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某发动机活塞内腔冷却改进

吴志鹏蓝宇翔（广西玉柴机器股份有限公司工程研究院CAE室广西玉林537005）

摘要：某型号柴油发动机活塞在试验开发过程中存在着活塞温度过高，一环槽机油结碳较为严重。

为此在该活塞内腔内增加了两个冷却盲孔。通过计算，证明增加冷却盲孔后，降低了活塞的温度，对

活塞的强度和刚度都有一定程度的改善。后经过试验证明，活塞结碳量有所减少。

关键词：活塞；冷却盲孔；Abaqus。

1前言

某型号柴油发动机活塞在试验开发过程中存在着活塞温度过高，一环槽机油结碳比较

多。为了降低此处温度，在该活塞内腔增加了两个冷却盲孔，本文通过Abaqus对活塞进

行强度、刚度有限元分析，进行活塞更改前后强度刚度对比。

增加此两

冷却盲孔

图1活塞内腔增加冷却盲孔

2有限元模型和边界条件

2.1参数

2.1.1柴油机性能参数

缸径D=73.5mm

行程S=83mm标定转速n=4200r/min

最大爆发压力PBZ=15.5MPa

2.1.2其它参数

曲柄半径R=41.5mm

连杆长度L=132mm

2.2有限元模型

有限元模型包括活塞、活塞销、连杆体，连杆强度另有计算，在此进行简化处理，只

取上段，有限元模型单元是10节点四面体单元。模型的节点数及单元数见表1，有限元

模型见图1、图2。

有限元网格用Hypermesh软件划分，在Abaqus/CAE里施加边界条件，用Abaqus求

解。

表1原型方案和改进方案的节点数和单元数

零件单元数节点数

原活塞/改进活塞98770/97568124554/122528

活塞销62407644

连杆44748863

2.3材料特性

表2～3是材料有关参数，活塞材料特性：略

表2活塞镶圈材料特性

温度杨氏模量(MPa)抗拉强度屈服强度热传导系数

(°C)(MPa)(MPa)（W/m.K）

200.10000.17014031.8

表3材料特性

零件材料弹性模量(MPa)密度(T/mm

3)泊松比

活塞铝见表22.7e-90.32

活塞销20CrMnTi2.06×10

57.82e-90.29

连杆C70S62.06×10

57.82e-90.29

2.4边界条件

计算分为温度场计算和热应力+机械载荷计算

活塞温度场按第三类边界条件进行计算，即通过给定流体介质的温度和换热系数进

行，边界条件如表4所示。

表4温度场计算边界条件

位置

换热系数

W/（m2K）介质温度位置

2K）介质温度位置

换热系数

W/（m2K）介质温度

2K）介质温度

顶部边缘700950第3环顶部130090

顶部中央9001000第3环内侧88090

喉口9901150第3环底部140085

燃烧室1区93011003-4环上岸20085

1

燃烧室2区5509803-4环下岸22085

燃烧室3区570880第4环顶部110085

燃烧室中心区550970第4环内侧90090

燃烧室中心螺孔6501000第4环底部150090

火力岸上部45090第4环下岸18090

火力岸下部20090卸油孔250100

第1环顶部120090裙部170090

第1环内侧100090裙部240090

第1环底部160090底部200100

1-2环岸20090内腔顶部2800100

第2环顶部125090内腔中部1800100

第2环内侧90090内腔底部900100

第2环底部135090销孔70100

2-3环岸20090销孔底部油孔70100

机械载荷为燃烧上止点工况，燃烧上止点工况如图3所示，活塞销轴向为Z方向，

活塞轴向为Y方向，活塞与镶圈之间、连杆与活塞销之间、活塞与活塞销之间全部用Slide

连接。在经过活塞销孔中心的垂直面上，取活塞内腔顶部两节点约束活塞的活塞销轴向（水

平Y）方向；取活塞内腔顶部两节点、两边裙底各两点约束水平X向；取垂直面与活塞

销横载面相交边上下两节点约束活塞销的轴向X及Y两水平方向；约束连杆底面XYZ

方向，如图2所示，整个模型加施加惯性力。

燃烧上止点工况需要施加燃气压应力，通过用AVL/Boost计算该发动机的示功图，

在曲轴传角5度时，爆压最大，按AVL/Glide的计算结果，曲轴转角5度时，第一、二、

三环岸的气体压应