天然气发动机活塞热--机耦合仿真.pdf

第 2期 总第 2 0 5 期 2 0 1 3年 4月 车用发动机 VEHI CLE ENGI NE No． 2 Se r i a l No ．2 05 Ap r ． 201 3 天然气发动机活塞热一 机耦合仿真 尉 庆 国 ，王 军 ，刘新 华 ，王 晋。 1 ．中北大学机 电工程 学院，山西 太原0 3 0 0 5 1 ； 2 ．中国北方发动机研 究所 ，山西 大 同0 3 7 0 3 6 ； 3 ．内蒙古北方重型汽车股份 有限公 司，内蒙古 包头0 1 4 0 3 0 摘要 以某天然气发动机 为研 究对 象， 利 用 An s y s 有 限元软件 对活塞 温度场进行 了数值模 拟 ， 并对 活塞在各 种载荷下的应力与 变形进行 了分析与对比 ， 为深入 了解 天然气发动 机活 塞应力分 布、 活塞与缸套 的 变形 匹配提供 了一 定 的 理 论 依 据 。 关键词 天 然气发动机 ；活塞 ； 热一机耦合 ； 数值模拟 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 2 2 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 5 中图分类号 T K4 3 3 ． 3 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 3 0 2 0 0 1 8 0 4 随着能源危机的出现和石油资源 的 日益枯竭 ， 在 内燃机领域， 研究人员开始 了天然气发动机的研 究[ 1 。 ] 。与传统的汽油机、 柴油机相同， 活塞仍 然为 内燃机的关键零部件之一 ， 其可靠性对 内燃机 的整 体性能及寿命有着直接的影响。与其他发动机部件 相 比， 活塞的工作环境十分恶劣 ， 在工作过程中不仅 受到缸 内燃气的热负荷作用 ， 同时还受到燃烧压力 、 往复惯性力等机械负荷 的作用， 因此对活塞的负荷 进 行 预测显 得尤 为 困难 。 与传统的机械负荷 、 热负荷分开计算 的方法相 比， 热一机耦合可以综合考虑活塞工作过程中的热 、 机械载荷的综合作用 ， 能较准确地预测活塞的应力 与变形， 故在内燃机研究 中得到了广泛的应用 ] 。 本研究针对某天然气发动机活塞 ， 分别对热应力、 机 械应力 以及热一机耦合应力分布进行了计算 ， 对 比 了不 同方法得到的活塞应力分布， 并利用热一机耦 合方 法预测 了活塞 与缸 套 的变形 ， 在 此基 础 上 对 二 者 的变形 匹配进 行 了研究 。 1 活塞模型及边界条件 天然气发动 机参数见 表 1 。活塞 实体模 型见 图 1 。为保证分析的精度及结果 的收敛性 ， 分析过 程中对活塞组各零件的实体模型进行了相应 的等价 性处理l 6 ] 。通过 网格收敛性 以及网格无关解研究， 计算采用了 3 mm 四面体 4 节点单元对活塞进行均 匀网格划分 ， 有 限元 网格模 型见图 2 。活塞各零件 材料属性见表 2 。 表 1 天然气发动机参数 型式 V1 6 ， 水冷， 四行程 ， 直 喷 排量／ L 9 5 缸径／ ram 1 9 O 压缩 比 91 行程／ ram 2 1 O 标定功率／ k W l 1 O 0 图 1 活塞实体模型 图 2 计算 网格 表 2活 塞 各 零 件 材 料 属 性 区域 材料 弹性模量／ GP a 泊松比 密度／ k gm 活塞裙 4 A1 1 8 1 0 ． 3 1 2 7 0 0 活塞顶 4 2 C r MO A 2 1 0 0 ． 3 7 8 2 0 活塞销 1 2 Cr Ni 3 A 2 0 4 0 ． 3 7 8 8 0 连接螺栓 l 8 Cr 2 Ni 4 WA 2 0 4 0 ． 3 7 9 4 0 螺母 4 2 C r Mo A 2 1 0 0 ． 3 7 8 2 0 压块 4 2 C r M0 A 2 1 O 0 ． 3 7 8 2 O 计算边界条件包括热边界条件、 位移边界条件 与载荷边界条件等。 收稿 日期2 0 1 2 - 1 2 1 2 ；修回日期 2 0 1 3 0 4 - 1 8 作者简介尉庆国 1 9 6 9 一 ， 男 ， 副教授 ， 主要从事车辆动力 匹配研究 ； we i q i n g g u o 1 6 n u c ． e d u ． c n 。 2 0 1 3 年 4月 尉庆 国，等 天然气发 动机 活塞 热一 机耦合仿真 域 ， 在 销座 附近 ， 从 温 度 场计 算 云 图可 以 看 出 ， 这 个 区 域 的 稳 态 温 度 为 1 3 7℃，等 效 应 力 为 1 9 7 ． 7 1 MP a 。在最 高燃 烧压 力 l 1 MP a工 况 ， 在 热一机 耦 合 作用 下 活塞 裙 最 大 应力 点 位 于 2 9号考 察 区域 ， 最 大值 为 1 6 2 ． 9 2 MP a 。 对 热一 机耦 合 计算 结 果 与 单纯 的热 应 力 、 机械 应 力计 算结果 进 行 对 比， 可 以 发现 ， 由于 热应 力 、 机 械应力之间的非线性关系 ， 热一机耦合 的应力计算 结果并非热负荷与机械负荷 的线性叠加。同时二者 耦合结果在分布趋势上 、 极值数值与单纯的热应力 计算结果十分相近， 这也部分说 明了在活塞有 限元 计算 中 ， 热负 荷具 有主 导性 的作用 。 