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【摘 要】文章比較了几种典型的活塞温度场分析方法。在三维软件中建立增压汽油发动机活塞的三维几何模型，利用有限元分析软件进行网格划分、区域划分和建立传热学分析模型，按照第三类热边界条法赋予边界条件并进行活塞温度场的计算。同时，用硬度塞测温法进行活塞的温度场测试，根据试验的结果，修改仿真模型直至仿真结果与试验结果相吻合。得出与实际接近的活塞整体的温度分布情况，分析和总结了活塞温度场的分布规律，评估活塞工作的安全性。
【关键词】增压汽油机；活塞；温度场；仿真；试验
【中图分类号】TK413 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）04-0043-03
0 引言
为应对全球气候变暖和环境恶化，提高国家的能源安全，国家整车油耗法规的日益严厉，为落实《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》的要求，实现2020年国产乘用车平均油耗降至5.0 L/100 km的目标，第四阶段标准进一步提升了单车燃料消耗量限值和企业平均目标值的要求，对单车和企业同时进行考核。各发动机和汽车制造公司为应对油耗法规，想尽各种方法降低发动机的燃油耗。在这些方法中，通过涡轮增压增加发动机的平均有效压力和适当小型化，降低摩擦是目前汽车公司和发动机公司一种的常见且有效的技术路径。相对于自然吸气的发动机而言，增压汽油机由于功率密度提高，爆发压力的增大，在发动机实际开发中，设计者往往过于注重活塞强度的设计，而对温度导致的变形疲劳破坏重视不够。根据开发经验，由热载荷引起的热疲劳是导致活塞破坏的主要因素。因此，随着发动机热负荷的增加，作为热能转化为机械能的关键零件活塞，其工作中的温度场尤其应该加以重视。因此，在增压发动机的设计中，对活塞温度场分布进行准确的分析，得到活塞的温度分布情况，可以为活塞的设计和改进提供有力的依据，达到改善发动机的工作耐久性的目的。
1 几种常用的活塞温度场分析方法及选择
为考察活塞工作时的温度及分布水平，开发者通常使用的方法为流固耦合分析、硬度塞测温法测试、无线传感器测温、第三类热边界条法仿真计算等。
1.1 流固耦合分析法
随着计算机技术在工程领域的应用，目前通过使用三维流体仿真软件，可以计算得到活塞不同工况条件下各工作边界的介质温度和换热系数等数据，随后将这些节点上的参数映射到对应的活塞表面，通过稳态或瞬态的传热计算得到活塞工作的温度场。目前，这种方法在研发中有不少的应用，其优点是可以对发动机多种工况条件下的活塞温度进行预测分析，在设计阶段就得到计算结果，可以进行预测分析活塞的温度分布情况，从而预测活塞的工作安全性。但由于活塞工作边界的复杂性，计算量大，且该方法受到流体计算结果的准确性限制，因此在发动机开发中的应用受到制约。
1.2 硬度塞测温法测试
淬火钢经过常规加热、保温，并以一定的冷却方式冷却，在一定温度下回火，可获得预期的强度和硬度。利用材料这一特性和规律，将一定形状的淬火钢放入某一低于临界点的、变化的、非均一的温度场中加热保温，即可获得一定的、不同的回火硬度。若将一系列回火温度和回火后硬度绘制成“温度—硬度关系曲线”作为标准，那么，在知其回火后硬度后，根据“温度—硬度关系曲线”，就可查出所对应的回火温度。在实际发动机开发中，人们在试验的活塞上，安装上标准的硬度塞，确保发动机按照预定的工况（通常是较为恶劣的工况）运转预定的时间并平缓停机，试验后检测硬度塞的温度，根据“温度—硬度关系曲线”就能得出活塞该位置的工作温度。该方法在开发中也有使用。如果能确保硬度塞在热处理、安装和试验中的条件，硬度塞测温法的检测结果还是比较准确的，但是由于硬度塞不能在同一个活塞中安装过多，影响活塞本身的热传递条件，其测点数量有限，不能预测整个活塞范围内的温度分布情况，且实时性较差，不能实现在设计阶段就对活塞温度的整体分布进行分析和评估。
