冷却油腔形状对发动机活塞振荡传热效果的影响

（河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018）

0 引言

柴油发动机广泛应用于坦克、载重汽车、工程机械等大型、重载机械装置上，随着柴油发动机的功率不断提升，发动机活塞的热损伤失效时有发生[1～3]。为了避免这种问题的发生，保障发动机的安全运行，人们提出了一系类的发动机活塞冷却措施[4～6]，其中振荡冷却应用较为广泛。发动机活塞振荡冷却是指在发动机活塞头部附近设置冷区油腔，在冷却油腔内填充一定比例的冷却油，在活塞往复运动时，冷却油腔内的冷却油不断冲击冷却油腔的各个壁面，产生强烈的湍流从而提高传热效果[7～9]。本文主要针对冷却油腔的截面形状对传热效果的影响开展研究，对于柴油发动机活塞结构设计具有一定的意义。

1 有限元分析

1.1 几何模型

图1为某柴油机活塞的示意图。如图1所示，冷却油腔位于活塞的头部，其形状设计需要从活塞的强度和传热效果两方面考虑。

图1所示的活塞冷却油腔形状一般为一个恒截面回转空腔，空腔内部填充填充部分机油。柴油机工作过程中，随着活塞的往复运动，填充在活塞冷却油腔中的机油在冷却油腔内振荡流动，从而带走活塞顶部的热量。在活塞内填充的冷却油振荡流动的过程中，冷却油与活塞壁面不断发生碰撞，破坏冷却油腔壁面的液体边界层，从而起到强化传热的作用。

图1 某110型柴油机活塞模型

为了探索冷却油腔形状对振荡传热效果的影响，本文建立三种截面形状的油腔模型分别为圆形、椭圆形和水滴形。三种油腔截面具有相同的面积，其几何尺寸如图2所示。

1.2 物理模型

数值模拟中，采用VOF多相流模型，整个油腔内简化为含机油和空气两种流体，并且两者之间互不混合。每一个控制体积内，机油和空气两相的体积分数之和为1，并且它们之间有分界面，如果用相函数F表示机油的体积分数。

图2 冷却油腔形状

相函数F为：

对流输运方程为：

式中：为控制单元流体速度。

动量方程为：

式中：ρ为控制单元密度，µ为动力粘度，p为控制单元压力，为表面张力等效体积力，为重力加速度。

能量方程为：

式中：k为有效热导率，Cp为定压比热，T为单元温度。

2 油腔截面形状对传热性能的影响

2.1 一个循环周期内三种截面形状油腔传热性能对比

如图3为转速2000r/min、行程100mm、充油率50%的不同曲轴转角下三种油腔壁面平均换热系数的变化规律。从图3中可以看出，在一个运动周期内三条曲线都呈现高低起伏的变化趋势。对比这三条曲线可以得出，水滴形油腔的壁面平均换热系数高于椭圆形的换热系数，椭圆形油腔的换热系数高于圆形的换热系数，说明水滴形内冷油腔的振荡冷却效果最好，其次是椭圆形油腔，圆形的振荡冷却效果最差。

图3 一个循环内三种截面形状油腔的传热性能对比

2.2 不同转速条件下三种截面形状油腔的传热性能对比

为了在不同转速下分析圆形、椭圆形和水滴形的内冷油腔形状对振荡冷却效果的影响，设置活塞的行程为100mm，充油率为50%，转速在1500r/min～2500r/min之间变化，其他参数的设置相同，通过数值模拟对比三种油腔形状的振荡冷却效果，其壁面平均传热系数如图4所示。

图4 不同柴油机转速条件下三种截面油腔的平均传热系数

从图4中可以看出，不同转速下三条曲线的变化趋势一致。比较这三条曲线可知，同一转速下，圆形内冷油腔的壁面平均换热系数最小，其次是椭圆形内冷油腔的壁面平均换热系数，水滴形内冷油腔的壁面平均换热系数最大，随着转速的变化，圆形内冷油腔的壁面平均换热系数仍然是最小的，水滴形内冷油腔的壁面换热系数仍然是最大的，说明了这三种截面形状中水滴形内冷油腔换热效果最好，这是由于水滴形油腔比圆形和椭圆形油腔更加偏向于细长型，这种细长型的内冷油腔在活塞的往复运动中，油腔中的机油振荡流动速度增大，可以更好地形成紊流，从而带走更多活塞顶部的热量，提高了换热效果。

2.3 不同行程条件下三种截面形状油腔的传热性能对比

为了在不同行程下分析圆形、椭圆形和水滴形的内冷油腔对振荡冷却效果的影响，设置活塞的行程分别为60mm、100mm和140mm，转速为2000r/min，其他参数设置与上节相同，来对比三种油腔形状的振荡冷却效果。

图5为不同行程下三种形状内冷油腔壁面平均换热系数的变化曲线图。从图中可以看出，不同转速下三条曲线的变化趋势一致。对比这三条曲线可以得出，随着行程的变化，圆形内冷油腔的壁面平均换热系数整体上是最小的，其次是椭圆形内冷油腔的壁面平均换热系数，水滴形内冷油腔的壁面平均换热系数整体上是最大的，这说明了在不同的行程下，水滴形的换热效果最好。

图5 不同曲轴行程条件下三种截面油腔的平均传热系数

3 结论

针对柴油发动机冷却油腔的截面形状对冷却效果的影响开展研究，采用数值模拟的方法分别研究了圆形、椭圆形和水滴形三种冷却油腔截面形状的活塞在一个振荡冷却周期内，壁面平均传热系数的变化规律，并且在不同发动机转速、曲轴行程条件下对比了三种油腔截面的壁面平均传热系数，结果表明，水滴形截面形状具有最佳传热效果，在发动机活塞结构设计时应予以选用。