【正文】 。 38 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 致 謝 本文是在導(dǎo)師 閆妍 的悉心指導(dǎo)下完成的。所有的工作都完成了就等著畢 業(yè)答辯了。 37 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 總結(jié)和體會(huì) 在 用 Ansys 軟件對(duì)活塞熱力耦合過(guò)程 中，我遇到了不少問(wèn)題，有些是超出自己的能力范圍的，每當(dāng)無(wú)法實(shí)現(xiàn) 自己的想法或是運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，情緒就會(huì)浮躁，在同學(xué)和老師的幫助下，經(jīng)過(guò)努力，終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)?；钊^部的變形比活塞僅受熱負(fù)荷時(shí)小 。 （ 2） 表 61列舉了活塞材料 ZL109隨溫度變化的強(qiáng)度，參考表 61我們分析在溫度載荷作用下，活塞膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力和 熱變形，熱應(yīng)力的最大值 ()，出現(xiàn)在有環(huán)槽的下部，遠(yuǎn)小于活塞材料的屈服強(qiáng)度；由于溫度梯度較大，活塞內(nèi)腔頂部中央，油環(huán)槽下沿?zé)釕?yīng)力都比較高。 圖 58 活塞熱力 耦合 云圖 圖 59 活塞內(nèi)腔熱力耦合云圖 圖 510 活塞 熱力耦合位移云圖 圖 511 活塞 熱力耦合內(nèi)腔 耦合位移云圖 34 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 512 活塞熱力耦合外形變化 本章小結(jié) 本章分析了活塞的熱應(yīng)力和熱變形，分析了對(duì)活塞應(yīng)力和變形有主要影響的機(jī)械負(fù)荷，確定了機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷綜合分析的邊 界條件，進(jìn)行了有限元分析，得到以下結(jié)論： 活塞僅受熱負(fù)荷時(shí)，熱應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在油環(huán)槽的下部外側(cè)，和活塞內(nèi)腔頂面，其值為： ?；钊麅?nèi)腔頂部中心綜合應(yīng)力相對(duì)較小，因?yàn)橹皇艿綗釕?yīng)力的作用，受到機(jī)械 載荷的影響較小。其中高溫燃?xì)鈮毫?Fg，裙部法向壓力 Fn，活塞往復(fù)慣性力 Fj和連桿通過(guò)活塞銷(xiāo)對(duì)活塞銷(xiāo)座的支反力 Fb，如圖 56所示： FnFjFbFg 圖 56 活 塞受力分析 活塞頂氣體壓力 由示功圖 21知，曲軸轉(zhuǎn)角 80時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)最大壓力 PC = ，此時(shí)活塞頂受到的氣體總壓力為： 0()gcF p p A?? (51) 式中： Pc為最高燃?xì)獾慕^對(duì)壓力 。第一環(huán)槽的溫度 ： ，超出了潤(rùn)滑油的結(jié)膠溫度，長(zhǎng)期在此負(fù)荷下工作的話，會(huì)在此處引起潤(rùn)滑油結(jié)膠，結(jié)碳等問(wèn)題。 從第一道活塞環(huán)槽到活塞裙部溫度逐漸降低，第二道活塞環(huán)平均溫度為：，第三道環(huán)的溫度： 519K左右，油環(huán)溫度由于受到噴油冷卻的影響其溫度在： ，活塞裙部的溫度較低為： 。 圖 41 活塞整體和半剖模型 圖 42 導(dǎo)入 ANSYS 后劃分網(wǎng)格 22 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 活塞溫度場(chǎng)邊界條件 活塞的溫度邊界條件 根據(jù)已有的研究成果和相似機(jī)型 2120柴油機(jī)的邊界條件 [14~16]，估算得出2100T活塞在缸內(nèi)溫度最高時(shí)的邊界條件如表 41: 表 41 活塞邊界條件 邊界對(duì)應(yīng)區(qū)域 對(duì)流換熱系數(shù)( KmW ?2/ ) 環(huán)境溫度（ K） 燃燒室 喉口 435 940 側(cè)面 420 底部 420 頂部 420 936 火力岸 260 480 第一環(huán) 上沿 600 470 內(nèi)沿 500 下沿 1500 第一環(huán)和第二環(huán)之間環(huán)岸 500 465 第二環(huán) 上沿 650 460 內(nèi)沿 500 下沿 650 第二環(huán)和第三環(huán)之間的環(huán)岸 500 440 第三環(huán) 上沿 750 435 內(nèi)沿 500 23 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 活塞溫度場(chǎng)有限元分析 在前面的有限元模型基礎(chǔ)上，在 ANSYS中輸入活塞材料特性，加載表 41中的邊界條件，進(jìn)行活塞的溫度場(chǎng)計(jì)算，經(jīng)多次修正，在后處理器中得到了如下結(jié)果。內(nèi)燃機(jī)的活塞，只從機(jī)械強(qiáng)度方面來(lái)衡量往往是不夠的，還必須考慮適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力狀態(tài)。 