1.3 无线传感器测温
在活塞中埋入无线传感器，发动机运行时，传感器的温度测量结果通过无线装置实时传输出来，利用在发动机外的设备进行接收和处理，就能得到发动机实际运转过程中，传感器布置点的温度信息。该方法的优点是可以考察多工况，且温度测量结果准确。缺点是成本较高，试验复杂，受安装条件限制，测点有限等。
1.4 第三类热边界条法仿真计算
通过利用以往开发试验结果和计算经验，对活塞工作边界进行划区，对所划分区域赋予传热的相关边界条件，计算得到活塞的温度分布情况。该方法可以快速地计算出活塞的温度分布情况，且具有一定的参考意义。但是由于发动机的差异，赋予的边界条件往往有偏差，可能会与实际工作情况相差较大。
1.5 活塞温度场分析方法的选择
在发动机的活塞实际工程开发中，往往只关注最恶劣的工况，只要在最恶劣工况条件下发动机活塞的工作温度没有超出材料温度的许可值，即可以认为零件是安全的。本文以开发中的某增压汽油发动机的活塞为主要研究对象，建立了活塞的三维几何模型，利用有限元分析软件建立传热学模型，考虑到当发动机处于稳定工况时，活塞温度场近似于稳态，因此按照第三类热边界条法进行计算，即通过给出换热系数和介质温度，模拟活塞的温度分布情况。同时，使用硬度塞测温法进行活塞的温度场测试试验，得出关注点的温度值，再根据试验的温度数值结果，反复修改仿真模型，直至仿真结果与试验结果吻合，从而得出与实际接近的活塞整体的温度分布情况，评估活塞的安全性。由于是根据试验的实测数据对计算模型进行修正，计算模型经过实际试验校正后，其计算结果能较为准确地反映实际工作中的温度分布情况。
2 有限元模型的建立
在CATIA中建立活塞的三维模型，考虑到开发中的活塞无论主副推力面或销孔轴向前后方向，活塞都是非对称的，因此将活塞的全数模用hypermesh进行网格划分后导入ABAQUS中，对活塞表面的工作边界进行划区，整个活塞总共划分为33个区域。随后，使用第三类热边界条法，对所划分区域赋予传热的相关边界条件建立有限元模型，并对其进行计算求解。活塞材料的参数见表1。 3 硬度塞测温试验
为测试关注点的活塞温度，活塞温度测试中温度塞的布置需要慎重考虑。硬度塞在试验中有可能由于加工、安装稍有不慎而脱落，导致试验失败，且过多的布置硬度塞会影响传热。考虑到由于燃烧室中心是热量的输入区域，因此附近区域往往是活塞温度最高的部位。由于活塞的正反推力面受压而导致顶面沿销孔方向应力相对进排气侧区域大，活塞顶部沿销孔中心位置的温度是开发过程中关注最多的部位。同时，为防止润滑油结焦，各环槽及环岸附近的温度不能超过润滑油的使用许可值。综合考虑上述原因及经验，在图1中所示位置埋入总共7颗硬度塞用以进行活塞温度考察试验。
从发动机运行工况特点分析，发动机工作时，在总的热量（燃油消耗量）输入越大的工况下，活塞温度往往越高，因此选用发动机的额定功率点进行活塞工作温度测试试验，测量该工况条件下活塞的温度。该工况下活塞温度测试和分析结果如果不超出材料许用的温度值，则其他工况条件下，活塞往往处于较为安全的状态。试验中发动机试验运行步骤和工况时间根据硬度塞的材料特性要求设置，以得到较为准确的结果。润滑油和冷却液温度根据技术条件确定，试验后的活塞如图2所示。
试验后检查，所埋的硬度塞完好，无松脱及其他异常情况，试验是有效的。经过试验后，先将硬度塞放到电子显微硬度计下测量其硬度，每个硬度塞测量4个值，取平均值。然后根据材料的“硬度—温度标准曲线”求出活塞该点的温度。
