郝冠男，鄧立君，劉瑞(.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院，山東 青島 66580；.濱州學(xué)院機電工程學(xué)院，山東 濱州 56600；.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 56600)

活塞內(nèi)腔頂部增加冷卻油腔的局部強化冷卻方案可以有效降低活塞頂部和第一環(huán)槽的溫度[1-4]。內(nèi)冷油腔冷卻活塞的過程是通過氣缸下部的一個或多個噴油嘴對準活塞的進油孔進行噴油，由于進入冷卻油道的機油受到慣性作用，在油道內(nèi)與壁面產(chǎn)生了較大的相對速度，進而形成了強烈的振蕩[5-7]，強化傳熱，有效對活塞進行冷卻。

在活塞往復(fù)運動過程中，影響內(nèi)冷油腔冷卻效果的因素較多，如填充率、機油流量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、噴孔直徑、內(nèi)冷油腔的位置、體積與活塞頂面面積的比值以及形狀等。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗和模擬的方法做了大量相關(guān)研究工作[8-13]。通過對活塞內(nèi)冷油腔中流體流動和傳熱的研究，獲得了不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速和冷卻機油流量下內(nèi)冷油腔中流動特性與傳熱特性，深入分析了機油通過率、填充率以及傳熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速和機油流量的變化規(guī)律[14-17]。但對于內(nèi)冷油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計依然沒有統(tǒng)一標準。

對于帶有內(nèi)冷油腔的內(nèi)燃機活塞，其內(nèi)冷油腔的設(shè)計有嚴格的要求。本研究主要通過對比不同內(nèi)冷油腔體積下，活塞關(guān)鍵位置溫度和內(nèi)冷油腔溫度分布以及瞬態(tài)面積覆蓋率、傳熱系數(shù)等的變化規(guī)律來分析活塞冷卻效果的變化，為活塞內(nèi)冷油腔體積的設(shè)計提供一定的理論支持。

1 試驗裝置及流程

1.1 試驗裝置

圖1示出動態(tài)打靶試驗臺示意。試驗裝置包括工作臺、缸套、活塞、驅(qū)動電機和液壓站(可調(diào)溫調(diào)壓)，缸套位于工作臺的上方，活塞置于缸套中，驅(qū)動電機的輸出軸上固定有曲軸，曲軸上固定有驅(qū)使活塞往復(fù)運動的連桿?；钊性O(shè)置有內(nèi)冷油腔，內(nèi)冷油腔由橫腔及與其相通的進油道、出油道組成，進油道、出油道的開口均朝下。工作臺上設(shè)置有可在平面內(nèi)移動的調(diào)節(jié)塊，調(diào)節(jié)塊上固定有噴嘴，噴嘴經(jīng)管路與液壓站相連接，通過移動調(diào)節(jié)塊使噴嘴軸線與進油道軸線在同一直線上，以便向進油道中噴入冷卻液。

1.2 試驗流程

試驗流程分為三步。首先，將流量計安裝于噴嘴上，啟動驅(qū)動電機，通過流量計測量出噴嘴出口流量，設(shè)噴嘴出口流量為Qjet。然后，將流量計從噴嘴上移除，將其安裝于進油道的進口上，啟動驅(qū)動電機，待運行平穩(wěn)后，通過流量計測量T時間段內(nèi)油腔進口流量，設(shè)為Qin。最后，將流量計從進油道的進口上移除，將其安裝于出油道的出口上，啟動驅(qū)動電機，待運行平穩(wěn)后，通過流量計測量T時間段內(nèi)油腔出口流量，設(shè)為Qout。

1—工作臺；2—調(diào)節(jié)塊；3—缸套；4—活塞；5—驅(qū)動電機；6—曲軸；7—連桿；8—噴嘴；9—玻璃罩；10—進油道；11—內(nèi)冷油腔(橫腔)；12—出油道；13—調(diào)控面板；14—液壓站；15—電機控制器；16—調(diào)節(jié)塊；17—曲柄；18—軸承支架。圖1 試驗臺示意

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

同一個內(nèi)燃機活塞模型，根據(jù)內(nèi)冷油腔的設(shè)計參數(shù)，保持內(nèi)冷油腔形狀和中心位置不變，通過改變內(nèi)冷油腔截面積的大小，得到不同體積的內(nèi)冷油腔(見圖2)。圖2b中相鄰兩個環(huán)線的間距是0.5 mm。

