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冷却方式对柴油机活塞温度及二阶运动的影响

邓立君 熊培友 张学禄 李猛猛

邓立君,熊培友,张学禄, 等. 冷却方式对柴油机活塞温度及二阶运动的影响[J]. 机械科学与技术,2022,41(11):1773-1779 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220240
引用本文: 邓立君,熊培友,张学禄, 等. 冷却方式对柴油机活塞温度及二阶运动的影响[J]. 机械科学与技术,2022,41(11):1773-1779 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220240
DENG Lijun, XIONG Peiyou, ZHANG Xuelu, LI Mengmeng. Effect of Cooling Mode on Temperature Field and Second-order Motion of Diesel Engine Piston[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(11): 1773-1779. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220240
Citation: DENG Lijun, XIONG Peiyou, ZHANG Xuelu, LI Mengmeng. Effect of Cooling Mode on Temperature Field and Second-order Motion of Diesel Engine Piston[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(11): 1773-1779. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220240

冷却方式对柴油机活塞温度及二阶运动的影响

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220240
基金项目: 国家自然科学基金项目(52075047)与滨州学院基金项目(BZXYZZJJ201703,2018Y13)
详细信息
    作者简介:

    邓立君(1986−),讲师,博士,研究方向为内燃机零部件可靠性分析,denglijun_piston@163.com

    通讯作者:

    熊培友,高级工程师,硕士,peiyou.xiong@bhpiston.cn

  • 中图分类号: TK422

Effect of Cooling Mode on Temperature Field and Second-order Motion of Diesel Engine Piston

  • 摘要: 为了研究冷却方式对活塞温度场及二阶运动的影响,应用硬度塞法测试了两种结构柴油机活塞的表面温度(内腔无冷却盲孔和有冷却盲孔),以此测试数据对活塞温度场有限元仿真结果进行了标定,仿真计算得到了两种结构的活塞温度场分布,进而分析了内腔冷却盲孔对活塞温度及二阶运动摆角和摩擦磨损的影响规律。结果表明:有冷却盲孔活塞相对于无冷却盲孔活塞各关键部位温度都有所降低,尤其是二环槽主推力侧部位,降低了13.2 ℃,裙部主、次推力侧也均降低了约11 ℃;同时,活塞内腔温度最大降低25 ℃,降低了约10%,对于降低活塞热负荷作用十分明显;另外,活塞裙部接触压力、磨损载荷及摩擦损失都明显降低。
  • 图  1  电子显微硬度计

    图  2  硬度塞HV-T标定曲线

    图  3  两种活塞结构对比

    图  4  活塞测点布置图

    图  5  无冷却盲孔活塞温度测试结果

    图  6  有冷却盲孔活塞温度测试结果

    图  7  不同网格尺寸时活塞温度场

    图  8  活塞网格模型

    图  9  无冷却盲孔活塞温度场

    图  10  有冷却盲孔活塞温度场

    图  11  两种结构活塞TS侧温度对比

    图  12  两种结构活塞ATS侧温度对比

    图  13  两种结构活塞内腔温度对比

    图  14  摆动角度

    图  15  敲击动能

    图  16  最大接触压力

    图  17  累积磨损载荷

    图  18  裙部摩擦损失

    表  1  发动机主要参数

    参数数值
    气缸数 6
    缸径/mm 116
    行程/mm 144
    标定功率/kW 154
    标定转速/(r·min−1 2 200
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    表  2  转速为2200 r/min的活塞表面温度分布试验发动机运行数据

    功率/
    kW
    扭矩/
    Nm
    出水
    温度/℃
    机油
    温度/℃
    排气
    温度/℃
    中冷前
    温度/℃
    进气
    温度/℃
    153.5669.096.2102.6641137.624.2
    154.8671.896.1103.2688143.124.2
    155.1673.296.1104.4697144.724.2
    154.6671.396.1105.0698145.224.2
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    表  3  活塞材料属性

    密度/
    (kg·m−3
    弹性模量/
    MPa
    泊松比
    导热系数/
    (W∙(m∙K)−1
    线膨胀
    系数/K−1
    2 7108 4000.31163232 × 10−5
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    表  4  活塞部分位置表面温度计算值与实测值对比

    位置测点无冷却盲孔有冷却盲孔
    实测值/℃计算值/℃差值/℃相对误差/%实测值/℃计算值/℃差值/℃相对误差/%
    燃烧室中心 1 286 281.0 −5.0 1.75 279 275.1 −3.9 1.40
    燃烧室底部 2 242 240.3 −1.7 0.70 237 235.4 −1.6 0.68
    顶面 4 364 365.1 1.1 0.30 359 360.6 1.6 0.45
    5 351 353.0 2 0.57 346 348.5 2.5 0.72
    6 342 340.7 −1.3 0.38 339 337.1 −1.9 0.56
    火力岸 8 344 342.4 −1.6 0.47 340 338.3 −1.7 0.50
    9 332 329.6 −2.4 0.72 328 325.7 −2.3 0.70
    10 319 315.3 −3.7 1.16 315 310.9 −4.1 1.30
    二环岸 12 210 216.7 6.7 3.19 203 208.6 5.6 2.76
    销孔内侧 14 160 163.3 3.3 2.06 156 160.4 4.4 2.82
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    表  5  活塞关键位置温度对比