4 活塞温度场校正及计算分析
根据实际测试的结果，对计算模型进行反复调整。因为发动机冷却液温度、润滑油的温度是较为稳定的，所以主要调整计算模型中活塞顶部的相关参数，直至每个测点的温度计算值与实际测量值的误差在1 ℃之内，则认为模型与活塞实际工作条件相符。模型校正后的活塞温度场计算结果如图3所示。
从仿真模型校正后的计算分析结果可以得知，活塞工作的温度场具有以下特点。
（1）活塞的工作温度大致呈中间高、主副推力侧低，活塞上部温度高、往下逐渐降低的分布。其中，排气侧温度比进气侧温度稍高。一环槽及以上的温度梯度较大；主副推理侧温度大致呈对称状态。
（2）活塞工作的最高温度位于活塞顶中央，最高温度为227.6 ℃，这与该部位离燃烧中心距离较近有关。活塞的工作温度小于材料的许用温度（320 ℃），能够满足发动机的工作要求，且处于理想的范围内，比预期要好，分析其原因，应该是活塞采用了冷却喷嘴，对活塞内腔采取了强制冷却导致。
（3）活塞的最低温度位于进气侧裙部底端，温度为110.5 ℃，接近冷却液及润滑油的温度。这是由于环槽对传热的隔断，热能输入距离远，且裙部贴合在缸套上，内部润滑油进行冷却，散热条件较好所导致。
（4）重点关注的一环槽及火力岸的工作温度小于润滑油开始结焦的温度（220 ℃）[1]，润滑油结焦的风险较低。
5 结语
建立了有限元的传热模型，并通过活塞温度场试验，对模型進行校正后，得到较为可信的活塞温度场分布情况及其大致分布规律。可以得知，所开发活塞的工作温度处于材料许用范围内，活塞结构及热失效风险较小，活塞环槽及环岸温度小于润滑油结焦温度，润滑油结焦的风险较小。活塞的温度分析和试验研究，为活塞的设计及改进提供了强有力的依据。
参 考 文 献
[1]杨睿.润滑油结焦行为的实验室评价[J].石油学报（石油加工），2013（5）：813-817.
[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]张云飞.汽油机活塞热机耦合分析及其试验研究[D].长沙：湖南大学，2014.
【关键词】增压汽油机；活塞；温度场；仿真；试验
【中图分类号】TK413 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）04-0043-03
0 引言
为应对全球气候变暖和环境恶化，提高国家的能源安全，国家整车油耗法规的日益严厉，为落实《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》的要求，实现2020年国产乘用车平均油耗降至5.0 L/100 km的目标，第四阶段标准进一步提升了单车燃料消耗量限值和企业平均目标值的要求，对单车和企业同时进行考核。各发动机和汽车制造公司为应对油耗法规，想尽各种方法降低发动机的燃油耗。在这些方法中，通过涡轮增压增加发动机的平均有效压力和适当小型化，降低摩擦是目前汽车公司和发动机公司一种的常见且有效的技术路径。相对于自然吸气的发动机而言，增压汽油机由于功率密度提高，爆发压力的增大，在发动机实际开发中，设计者往往过于注重活塞强度的设计，而对温度导致的变形疲劳破坏重视不够。根据开发经验，由热载荷引起的热疲劳是导致活塞破坏的主要因素。因此，随着发动机热负荷的增加，作为热能转化为机械能的关键零件活塞，其工作中的温度场尤其应该加以重视。因此，在增压发动机的设计中，对活塞温度场分布进行准确的分析，得到活塞的温度分布情况，可以为活塞的设计和改进提供有力的依据，达到改善发动机的工作耐久性的目的。
1 几种常用的活塞温度场分析方法及选择