不同內(nèi)冷油腔體積的設(shè)計方案見表1。其中，體積是內(nèi)冷油腔周向環(huán)部全部填充滿后的體積，體積比是指內(nèi)冷油腔體積與壓縮高部分活塞參考體積(D2*Hc)的比值，本研究中各方案D2*Hc取值為1 395 158.5 mm3。

圖2 內(nèi)冷油腔示意

方案編號C0C1C2C3C4C5C6截面積/mm2169.419194.277220.706248.705146.133124.417104.271體積/mm350 533.42857 957.63365 851.76074 215.80943 579.14537 094.78431 080.345體積比0.0360.0420.0470.0530.0310.0270.022

C0代表原方案(最佳方案)，其他方案均為在C0的基礎(chǔ)上進行偏離設(shè)置，即在截面的周向增加或者減少相同的值：C1為+0.5 mm，C2為+1.0 mm，C3為+1.5 mm，C4為-0.5 mm，C5為-1.0 mm，C6為-1.5 mm；D為活塞直徑，Hc為活塞壓縮高。

2.2 湍流模型

本研究使用CFD軟件Fluent對三維瞬態(tài)流動進行求解。Fluent中的湍流模型很多，有單方程模型、雙方程模型、雷諾應(yīng)力模型、轉(zhuǎn)捩模型等。有研究表明[18-19]，研究活塞振蕩冷卻問題時采用SSTκ-ω雙方程模型，結(jié)果更接近實際情況。

SSTκ-ω雙方程模型為標準κ-ω模型的變形，見式(1)、式(2)。使用混合函數(shù)將標準κ-ε模型與κ-ω模型結(jié)合起來，包含了轉(zhuǎn)捩和剪切選項。該模型考慮了正交發(fā)散項，從而使得方程在近壁區(qū)和遠離壁面的區(qū)域都合適。

(1)

(2)

式中：Gκ為由于平均速度梯度引起的湍流動能的生成相。Gω為ω的生成相；Γκ和Γω分別為κ和ω的有效擴散系數(shù)；Yκ和Yω分別為κ和ω的湍流耗散相；Dω為正交擴散項；Sκ和Sω為自定源相。

湍動能κ和ω分別通過式(3)、式(4)計算。

(3)

(4)

式中：u為平均速度；I為湍流強度；Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，默認值為0.09；l為湍流長度尺度。

2.3 網(wǎng)格獨立性

2.3.1有限元分析網(wǎng)格模型

采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對活塞進行網(wǎng)格劃分。由于活塞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建模過程中產(chǎn)生的狹長或窄面的網(wǎng)格尺寸統(tǒng)一設(shè)置為1 mm。圖3分別示出了單元尺寸為3 mm，2 mm和1 mm時活塞的網(wǎng)格模型，其單元數(shù)分別為198 283，467 938，2 806 465。

圖3 活塞固體域網(wǎng)格模型

通過與硬度塞試驗(硬度塞測點見圖4)數(shù)據(jù)的比較，驗證不同網(wǎng)格的計算精度。表2示出了活塞關(guān)鍵位置處的試驗數(shù)據(jù)和模擬計算值。對比發(fā)現(xiàn)，不同網(wǎng)格模型計算值與試驗數(shù)據(jù)的誤差都在工程允許的誤差(5%)以內(nèi)，且網(wǎng)格劃分得越小，精度越高。為了節(jié)省計算時間，在保證精度的基礎(chǔ)上，選用單元尺寸為2 mm的網(wǎng)格模型。

1—燃燒室中間底部；5—燃燒室喉口；7—頂面；9—火力岸；13—第二環(huán)岸；16—內(nèi)腔頂；18—銷孔內(nèi)側(cè)。圖4 硬度塞測點位置