圖 32 梯形環(huán) 結(jié)構(gòu)示意圖 為了進(jìn)一步減少和消除有害的泵油作用，第二 環(huán)采用正扭曲矩形環(huán)，第三環(huán)采用反扭曲矩形環(huán)。油環(huán)的主要作用是：使氣缸壁面的潤(rùn)滑油分布均勻，并避免多余的潤(rùn)滑油竄入燃燒室，造成積炭和增大潤(rùn)滑油的消耗量。一方面為了保證油環(huán)工作狀況良好，則環(huán)在槽中的軸向間隙很小，另一方面間隙小會(huì)由于銷(xiāo)座的變形而使油環(huán)卡住而失效。 16 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 環(huán)帶的高度 h2取決于氣環(huán)和油環(huán)的數(shù)目以及各環(huán)槽和環(huán)岸的高度。 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞頭部設(shè)計(jì) a 圖 31活塞結(jié)構(gòu)尺寸 H總高度 H1壓縮高度 h3上裙高度 h4孔銷(xiāo)高度 H2裙長(zhǎng) h1火力岸高度 h2環(huán)帶高度 c1環(huán)岸高度 b1氣環(huán)環(huán)槽高度 b2油環(huán)環(huán)槽高度 如圖 31 可看出活塞頭部包括頂部和環(huán)帶部?jī)刹糠帧５撬牟牧厦芏却?，在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，質(zhì)量大，不適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。并將 活 10 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 塞 模型圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程圖并結(jié)合 CAD 軟件，完成 其圖樣的繪制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。 (4)二甲醚的沸點(diǎn)溫度 (24℃ )低，噴入氣缸后的霧化速度比柴油快的多，燃燒品質(zhì)也好的多。 二甲醚 (DME)具有燃料的主要性質(zhì)，其熱值約為 kJ／ m3，且其自 身含氧，能夠充分燃燒，不析碳、無(wú)殘液， 是最簡(jiǎn)單的醚類化合物，常溫下為氣態(tài)中壓下為液態(tài)。 表 11 歐洲重型車(chē)用柴油機(jī)排放限值 排放標(biāo)準(zhǔn) 歐洲 1 歐洲 2 歐洲 31) 歐洲 3 測(cè)試循環(huán) ECE R49 ECE R49 ESC ETC 生效日期 1992年 1996年 2021年 2021年 CO HC NMHC CH4 NOx PT ) ) ) ) 1）還有 動(dòng)態(tài)煙度限值 ； 2）適用于額定功率不大于 85kW的柴油機(jī)； 3）適用于單缸工作容積小于 ，額定轉(zhuǎn)速大于 3000r/min的柴油機(jī)。美國(guó)自從本世紀(jì) 40年代加州的洛杉磯光化學(xué)煙霧事件以后，首先認(rèn)識(shí)到汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)是城市空氣污染的主要來(lái)源。政府部門(mén)及其內(nèi)燃機(jī)相關(guān)行業(yè)正在大力對(duì)這一有著重大意義的課題開(kāi)展研究。 所以我們可看出柴油機(jī)改用二甲醚為燃料越來(lái)越受人們所關(guān)注。 20世紀(jì) 50年代以后，全世界經(jīng)歷了三次重大的石油危機(jī)，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開(kāi)始關(guān)注起世界能源危機(jī)問(wèn)題。 關(guān)鍵詞 :二甲醚 活塞 熱力 耦合 有限元 The design of 2100T DME engine piston Abstract This paper analyzed the use of DME engine status and benefits of alternative fuels , DME engine piston designed under the DME fuel special physical and chemical properties, and piston thermal and mechanical loads are coupled analysis by using ANSYS finite element software . Providing a scientific basis of 2100T DME engine piston durability and reliability. The results showed that the piston’s temperature distribution is uniform , the maximum temperature reached nearly 100K, which led inside the piston has a great thermal stress . Analysis of maximum thermal stress of the piston cavity in the top of the piston by ANSYS software . Also conducted a piston coupled thermal analysis and the results found in this design for the 2100T piston , which meeting the strength requirements. Keywords:DME Piston Thermal coupling FEM 4 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 緒論 能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，化石能源（主要指石油、煤、天然氣）仍是當(dāng)今世界的主要能源。 