    位置无冷却孔
    温度/℃
    有冷却盲
    孔温/℃
    温度变化/
    燃烧室喉口 TS 368.907 361.522 −7.368
    ATS 369.348 365.433 −3.915
    1环槽 TS 241.804 234.052 −7.752
    ATS 252.518 250.416 −2.102
    2环槽 TS 207.443 194.216 −13.227
    ATS 213.037 205.208 −7.829
    销孔 163.285 160.375 −2.91
    裙部 TS 178.822 167.530 −11.292
    ATS 186.557 175.908 −10.649
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  • [1] KENNINGLEY S, MORGENSTERN R. Thermal and mechanical loading in the combustion bowl region of light vehicle diesel AlSiCuNiMg pistons; reviewed with emphasis on advanced finite element analysis and instrumented engine testing techniques[R]. SAE Technical Paper, 2012-01-1330
    [2] 张俊红, 何振鹏, 张桂昌, 等. 柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究[J]. 内燃机学报, 2011, 29(1): 78-83

    ZHANG J H, HE Z P, ZHANG G C, et al. Coupled thermal and mechanical load analysis in diesel engine piston[J]. Transactions of CSICE, 2011, 29(1): 78-83 (in Chinese)
    [3] TONG D H, QIN S S, LIN J G, et al. Thermal analysis of a novel oil cooled piston using a fluid-solid interaction method[J]. Fluid Dynamics & Materials Processing, 2021, 17(4): 773-787
    [4] 雷基林, 杨永忠, 邓晰文, 等. 基于活塞传热与强度分析的内冷油腔的优化[J]. 汽车工程, 2020, 42(3): 323-329

    LEI J L, YANG Y Z, DENG X W, et al. Optimization of cooling gallery based on heat transfer and strength of piston[J]. Automotive Engineering, 2020, 42(3): 323-329 (in Chinese)
    [5] MORRIS A, BITSIS D C. Reduced piston oil cooling for improved heavy-duty vehicle fuel economy[C]//SAE WCX Digital Summit. 2021
    [6] NIU D X, ZHANG J, XIONG P Y, et al. High temperature fatigue and oxidation characteristics of forged steel piston materials[J]. Engineering Failure Analysis, 2019, 97: 220-226 doi: 10.1016/j.engfailanal.2019.01.014
    [7] 姜东东, 韩振南. 柴油机活塞头部结构参数热敏性研究[J]. 机械设计与制造, 2021(2): 84-87

    JIANG D D, HAN Z N. Study on thermal sensitivity of piston head structure parameters of diesel engine[J]. Machinery Design & Manufacture, 2021(2): 84-87 (in Chinese)
    [8] 章健, 刘世英, 李辉, 等. 活塞结构刚度对动力学性能影响的研究[J]. 内燃机工程, 2017, 38(2): 84-90

    ZHANG J, LIU S Y, LI H, et al. Effect of structure stiffness of piston to dynamical performance[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2017, 38(2): 84-90 (in Chinese)
    [9] LU Y H, ZHANG X, XIANG P L, et al. Analysis of thermal temperature fields and thermal stress under steady temperature field of diesel engine piston[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 113: 796-812 doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.11.070
    [10] LU X Q, LI Q, ZHANG W P, et al. Thermal analysis on piston of marine diesel engine[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 168-176 doi: 10.1016/j.applthermaleng.2012.06.021
    [11] 雷基林, 申立中, 杨永忠, 等. 4100QBZ型增压柴油机活塞温度场试验研究及有限元分析[J]. 内燃机学报, 2007, 25(5): 445-450 doi: 10.3321/j.issn:1000-0909.2007.05.011

    LEI J L, SHEN L Z, YANG Y Z, et al. Finite element analysis and temperature field measurement of 4100QBZ turbocharged diesel engine piston[J]. Transactions of CSICE, 2007, 25(5): 445-450 (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-0909.2007.05.011
    [12] CERIT M. Thermo mechanical analysis of a partially ceramic coated piston used in an SI engine[J]. Surface and Coatings Technology, 2011, 205(11): 3499-3505 doi: 10.1016/j.surfcoat.2010.12.019
    [13] 祖炳锋, 方强, 刘捷, 等. 基于热机耦合的国Ⅴ柴油机活塞强度及变形数值分析[J]. 内燃机工程, 2014, 35(1): 99-104

    ZU B F, FANG Q, LIU J, et al. Numerical analysis of piston strength and deformation based on thermo-mechanical coupling for China-V diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014, 35(1): 99-104 (in Chinese)
    [14] AGARWAL A K, VARGHESE M B. Numerical investigations of piston cooling using oil jet in heavy duty diesel engines[J]. International Journal of Engine Research, 2006, 7(5): 411-421 doi: 10.1243/14680874JER01804
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  • 收稿日期:  2022-02-22
  • 刊出日期:  2023-02-04

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