张 翼，王永昌，马运昌，李海鹰

(1.中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)

(2.中国北方发动机研究所，天津 300400)

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摘要：为了探究活塞瞬态温度变化和活塞顶面的温度波动，以某150四冲程直喷柴油机活塞为研究对象，取一缸内燃烧过程详细分析活塞瞬态温度变化。利用映射的方式将周期性变化的边界条件通过傅里叶函数进行加载，计算得到初始阶段活塞顶面温度波动情况。研究结果表明,活塞由初始状态到稳定状态需要150 s左右，活塞顶面温升速率最大，最高温度为564 K；活塞顶面温度波动为7 K左右。活塞瞬态温度场数值计算结果表明，活塞满足热负荷要求。该研究可为同类型活塞设计优化提供参考。

关键词：柴油机；活塞；瞬态温度场；有限元分析

中图分类号：TK422   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)03-0005-05

活塞是发动机的主要受热零件，随着发动机强化程度越来越高，活塞工作条件越来越恶劣，活塞长期处于高温、高压、高负荷环境，会使其温度不断升高并产生热应力。因此，活塞热负荷的温度场分布是设计人员研究的主要内容之一。Esfahanian等分析了3种燃烧边界条件对活塞热性能的影响，认为采用空间和时间平均燃气侧边界条件是合理的方法。李闯等针对某型号柴油机活塞，利用数值模拟方法设计了9种不同形状的油腔，得到了活塞温度场的分布。高鹏飞等采用子结构法对活塞温度分布进行了有限元分析。任建民等利用ANSYS软件对往复式活塞压缩机的活塞温度分布进行了热力学仿真。陶建辛等对活塞热流分配进行有限元分析。文均等采用薄膜热电偶测温法和引线式传输系统，对发动机过渡工况下活塞顶面测点瞬态温度场变化规律进行了试验测试研究，并对最大转矩工况活塞顶面不同位置温度值进行了分析计算。原彦鹏等采用有限元方法研究了活塞瞬态温度场的分布情况和变化规律。邓晟伟等应用二次多项式研究了中间工况活塞温度随转速和扭矩的变化趋势。高鹏等针对柴油机活塞-缸套相对运动传热过程，运用移动载荷方法对一个工作循环的传热过程进行了模拟仿真，得到整体温度分布和温度变化的原因。前人的研究主要集中在活塞整体温度场，对于活塞顶面瞬态温度波动变化规律研究较少，因此本文针对活塞顶面温度场及温度波动进行了详细的分析计算。

本文建立150四冲程直喷柴油机活塞模型，对其在标定工况下的瞬态温度场进行数值模拟，利用converge仿真得到缸内工质的瞬时温度和换热系数，应用傅里叶函数加载随时间周期性变化的温度和换热系数，从而得到活塞温度场随时间的波动情况。

1活塞有限元模型的建立

活塞燃烧室为W型，三维活塞模型根据图纸几何尺寸应用Pro/E软件进行建模。为了便于分析活塞温度，对活塞模型进行适当简化，忽略对计算结果影响很小的油道和一些细小圆角。活塞和耐磨镶圈分别为硅铝合金和铸铁材料。活塞和耐磨镶圈网格模型共划分网格数39 846个，节点数63 911个。实体模型和网格模型如图1所示。

图1 活塞和耐磨镶圈实体模型和网格模型略

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作者简介：张翼（1969—），男，副教授，博士，主要研究方向为动力机械总体技术及结构动态设计，1277285125@qq.com.

通讯作者：王永昌，男，硕士研究生，1178988300@qq.com.