活塞燃烧室的不同形状对柴油机温度场分布的影响*

于文妍，尹成明

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

活塞燃烧室的不同形状对柴油机温度场分布的影响*

于文妍，尹成明

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

运用三维建模软件Pro/E和有限元分析软件ANSYS Workbench进行联合仿真，研究活塞上燃烧室结构对柴油机活塞上的温度场的影响。先运用Pro/E进行三维建模，再将模型导放到ANSYS Workbench中对其划分网并进行温度场分析，其结果对分析活塞热应力提供了基础，为燃烧室的形状优化提供了依据。

有限元；温度场；热应力

0 引 言

活塞是柴油机的重要零部件之一, 不仅仅受周期性交变的机械负荷, 同时还承受较大的热负荷。随着柴油机强化程度的不断提高, 并且由于其工况经常变化, 如起动、怠速、急加速、急减速、大负荷等, 使得活塞的温度总是在最小值和最大值之间变化, 从而产生热应力, 导致热疲劳。直接影响着柴油机的性能、可靠性和耐久性, 而且燃烧室温度的分布也直接影响发动机HC排放。利用先进的计算技术, 在设计阶段对活塞热负荷进行预算和评估是保证设计成功的关键技术[1]。

柴油机活塞顶面的形状取决于混合气形成方式和燃烧室的形状[2]。随着排放法规的实行，对柴油机的排放要求越来越高。 柴油机的燃烧室分为：分隔式和直喷式，直喷式活塞顶部做出一定形状的凹坑，分隔式燃烧室有预燃室和涡流室[3]。

1 柴油机基本参数

笔者针对1台直喷式六缸柴油机进行分析,气缸直径为106 mm、行程为125 mm；标定转速为2 300 r/min；标定功率为155 kW；压缩比为17.5[4]。

柴油机燃烧室活塞采用铸造硅铝合金材料 ZL109G，其常温下的弹性模量E=71 000 MPa，泊松比μ=0.33，导热系数λ=175 W·(m2·℃)-1，比热c=902 J/(kg·K)，密度ρ=2 770 kg/m3。屈服强度σ0.2=280 MPa, 抗拉强度σb=500 MPa，廷伸率δ=18%,断面收缩率φ=25%[4]。

2 模型的建立及网格的划分

2.1 模型的建立

为了考察活塞上不同燃烧室形状对其温度分布的影响，设计了四种活塞燃烧室凹坑，总体如图1所示。

图1 活塞模型

图2中，(a)是w型半开式燃烧室，该燃烧室通过燃烧室内壁的曲率的变化，使进来的空气产生一个径向旋流，由此使喷雾更加理想。(b)是由(a)局部修改而来，改变了斜率的变化率，增加流动的复杂性。(c)也是(a)的一个变形，(c)的缩脖长于(a)，主要是探讨燃烧室上部高度和压缩比对流动的影响。(d)是一个燃烧室凹坑曲率较平缓的情况，验证对流动的影响。

2.2 网格的划分

在Pro/E中建立计算区域的几何模型,将几何模型导入ANSYS Workbench进行网格划分。在划分网格之前应对导入的计算区域几何模型进行修复,采用四面体非结构化网格对燃烧室几何模型进行区域离散,计算区域网格，上述四种燃烧室划分后的单元数基本都在11万左右。

图2 四种活塞燃烧室凹坑

3 边界条件的设定

热边界条件对活塞的温度分布起主要的作用，合理地传热边界条件是保证有限元计算可靠性的关键[5]。 工程上往往采用已有的研究成果，直接给出活塞相应部位的对流换热系数[6]。 在研究中活塞各处边界条件如表1所列。

表1 边界条件

4 计算结果和分析

根据上述活塞模型、基本参数和边界条件，利用ANSYS Workbench有限元软件对 4 种不同燃烧室的活塞进行热稳态分析， 设定初始条件， 计算获得活塞的温度场如图 3所示。

图3 四种活塞的温度场

由图3所示的四种活塞的温度场可知：

(a)型活塞最高温度为240.82 ℃，最低温度为90.648 ℃，最高温度发生在活塞凹坑中的燃烧室中心处，最高温度与最低温度相差150 ℃[2]。

(b)型活塞最高温度为450.01 ℃，最低温度为132.66 ℃，最高温度发生在活塞凹坑中的燃烧室中心处,相对(a)型的最高温度增加了210 ℃，最低温度也增加了42 ℃，最高温度与最低温度相差318 ℃。

(c)型活塞最高温度为449.02 ℃，最低温度为140.32 ℃，最高温度发生在活塞凹坑中的燃烧室中心处及活塞的一部分顶面,相对(a)型的最高温度增加了209 ℃，最低温度也增加了50 ℃，最高温度与最低温度相差309 ℃。

(d)型活塞最高温度为457.61 ℃，最低温度为139.68 ℃，最高温度发生在活塞凹坑中的燃烧室中心处,相对(a)型的最高温度增加了217 ℃，最低温度也增加了49 ℃，最高温度与最低温度相差318 ℃。

5 结 论

(1) 对于图3所示的4种设计方案的活塞温度场分布，(b)、(c)、(d)型最高温度明显比(a)型高不少，在活塞材料允许的范围内， 有利于提高发动机的热效率。

(2) 图3中(b)、(d)型活塞的最高温度和最低温度相差最大，这主要也有利于活塞散热。

(3) 4种活塞的最高温度发生在活塞凹坑中的燃烧室中心处。

[1] 姬芬竹,高 峰.风冷柴油机活塞温度场的三维有限元分析[J].柴油机设计与制造,2005(3),24:32.

[2] 药志英,张翠平,孙力平,等.活塞燃烧室形状对柴油机温度场的影响[J].煤矿机械,2013(3):117-118.

[3] 刘 杜.有限元分析柴油机活塞温度场[J].鄂州大学学报, 2010(2):32-35.

[4] 周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2010.

[5] 魏海军,孙建波.柴油机活塞温度场有限元计算分析[J].船舶力学, 2003(8):73-76.

[6] Kim B J, Xiong Z, Pearlman W A. Very Low Bit-rate Em-bedded Video Codingwith 3-D Set Partitioning in Hierarchical Trees(3D-SPIHT) [J].IEEE Trans on Circ. and Syst. for Video Tech., 2000(8): 1365-1374.

Distribution Influence on Temperature Field of Diesel Engine with Different Shapes of Piston Combustion Chamber

YU Wen-yan, YIN Cheng-ming

(DepartmentofMechanicalEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,BaotouInnerMongolia014010,China)

Using three-dimensional modeling software Pro/E and finite element analysis software ANSYS Workbench to simulate and study the distribution influence on temperature field of diesel engine with different structure of piston combustion chamber . First use Pro/E to build three-dimensional model, and then lead into the ANSYS Workbench model in its meshed and analyze the temperature field, the results show piston thermal stress analysis could provide the basis for the shape optimization of the combustion chamber.

finite element; temperature field; thermal stress

2013-12-02

于文妍(1962-)，女，内蒙古包头人，教授，硕导，主要从事机电液一体化系统研究与应用方面的工作。

U664

A

1007-4414(2014)02-0015-02