基于温度场对CZ380柴油机活塞优化设计

为了降低活塞的表面温度，提高活塞结构的质量以及耐久性能，本文以船用柴油机CZ380活塞作为研究对象，对活塞进行尺寸计算以及确定活塞的温度、换热条件。再通过CATIA软件建立活塞三维模型，分析活塞的结构和材料等因素对活塞温度场、变形的影响，从而对活塞的结构进行改进。本文的仿真结果较为合理地反映了柴油机稳态工作的情况。对柴油机活塞的分析优化，为进一步的研究提供了有力的指导意义。

活塞是内燃机的最重要零部件之一，它的工作状况能够影响到发动机的性能、工作可靠性和排放性等指标[1]。柴油工作过程中，使燃料进入燃烧室进行燃烧，在巨大的爆发压力下，推动活塞进行往复运动，紧接着在高温高压下带动曲柄连杆机构，推动曲轴旋转对外做功，将热能转化成机械能。活塞不仅身处恶劣的工作环境，而且活塞组在发动机中也是工作量最大的，不断地进行着往复运动。活塞还要承受高温和机械负荷，润滑条件也极为苛刻。因此活塞在高温下的可靠性和耐热性极为重要。柴油机活塞往往由于耐热性失效而出现一些问题：活塞变形量增大，导致活塞组件之间以及活塞组件与汽缸之间摩擦增大，严重时甚至会产生拉缸现象[2]；除此之外，由于耐热性能的下降，活塞顶部的温度过高，使得燃烧室出现烧灼现象，活塞的材料的机械强度显著下降，从而降低活塞的使用寿命。随着柴油机制造技术的不断发展，对柴油机活塞材料的选用、结构优化越来越引起业界的高度关注。除此之外，柴油机的发展方向也越来越以节能环保为核心，在保证排放以及可靠性的前提之下，充分提高柴油机大功率、低摩擦、散热性能好等方面。因此，合理的设计优化活塞和采用适当的工艺对发动机整体性能是至关重要的[3]。

本文通过在CATIA 中对活塞进行建模，并对其进行有限元分析，对活塞结构进行优化，有效降低了活塞的表面温度以及提高了活塞的耐热性能。

2. 活塞的结构设计 2.1. 活塞的基本结构和尺寸 如图1 所示，活塞的基本结构包括头部、裙部和销座三个部分。柴油机活塞顶部燃烧室往往采用ω形凹顶燃烧室，有利于可燃混合气的混合和燃烧。活塞的头部主要是由活塞顶面、顶岸和环带组成，环带又由环岸和环槽组成。油环槽中具有回油孔，将油环刮下油通过活塞内腔，再流回油底壳[4]。

Figure 1. Structure of piston 图1. 活塞的结构