高 ， 说明高压缸吸气 阀漏风 。如果低压缸吸气 阀漏风 ， 在滤风器附近可听到“ 沙沙” 的声音 ； 如果高压 缸排气 阀漏风时 ， 可在风包 （ 储气缸 ） 附近听到“ 旺旺” 的声音 。一般情况下， 凡是漏风的气阀 ， 它的阀盖温度 都较正常温度高。有时 ， 由于低压缸吸排气阀泄漏 ， 会 使 高压缸 的压缩 比增大 ， 排气温度增高 ； 反之 ， 高压缸 的吸气阀泄漏 ， 会使低压缸的出风温度增高。所以， 当 发现气 阀阀盖温度增高时 ， 应及时听听气阀的声 响或 看看压力表的压力 ， 以确定其工作状态并及时处理 。 ３ 压 缩机 的循 环 冷却 系统 压缩机的运行温度是靠水冷却调节 的 ， 以 仅 ５ 一 ０８ 压缩 机 为 例 ， 台 每小 时 需冷 却 水 １ 。有 Ｌ ４ ／型 每 ３ｔ
３０ ０ ２０ ７ ３０ ７ ３０ ０
内腔 ｌ 中部 ｌ 下部
９ ０ ９ ０
３０ ９ ４０ ５
图２
１ ． 约束 条件 ．２ ２ ｌ 活 塞 的 热 分 析 是 个 无 内热 源 问题 的稳 态 热 分 析 问题 。 １ 温度场控制方程。由于是稳态温度场情况 ， ） 即