活塞热流的复合隔热控制研究
作者单位:北京理工大学
学位级别:硕士
导师姓名:张卫正
授予年度:2017年
学科分类:080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理]
摘 要:随着发动机强化水平不断地提高,活塞需要承受极大的热负荷,由此导致活塞会出现失效问题,严重影响了发动机的工作可靠性。因此需要减少活塞的散热量并对活塞中热流的传递进行控制规划,使各部位温度在合理的范围内,降低活塞热负荷,延长发动机使用寿命。本文以高强化柴油机活塞为模型,通过改变活塞顶部材料、增加空气腔和隔热片等隔热手段,对活塞的热流量进行控制研究。主要内容如下:为进行活塞温度、热流状态的研究,首先利用内燃机性能仿真软件Ricardo-Wave,研究壁面温度升高对换热系数、充量系数以及着火延迟期的影响规律,进而使用内燃机性能仿真模型计算活塞顶面平均温度、换热系数等随曲轴转角的变化曲线,结合经验公式,计算得到活塞的换热边界条件。计算不同隔热组合方案的温度场并将结果进行对比分析,最终确定使用钢顶、隔热片以及空气腔相结合的复合隔热方式。与全铝活塞相比,复合隔热活塞的温度场变化明显,顶部温度梯度变大,最高温度增加330℃以上,活塞主体温度在290℃以下,铝合金材料得到较好保护。隔热片放置在第一环槽上方,可以阻隔热量直接传递,降低第一环槽工作温度。空气腔设置在活塞顶背侧,控制热流方向并降低活塞质量。研究活塞中关键隔热影响参数对温度场的影响规律,得到结论有:(1)顶部材料对活塞整体温度场具有较大的影响,钛合金作为顶部材料隔热效果尤为明显。(2)活塞顶部增厚会导致活塞最高温度降低,表明空气隔热效果良好,顶部热流方向主要为径向传递。(3)活塞最高温度随着隔热片中陶瓷成分的增加而升高。从多个方面对活塞各关键部位的温度阀值进行研究。主要包括:活塞散热量、第一环槽润滑油结焦温度、活塞质量、裙部摩擦力、顶部材料的高温强度、不同材料间的接触面配合、裙部配缸间隙。利用多目标优化的方法,构建活塞热流整体满意度评价模型。利用此模型对研究的各隔热组合方案进行满意度评价。根据正交法分析的结果优化活塞结构,得到三种较为合理的热流分配活塞。在此基础上,考虑活塞实际工况下的使用和加工工艺要求,优化活塞顶部燃烧室和内部接触面,确定最终的复合隔热结构活塞,满意度为0.69,较初始结构提高0.12。