为考察活塞工作时的温度及分布水平，开发者通常使用的方法为流固耦合分析、硬度塞测温法测试、无线传感器测温、第三类热边界条法仿真计算等。
1.1 流固耦合分析法
随着计算机技术在工程领域的应用，目前通过使用三维流体仿真软件，可以计算得到活塞不同工况条件下各工作边界的介质温度和换热系数等数据，随后将这些节点上的参数映射到对应的活塞表面，通过稳态或瞬态的传热计算得到活塞工作的温度场。目前，这种方法在研发中有不少的应用，其优点是可以对发动机多种工况条件下的活塞温度进行预测分析，在设计阶段就得到计算结果，可以进行预测分析活塞的温度分布情况，从而预测活塞的工作安全性。但由于活塞工作边界的复杂性，计算量大，且该方法受到流体计算结果的准确性限制，因此在发动机开发中的应用受到制约。
1.2 硬度塞测温法测试
淬火钢经过常规加热、保温，并以一定的冷却方式冷却，在一定温度下回火，可获得预期的强度和硬度。利用材料这一特性和规律，将一定形状的淬火钢放入某一低于临界点的、变化的、非均一的温度场中加热保温，即可获得一定的、不同的回火硬度。若将一系列回火温度和回火后硬度绘制成“温度—硬度关系曲线”作为标准，那么，在知其回火后硬度后，根据“温度—硬度关系曲线”，就可查出所对应的回火温度。在实际发动机开发中，人们在试验的活塞上，安装上标准的硬度塞，确保发动机按照预定的工况（通常是较为恶劣的工况）运转预定的时间并平缓停机，试验后检测硬度塞的温度，根据“温度—硬度关系曲线”就能得出活塞该位置的工作温度。该方法在开发中也有使用。如果能确保硬度塞在热处理、安装和试验中的条件，硬度塞测温法的检测结果还是比较准确的，但是由于硬度塞不能在同一个活塞中安装过多，影响活塞本身的热传递条件，其测点数量有限，不能预测整个活塞范围内的温度分布情况，且实时性较差，不能实现在设计阶段就对活塞温度的整体分布进行分析和评估。
1.3 无线传感器测温
在活塞中埋入无线传感器，发动机运行时，传感器的温度测量结果通过无线装置实时传输出来，利用在发动机外的设备进行接收和处理，就能得到发动机实际运转过程中，传感器布置点的温度信息。该方法的优点是可以考察多工况，且温度测量结果准确。缺点是成本较高，试验复杂，受安装条件限制，测点有限等。
1.4 第三类热边界条法仿真计算
通过利用以往开发试验结果和计算经验，对活塞工作边界进行划区，对所划分区域赋予传热的相关边界条件，计算得到活塞的温度分布情况。该方法可以快速地计算出活塞的温度分布情况，且具有一定的参考意义。但是由于发动机的差异，赋予的边界条件往往有偏差，可能会与实际工作情况相差较大。
1.5 活塞温度场分析方法的选择
在发动机的活塞实际工程开发中，往往只关注最恶劣的工况，只要在最恶劣工况条件下发动机活塞的工作温度没有超出材料温度的许可值，即可以认为零件是安全的。本文以开发中的某增压汽油发动机的活塞为主要研究对象，建立了活塞的三维几何模型，利用有限元分析软件建立传热学模型，考虑到当发动机处于稳定工况时，活塞温度场近似于稳态，因此按照第三类热边界条法进行计算，即通过给出换热系数和介质温度，模拟活塞的温度分布情况。同时，使用硬度塞测温法进行活塞的温度场测试试验，得出关注点的温度值，再根据试验的温度数值结果，反复修改仿真模型，直至仿真结果与试验结果吻合，从而得出与实际接近的活塞整体的温度分布情况，评估活塞的安全性。由于是根据试验的实测数据对计算模型进行修正，计算模型经过实际试验校正后，其计算结果能较为准确地反映实际工作中的温度分布情况。
2 有限元模型的建立