表2 網(wǎng)格細化對活塞關(guān)鍵位置溫度的影響 ℃

2.3.2CFD流體分析網(wǎng)格模型

建立內(nèi)冷油腔的動網(wǎng)格模型。流體區(qū)域模型包括環(huán)狀內(nèi)冷油腔、進出油道部分和活塞底部流體區(qū)域。為加快計算速度，將活塞底部的流體區(qū)域簡化為圓柱體。網(wǎng)格模型示意見圖5。改變動網(wǎng)格尺寸，分別設(shè)置動網(wǎng)格尺寸與周圍網(wǎng)格尺寸比例a為0.5，1.0，1.5，以此來改變動網(wǎng)格的疏密，計算得到內(nèi)冷油腔的流量，分析網(wǎng)格精度對結(jié)果的影響。

圖6示出了網(wǎng)格細化對內(nèi)冷油腔流量的影響。通過對比Qout計算模擬結(jié)果和試驗結(jié)果，可知不同網(wǎng)格模型計算所得結(jié)果與試驗值之間的誤差在工程允許的范圍(10%)以內(nèi)。結(jié)果顯示，隨著網(wǎng)格的細化，計算結(jié)果的精度不同，當動網(wǎng)格尺寸與周圍網(wǎng)格尺寸比例a為0.5～1.0時，計算精度最高。為了保證計算精度的同時節(jié)省計算時間，選用a=1.0，即動網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 mm。

圖5 內(nèi)冷油腔流體域物理模型和網(wǎng)格模型示意

圖6 網(wǎng)格細化對內(nèi)冷油腔出口流量的影響

3 結(jié)果與分析

內(nèi)冷油腔的位置、形狀等都對內(nèi)冷油腔的傳熱性能產(chǎn)生一定的影響。因此，研究中保持其他參數(shù)不變，只通過改變內(nèi)冷油腔截面積的大小來改變內(nèi)冷油腔的體積。

3.1 內(nèi)冷油腔體積對溫度分布的影響

硬度塞法廣泛應(yīng)用于活塞表面溫度測量[20]。本研究根據(jù)硬度塞試驗測出的活塞表面平均溫度，調(diào)節(jié)溫度邊界條件，使得計算得出的溫度場與試驗測得的溫度場基本吻合。內(nèi)冷油腔的傳熱系數(shù)和環(huán)境溫度，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果進行時間積分平均后投影給有限元網(wǎng)格。設(shè)置相同的熱邊界條件，對7種不同方案進行有限元分析，得到不同方案的內(nèi)冷油腔表面溫度梯度分布(見圖7)。

由圖7可見，隨內(nèi)冷油腔體積增大，內(nèi)冷油腔最低溫度減小，最高溫度增加。從圖中曲線變化可以看出，內(nèi)冷油腔頂部和底部附近變化較大，而內(nèi)冷油腔中間部位變化不大。由此可知，隨著體積增加，內(nèi)冷油腔頂部的冷卻效果受到影響。

圖7 內(nèi)冷油腔溫度隨高度坐標的分布規(guī)律

3.2 內(nèi)冷油腔體積對面積覆蓋率的影響

內(nèi)冷油腔一般不被充滿，這樣在油腔中形成了兩相流動，另外在慣性力的作用下，冷卻油能形成強烈的振蕩和飛濺，容易形成紊流，產(chǎn)生良好的冷卻效果。為了得到較好的振蕩效果和冷卻效果，可以改變內(nèi)冷油腔的體積，增加內(nèi)冷油腔的面積覆蓋率，以強化傳熱。

圖8示出發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、噴嘴機油速度為25.2 m/s時，內(nèi)冷油腔面積覆蓋率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。活塞從下止點(BDC)向上運動時，內(nèi)冷油腔內(nèi)的機油大多在底部，機油隨活塞上下振蕩的同時受慣性作用會有部分從進出油口流出，內(nèi)冷油腔的面積覆蓋率較小。隨著活塞向上運動，機油從進出油口流出的量減少，面積覆蓋率增加，在上止點(TDC)附近達到最大。活塞從上止點向下運動過程中，面積覆蓋率變化較大。受慣性作用，機油撞到頂部后迅速回落，流出的機油量增加，使得面積覆蓋率減??；之后由于機油產(chǎn)生向上的加速度，使得內(nèi)冷油腔面積覆蓋率再次增大。下止點時，機油從進油口流出的量增多，面積覆蓋率降低。