2021年 9月西安交大和山東久泰聯(lián)合開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)油、 二甲醚 混合燃料客車(chē) [1]。在對(duì)現(xiàn)有能源采取更有效地省油措施之外 ,還需要積極主動(dòng)的研究和發(fā)展新型清潔代 用能源。美曰歐各國(guó)既是世界汽車(chē)工業(yè)的先驅(qū)，同時(shí)也在控制汽車(chē)排放方面居世界領(lǐng)先地位。 表 11為歐洲重型車(chē)用柴油機(jī)排放限值 。根據(jù)我國(guó)自然條件和能源資源特色，如何在后石油時(shí)代，逐步改變汽車(chē)能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展汽車(chē)清潔代用燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)高效、低污染的燃燒，控制汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放對(duì)我國(guó)城市大氣質(zhì)量帶來(lái)的日趨嚴(yán)重的影響，已成為我國(guó)能源與環(huán)境研究中的一個(gè)十分重大和緊迫的研究課題。 （ 3)二甲醚汽化潛熱 （ 460KJ/Kg） 幾乎是柴油 (250KJ/kg)的兩倍， 可以大幅 9 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 降低最高燃燒溫度， NOx的排放 。 (2) 應(yīng)用軟件 PRO/E 對(duì) 活塞 進(jìn)行實(shí)體建模，并進(jìn)行模擬的運(yùn)動(dòng)分析。 （ 4） 重量輕 活塞材料選擇 活塞工作時(shí)，由于承受極高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，對(duì)活塞的材料有以下要求： 強(qiáng)度高、重量輕、良好的滑動(dòng)性絕熱和導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)小良好的耐磨和耐腐蝕性根據(jù)現(xiàn)有機(jī)型，常用的活塞材料有： 1)灰口鑄鐵 灰口鑄鐵是較早應(yīng)用于活塞的制造材料，它有：耐磨，耐蝕，耐熱，熱強(qiáng)度好，膨脹系數(shù)小，成本低，工藝性好等優(yōu)點(diǎn)。 參照相似機(jī)型，對(duì) 2100T二甲醚 發(fā) 動(dòng)機(jī)的活塞，選用了 ZL109共晶硅合金。 即：活塞 h1=20mm。 又由：鋁合金 [σ]=26N/mm2 得： 氣環(huán)槽高 b1=；油環(huán)環(huán)槽高 b2=4mm；環(huán)岸 C1=4mm 活塞裙部設(shè)計(jì) 活塞銷(xiāo)上部的裙部長(zhǎng)度是影響 H1 的另一關(guān)鍵要素。 氣環(huán)的設(shè)計(jì) 氣環(huán)的作用是 ： 1）與活塞一起密封氣缸工作腔； 2）將活塞頭部的熱量導(dǎo)出。在這方面考慮第一環(huán)選擇梯形環(huán)較為合適。一般活塞頂?shù)淖罡邷囟雀哌_(dá) 300℃ ～ 350℃ 左右，考慮到活塞處在氣缸體冷卻水套和飛濺潤(rùn)滑油 冷卻的環(huán)境下，這些情況都導(dǎo)致了活塞內(nèi)外壁的溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。活塞的頭部圓錐和橢圓形裙部 在建模過(guò)程中都未采用，大多數(shù)情況下都是用 1/2 模型進(jìn)行分析，因?yàn)檫@樣不會(huì)耗費(fèi)較多的計(jì)算和分析時(shí)間，但由于這樣會(huì)不可避免的帶來(lái)誤差，于是此次分析未考慮使用。這里與之前活塞第一環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不用矩形環(huán)相吻合，梯形環(huán)的側(cè)隙相應(yīng)發(fā)生變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出，促使間隙中的機(jī)油更新。 活塞的最高溫度出現(xiàn)在了燃燒室喉口邊緣位置，主要原因是此處高溫氣流的流速較高，且遠(yuǎn)離冷卻部位。 28 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 51 活塞熱應(yīng)力云圖 圖 52 活塞內(nèi)腔熱應(yīng)力云圖 圖 53 活塞熱應(yīng)力位移云 圖 圖 54活塞頂面熱應(yīng)力位移云圖 圖 55 Y方向上的熱位移云圖 圖 56 X方向上的熱位移云圖 29 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 活塞的機(jī)械負(fù)荷 活塞受力分析 柴油機(jī)在工作的時(shí)候，活塞承受的氣壓力和慣性力是周期性變化的，因此活塞不同部分會(huì)受到交