在CATIA中建立活塞的三维模型，考虑到开发中的活塞无论主副推力面或销孔轴向前后方向，活塞都是非对称的，因此将活塞的全数模用hypermesh进行网格划分后导入ABAQUS中，对活塞表面的工作边界进行划区，整个活塞总共划分为33个区域。随后，使用第三类热边界条法，对所划分区域赋予传热的相关边界条件建立有限元模型，并对其进行计算求解。活塞材料的参数见表1。 3 硬度塞测温试验
为测试关注点的活塞温度，活塞温度测试中温度塞的布置需要慎重考虑。硬度塞在试验中有可能由于加工、安装稍有不慎而脱落，导致试验失败，且过多的布置硬度塞会影响传热。考虑到由于燃烧室中心是热量的输入区域，因此附近区域往往是活塞温度最高的部位。由于活塞的正反推力面受压而导致顶面沿销孔方向应力相对进排气侧区域大，活塞顶部沿销孔中心位置的温度是开发过程中关注最多的部位。同时，为防止润滑油结焦，各环槽及环岸附近的温度不能超过润滑油的使用许可值。综合考虑上述原因及经验，在图1中所示位置埋入总共7颗硬度塞用以进行活塞温度考察试验。
从发动机运行工况特点分析，发动机工作时，在总的热量（燃油消耗量）输入越大的工况下，活塞温度往往越高，因此选用发动机的额定功率点进行活塞工作温度测试试验，测量该工况条件下活塞的温度。该工况下活塞温度测试和分析结果如果不超出材料许用的温度值，则其他工况条件下，活塞往往处于较为安全的状态。试验中发动机试验运行步骤和工况时间根据硬度塞的材料特性要求设置，以得到较为准确的结果。润滑油和冷却液温度根据技术条件确定，试验后的活塞如图2所示。
试验后检查，所埋的硬度塞完好，无松脱及其他异常情况，试验是有效的。经过试验后，先将硬度塞放到电子显微硬度计下测量其硬度，每个硬度塞测量4个值，取平均值。然后根据材料的“硬度—温度标准曲线”求出活塞该点的温度。
4 活塞温度场校正及计算分析
根据实际测试的结果，对计算模型进行反复调整。因为发动机冷却液温度、润滑油的温度是较为稳定的，所以主要调整计算模型中活塞顶部的相关参数，直至每个测点的温度计算值与实际测量值的误差在1 ℃之内，则认为模型与活塞实际工作条件相符。模型校正后的活塞温度场计算结果如图3所示。
从仿真模型校正后的计算分析结果可以得知，活塞工作的温度场具有以下特点。
（1）活塞的工作温度大致呈中间高、主副推力侧低，活塞上部温度高、往下逐渐降低的分布。其中，排气侧温度比进气侧温度稍高。一环槽及以上的温度梯度较大；主副推理侧温度大致呈对称状态。
（2）活塞工作的最高温度位于活塞顶中央，最高温度为227.6 ℃，这与该部位离燃烧中心距离较近有关。活塞的工作温度小于材料的许用温度（320 ℃），能够满足发动机的工作要求，且处于理想的范围内，比预期要好，分析其原因，应该是活塞采用了冷却喷嘴，对活塞内腔采取了强制冷却导致。
（3）活塞的最低温度位于进气侧裙部底端，温度为110.5 ℃，接近冷却液及润滑油的温度。这是由于环槽对传热的隔断，热能输入距离远，且裙部贴合在缸套上，内部润滑油进行冷却，散热条件较好所导致。
（4）重点关注的一环槽及火力岸的工作温度小于润滑油开始结焦的温度（220 ℃）[1]，润滑油结焦的风险较低。
5 结语
建立了有限元的传热模型，并通过活塞温度场试验，对模型進行校正后，得到较为可信的活塞温度场分布情况及其大致分布规律。可以得知，所开发活塞的工作温度处于材料许用范围内，活塞结构及热失效风险较小，活塞环槽及环岸温度小于润滑油结焦温度，润滑油结焦的风险较小。活塞的温度分析和试验研究，为活塞的设计及改进提供了强有力的依据。
参 考 文 献
[1]杨睿.润滑油结焦行为的实验室评价[J].石油学报（石油加工），2013（5）：813-817.
[2]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社，2006.
[3]张云飞.汽油机活塞热机耦合分析及其试验研究[D].长沙：湖南大学，2014.