活塞冷却油腔结构变化对活塞温度场的影响

孙俊花　张创科　于巍

摘 要：为提升活塞油腔对活塞的冷却效果，采用ANSYS有限元分析法对活塞温度场进行数值模拟，对活塞顶部燃烧室喉口及活塞第一环槽处两个重点区域进行分析，并对活塞产生热应力具有明显影响的温度梯度进行同步分析，结果表明，通过改变活塞内冷油腔横截面形状，使内冷油腔更加凸向活塞高温区域，内冷油腔的冷却效果得到了显著提升。可见，油腔越靠近温度高，梯度大区域，其冷却效果越明显。

关键词：活塞 内冷油腔 活塞温度场

Influence of Piston Cooling Oil Cavity Structure on Piston Temperature Field

Sun Junhua，Zhang Chuangke，Yu Wei

Abstract：To improve the cooling effect of the piston oil chamber on the piston， the temperature field of the piston is numerically simulated by ANSYS finite element analysis method， the two key areas at the throat of the combustion chamber at the top of the piston and the first ring groove of the piston are analyzed， and the temperature gradient with obvious influence on the thermal stress produced by the piston is synchronously analyzed. The results show that， by changing the cross-sectional shape of the piston internal cooling oil chamber， the internal cooling oil chamber is more convex to the high temperature area of the piston， and the cooling effect of the internal cooling oil chamber is significantly improved. It can be seen that the closer the oil chamber is to the area with high temperature and large gradient， the more obvious the cooling effect is.

Key words：piston， internal cooling oil chamber， piston temperature field

1 引言

活塞头部铸出由封闭圆环构成的冷却油腔，冷却油由入口进入冷却油腔，经循环后由出口流出的冷却方式被称作强制振荡冷却法，作为柴油机活塞厂家应用最为广泛的冷却方式，可有效带走活塞热量，被认为是最有效的冷却方式，因此对活塞冷却油腔进行优化设计，可以改善活塞外部热环境，进而提高发动机的使用寿命。

2 内冷油腔影响活塞温度及其温度分布的主要因素

2.1 内冷油腔位置和形状

通过ANSYS对活塞的温度场进行有限元模拟分析可知，活塞冷却油腔的位置和形状对活塞整体温度场的影响是非常大的。通常，设计内冷油腔的形状时，面容比应尽可能大，内冷油腔容积小，活塞强度会大幅提高，内冷油腔的容积一定时，冷却油腔的表面积越大，吸收周围热量的能力越强，冷却效果越好。设计冷却油腔形状时，使冷却机油在油腔内流动为紊流状态，可达到更好的冷却效果。设计内冷油腔的位置时，让油腔尽可能靠近温度高、温度梯度大的区域，可有效提高活塞的冷却效果。

2.2 内冷油腔横截面面积

活塞冷却油腔截面积对冷却效果同样至关重要，当冷却油腔较小时，冷却机油不能在内冷油腔内充分的振荡实现紊流状态，会影响冷却机油的吸热能力，进而影响散热效果。冷却油腔截面积大时，冷却机油不能充满整个冷却油腔，冷却油腔会产生真空部分，由于真空具有隔热作用，阻隔热量传播，影响冷却效果，同时，真空部分增加顶部热量向活塞下半部分的传递难度，增加了活塞頂部的热量积累，影响活塞的可靠性。所以，冷却油腔的冷却效果同冷却油腔的横截面积并非线性关系，在某一截面积存在最优的冷却效果。

2.3 冷却机油的油压和油量

冷却油腔中，冷却机油的油压和油量同样会对活塞的冷却效果产生很大的影响。根据日本研究人员在DMP81Z柴油机上进行的实验可知，内冷油腔中冷却机油的油压在0.6～1.0MPa时，油压每增加0.1MPa，活塞的整体温度会下降3～7℃。所以，确定内冷油腔位置形状和横截面积后，冷却机油的油压也要根据发动机工况调整至合适区间。在强制振荡冷却方式中，喷射到冷却油腔中的冷却机油量要根据发动机工况决定。

2.4 冷却机油的供给方式

冷却机油供给冷却油腔的方式主要有两种，第一种是通过连通连杆小头的冷却油道直接喷入冷却油腔，第二种是经由单独的冷却系统把冷却机油供向冷却油腔。这两种冷却机油的供给方式，各有优缺点，第一种冷却机油供给方式，连杆小头处的喷油孔直接把机油喷入冷却油腔中，中间存在开放空间，因此冷却机油的飞溅不能保证所有冷却机油都流入冷却油腔，产生较大的机油损失，且连杆小头处冷却机油的喷油量与发动机的工况也有着密切联系。第二种冷却机油供给系统与发动机润滑系统相分离，可以使冷却油腔内机油的初始温度处于较低水平，提高冷却效果。

3 内冷油腔形状对活塞温度场的影响

活塞内冷油腔横截面形状一般是不规则的，在改变活塞内冷油腔横截面形状时，内冷油腔横截面面积的变化，应在合适的范围内，不能过大或过小，以免出现真空或者影响冷却机油流动。改变活塞内冷油腔的横截面形状时，可通过形状的改变，使内冷油腔更靠近活塞的高温区域，改善活塞冷卻效果。形状改变的同时，冷却油腔的换热面积也会改变，要尽可能增加内冷油腔的面容比，提高活塞冷却能力。控制其他因素不变，只改变活塞内冷油腔形状，研究活塞温度场的变化。

在冷却油腔初始形状基础上，保持横截面下半部分形状不变，仅改变横截面上半部分形状，活塞内冷油腔的横截面形状改变分别如图1、图2所示。

研究活塞内冷油腔横截面形状变化对活塞温度场的影响，目的是改善活塞的内冷油腔的结构，优化活塞的冷却性能，延长活塞的工作寿命，最终得到以下结论：

（1）改变活塞内冷油腔的横截面形状，使其更凸向第一环槽和燃烧室，实际上是增加了内冷油腔和活塞高温区域的换热面积，换热面积加大，散热速率也就提高。同时，改变其形状，缩短了其与高温区域的距离，加快了热量的散失。

（2）当内冷油腔和活塞高温区域的距离比较接近时，活塞的最高温度会下降。但距离和温度的下降并不呈现线性关系，所以，不能使活塞内冷油腔一味的靠近活塞高温区域，同时，还要考虑活塞的强度问题。

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