为 了考 察 活 塞 与缸 套 的 变形 匹 配情 况 ， 进 行 了 1 4 MP a下热一机耦合 变形计算 ， 同时进行 了相 同 条件下缸套 的变形计 算 ， 在直 径方 向 的变形量 见 表 4 。 表 4 活塞 与缸套直径方 向变 形量 缸套变形量／ mm 活塞变形量／ mm 位 置 1 - 3方 向 2 4方 向 销座考察 方向 剖分面方 向 上截面 1 ． 1 O 2 5 1 ． 1 1 6 中截面 1 ． 1 O 5 1 1 ． O 9 1 1 ． 1 8 1 ． 2 下截面 1 ． 1 1 5 7 1 ． 1 O 6 2 由表 4可 以看 出 ， 缸 套 在 两个 方 向 的变 形 量 均 要 低 于活塞 相关 方 向的变 形 量 ， 这 说 明活 塞 在 工作 过程 中有 可能产 生拉 缸现 象 。由于 活塞头 部 变形 主 要 由热负荷所引起， 发动机燃烧压力提高之后 ， 相应 地热负荷也增强 ， 活塞头部热变形相应增大， 为了保 证 活塞 与缸套 之 间 的配 合 ， 应 适 当增 大 活 塞 头部 与 缸套之间的间隙。 5 结 论 a 活塞内部温度分布很不均匀 ， 整个活塞最高 温度为 3 7 1 ． 3℃， 其值出现在边缘位置的燃烧室 ； 最 低温度为 1 3 1℃， 其值出现在活塞裙底 ； 第一环槽温 度约为 1 5 2 ． 3℃， 最高温度不超过润滑油脱胶温度 ； b 活塞热一机耦合应力 的结果不是 机械负荷 和 热负 荷 的应力 总 和 ， 而 是 两 个 物 理 场 之 间 相 互耦 合作用的结果 ， 从计算结果来看 ， 耦合计算所得应力 低 于机 械应力 与 热应 力之 和 ， 与热 应力 很接 近 ； c 活 塞 的头部 变形 主 要 由热 负 荷 引起 ， 提 高发 动机 燃烧 压力 后 ， 热 负荷 随之 升高 ， 头 部热 变形 相应 增大 ， 在活塞与缸套的变形匹配时 ， 应考虑上述因素 的影 响 。 参考文献 [ 1 ] 窦慧丽．电控喷射稀燃 天然气发动 机的 关键 技术研 究 [ D] ．长春 吉林 大学 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 郑 清平．压燃式天然 气发 动机 燃烧 过程模拟 计算和 试 验研 究I- D] ．天津 天津大学 ， 2 0 0 6 ． I- 3 ] 杨 光， 杨振 中， 李 清博 ， 等．浅谈 点燃 式发动机 的代 用 燃 料 I- J ] ．天 然 气 化 工 ， 2 01 2 ， 3 7 4 5 1 - 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0 5 4 1 ． Th e r ma l me c ha ni c a l Co u p l i ng S i mu l a t i o n o f NG Eng i ne Pi s t o n W EI Qi n g g u o ，W ANG J u n ，LI U Xi n h u a ，W ANG J i n 。 1 ．No r t h Un i v e r s i t y o f C h i n a ，Co l l e g e o f M e c h a t r o n i c En g i n e e r i n g，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1 ，Ch i n a ； 2．Chi na Nor t h Eng i n e Re s e a r c h I ns t i t ut e，Da t o ng 037 0 36，Chi n a； 3 ．I n n e r Mo n g o l i a No r t h Ha u l e r J o i n t S t o c k Co ． ， L t d ．，B a o t o u 0 1 4 0 3 0，Ch i n a Ab s t r a c t F o r a NG e n g i n e ，t h e t e mp e r a t u r e f i e l d o f p i s t o n wa s s i mu l a t e d wi t h ANS YS F E s o f t wa r e ，a n d t h e s t r e s s a n d s t r a i n o f p i s t o n u n d e r d i f f e r e n t l o a d s we r e a n a l y z e d a n d c o mp a r e d ．Th e s i mu l a t i o n b r o u g h t s o me t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r u n d e r s t a n d i n g NG e ng i n e pi s t o n s t r e s s d i s t r i but i o n a nd t he pi s t o n a nd l i ne r ma t c hi ng． Ke y wo r d s NG e n g i n e ；p i s t o n ；t h e r ma l me c h a n i c a l c o u p l i n g ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n [ 编辑 潘丽丽]