圖8 不同體積內(nèi)冷油腔面積覆蓋率的變化規(guī)律

從圖中還可以看出，不同體積的內(nèi)冷油腔面積覆蓋率的變化規(guī)律基本一致。隨著內(nèi)冷油腔體積增大，面積覆蓋率增加；但是當體積增大到一定程度，體積越大，面積覆蓋率增加得越少，甚至不再增加。對比發(fā)現(xiàn)，C1，C4，C5，C6 4個方案的面積覆蓋率較小，且比較接近，而C2，C3和原方案C0的面積覆蓋率比較接近。這表明在一定范圍內(nèi)增加內(nèi)冷油腔體積可以提高其面積覆蓋率。

3.3 內(nèi)冷油腔體積對傳熱系數(shù)的影響

圖9示出發(fā)動機轉(zhuǎn)速2 000 r/min、噴嘴機油速度為25.2 m/s時，內(nèi)冷油腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。活塞往復(fù)運動使得內(nèi)冷油腔內(nèi)的流體脈動很大，流體的分布和流動形態(tài)也因此變化，所以，每個循環(huán)對流傳熱系數(shù)在時間上分布不均勻，循環(huán)與循環(huán)之間也有一定的差異(見圖9a)。從圖9b可以看出，對流傳熱系數(shù)受到面積覆蓋率的影響，活塞上行時在曲軸轉(zhuǎn)角180°附近最大，活塞下行時在曲軸轉(zhuǎn)角330°附近最大。當活塞由下止點(BDC)運行到上止點(TDC)時，內(nèi)冷油腔內(nèi)的機油達到最多。而且機油在慣性作用下保持較高速度，脫離底部撞擊到頂部，此時湍流強度和內(nèi)冷油腔壁面的機油覆蓋率都達到最大。因此，活塞在上止點附近時，內(nèi)冷油腔的對流傳熱系數(shù)最高。相反，當活塞由上止點向下止點運行時，內(nèi)冷油腔內(nèi)的機油溫度有所升高，且面積覆蓋率也有所降低，導(dǎo)致內(nèi)冷油腔的對流傳熱系數(shù)隨之降低。從圖中還可以看出，與面積覆蓋率變化規(guī)律一致，隨內(nèi)冷油腔體積的增加，內(nèi)冷油腔的對流傳熱系數(shù)增大；當內(nèi)冷油腔體積太小(如方案C4，C5，C6)時，面積覆蓋率也隨之減小，且機油的振蕩強度降低，因此傳熱系數(shù)減小。當體積太大時，面積覆蓋率卻不能繼續(xù)增大，內(nèi)冷油腔壁面無法被機油全部覆蓋，因此傳熱受到影響。

圖9 瞬時傳熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

3.4 內(nèi)冷油腔體積對活塞溫度場的影響

表3示出利用有限元分析軟件對活塞溫度場進行模擬得到的活塞關(guān)鍵位置溫度值。

表3 內(nèi)冷油腔體積對活塞關(guān)鍵位置溫度的影響 ℃

對比發(fā)現(xiàn)，無論內(nèi)冷油腔增大還是減小，溫度值都有變化，即內(nèi)冷油腔體積對活塞的溫度有一定的影響，且不能忽略。溫度值的變化表明，當內(nèi)冷油腔體積增大時，活塞關(guān)鍵位置的溫度最大減小10 ℃。從表中還可以看出，活塞關(guān)鍵位置的溫度變化與內(nèi)冷油腔溫度變化趨勢一致，隨體積增大，所有位置溫度呈減小趨勢。油腔體積變化對第一環(huán)槽溫度的影響見圖10。由圖可見，油腔體積變化對第一環(huán)槽的影響也很明顯，體積越大，油腔導(dǎo)熱量大，第一環(huán)槽溫度越低，體積越小，溫度越高。

4 結(jié)論

a) 隨內(nèi)冷油腔體積增大，油腔的最低溫度減小，油腔軸向最高溫度增加，且溫度梯度增加，使得傳熱系數(shù)增大，進而強化活塞傳熱；

b) 在一定范圍內(nèi)，內(nèi)冷油腔體積增大可以提高其面積覆蓋率；所研究的閉式內(nèi)冷油腔的周向環(huán)部體積應(yīng)設(shè)計為活塞壓縮高參考體積的3%～4%。