柴油机活塞三维温度场数值计算与分析.pdf

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1、第30卷第1期2013年02月江苏船舶JIANGSUSHIPV01．30No．1Feb．2013柴油机活塞三维温度场数值计算与分析许宝余(中海工业(江苏)有限公司，江苏扬州225211)摘要：针对柴油机活塞的热负荷问题，以195柴油机为研究对象，建立了活塞温度场的数学模型和边界条件，进行了额定工况下195柴油机活塞温度场的计算，获得了温度场的数值分布。计算结果表明，活塞顶部的热负荷集中在燃烧室，最高温度为382。C，位于燃烧室中心。燃烧室下部温度较低，背离活塞中心侧的外边缘的温度也较低，同时位于燃烧室排放口的温度也比较低，而温度较高的区

2、域分布于燃烧室偏离活塞中心一侧。由此可见，活塞顶部的不同区域温度分布还是有比较大的差异。活塞第1环槽最高温度为150cc，活塞的热负荷在允许范围之内。关键词：柴油机；活塞；温度场；数值模拟；热负荷中图分类号：TK402文献标识码：A0引言柴油机的主要零部件有气缸头、气缸套、活塞、连杆、曲轴、高压油泵及其他固定件等。其中，活塞是柴油机的关键部件之一，主要起到做功、传热、密封和导向作用。活塞既要承受往复运动过程中产生的惯性力、与气缸套间的摩擦力及侧压力，燃油燃烧产生的瞬时波动的高压，同时，活塞还要承受在燃油燃烧过程产生的高温高压带来的高强度

3、热负荷。由于热负荷的直接作用，它会使活塞顶部的燃烧室附近区域及进排气阀附近活塞本体的温度升高，并且呈温度场出现不均匀分布和温度梯度变化大的特点。高强度的热负荷使活塞产生很大的热变形和热应力，而严重的热变形和热应力会导致活塞头变形开裂，也会破坏活塞与气缸套间的间隙，造成活塞环断裂以及引起拉缸、咬缸等现象，柴油机在运行过程中产生活塞失效故障。热负荷是造成柴油机运行中活塞失效的主要原因。评定活塞热负荷的标志是活塞的温度分布，温度场是研究热负荷的基础，研究活塞的温度场对柴油机的安全运行有重要意义‘1J。对于活塞温度场的研究方法主要有实验研究法和

4、数值模拟法，许多学者在活塞温度场的测量和数值模拟方面做了大量工作，考虑了高温燃气对活塞的热冲击等瞬态效应，对活塞润滑等做了研究皿叫J。建立柴油机活塞温度场计算的数理模型，通过数值收稿日期：2012一11—09作者简介：许宝余(1972一)，男，工程师，研究方向为船舶动力机械装置。计算得到活塞的温度场是一种获得温度场的重要的途径。但是，针对具体型号的柴油机，还需要计算其活塞的温度场，并以此为基础开展热负荷评价。195柴油机广泛应用于小型内河运输船。本文的研究工作以195柴油机活塞为对象，开展额定工况下活塞温度场的数值计算。以传热学理论为基

5、础研究活塞传热的物理模型和边界条件，并且使用Pro／E建立活塞的几何模型，导人ANSYS并划分网格，在ANSYS平台上开展活塞温度场的数值计算。得到了额定工况下195柴油机活塞温度场的数值分布，可以分析出活塞的最高温度以及所在位置、活塞表面的温度梯度、活塞环槽处的温度分布等，计算结果为活塞的设计和应力分析提供数值基础。1活塞温度场数值计算的传热学模型柴油机工作时气缸内气体的温度与压力都是随着曲轴转角而变化的，但由于这种温度变化的频率很高，与发动机转速成正比，并且仅仅在受燃气冲击的活塞表面几毫米薄层是变化的，温度变化的振幅较小。因而在柴油

6、机稳定工况下，活塞的热传导可以看做是准稳态导热。对于额定工况下的195柴油机，其活塞的温度场可以用无内热源的稳态导热的微分方程来描述，该方程在很多文献中都有具体表达‘5I。195柴油机主要技术参数见表l，活塞的几何模型如图1所示。2活塞热分析边界条件的确定2．1活塞顶部换热系数％第1期许宝余：柴油机活塞三维温度场数值计算与分析表1S195直喷式柴油机主要性能参数用的示功图如图2所示。气缸数目l活塞的平均速度7．67m／s气缸套形式湿式压缩比20气缸直径95nlnl／活塞行程／115nlnl连杆长度210nllll最低燃油消耗率2llg／

7、(kW·h)进气门开启角170额定功率8．8kW进气门关闭角430额定功率时转速2000r／min供油提前角190图1活塞几何模型活塞的传热过程极其复杂，各种传热现象(如导热、对流、辐射)的耦合作用造成理论分析和实验观测都困难，许多机理问题至今未能解决。一般情况下，工质传向活塞顶的热量可以视为辐射和对流过程的综合过程，并以对流为主，但是不能略去辐射部分的影响。对于一个循环内的热流量，辐射换热量还不到全部换热量的10％，因此，可将辐射换热计入对流换热项一并考虑。对流换热系数在参考文献中介绍了多种计算公式，本文根据所选机型采用修正后的Eic

8、he]berg公式，得到如下公式：0L；=7．80Cm0P≯；(、1、)式中：C。为活塞平均速度，m／s；P。为燃烧室内气体压力，105Pa；t为活塞顶部燃气温度，K。图2为转速2000r／min、功率8．