（动力机械及工程专业论文）发动机热平衡试验系统开发.pdf

摘要 发动机热平衡就是研究燃油放出总热量的在发动机中的分配情况，它是判断 和分析内燃机各部分的热负荷以及设计冷却系统的基础。 目前，发动机热平衡的主要研究方法为试验研究和数值仿真研究。随着计算 机技术的飞速发展，热平衡仿真计算的研究越来越多。但是，热平衡试验的研究 仍占据其不可替代的地位，原因主要表现在两个方面：首先，新型发动机基础数 据缺乏，热平衡试验能够提供全面的发动机性能描述，对于发动机的设计改进有 着重要的意义；其次，数值仿真需要试验研究对其模型的可靠性提供验证依据。 测量技术的发展得益于计算机技术、电子技术以及传感器技术的发展，基于 计算机的测试系统成为当前大型测试系统的主流方向。 本文针对缺乏基础数据的现状，以柴油机为主要研究对象，以试验测试为研 究方法，开发了基于虚拟仪器的发动机热平衡试验系统。本试验系统能够实现发 动机热平衡所需参数的测量、显示、存储以及分析，并具有远程操作的功能。 本文主要工作内容： 1 ) 热平衡试验系统方案设计，对比分析各种方案有缺点。 2 ) 针对热平衡试验中排气热量测量困难的问题，进行理论与试验的研究， 给出最优方法。 3 ) 热平衡试验台的搭建。 4 ) 热平衡试验台的应用与分析，完成w i ) 6 1 5 柴油机总功率状态下的热平衡 试验，得到热平衡图，并分析影响因素。 关键词，发动机、热平衡、试验系统 a b s t r a c t e n g i n eh e a tb a l a n c ei sd e f i n e da st h ed i s t r i b u t i o no fa l lh e a tw h i c hg i v e so u tb y f u e l i ni c e n s 出ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gh e a tl o a di np a r t so fi c ea n d d e s i g n i n gc o o u n gs y s t e m a tp r e s e n t ，r e s e a r c hm e t h o d so fe n g i n eh e a tb a l a n c ea r ee x p e r i m e n t a t i o nt e s ta n d s i m u l a t i o n m o r ea n dm o r ei n v e s t i g a t i o n sa b o u th e a tb a l a n c es i m u l a t i o nw e r e s t u d i e da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y b u tt h ee x p e r i m e n t r e s e a r c hs t i l lh o l d si ni t sn e c e s s a r ys t a t i o n t b 盯ea r et w or e a s o n s o nt h eo n eh a n d t h eb a s i cd a t ao fn e ws t y l ee l l g i n ei sl a c k i n g ，a n dh e a tb a l a n c ee x p e r i m e n tc a n a f f o r dg e n e r a ld a t af o rd e s c r i b i n gt h ei c ep e r f o r m a n c ew h i c hh a sv e r yi m p o r t a n t m e a n h a gf o rd e s i g n o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sn e c e s s a r yf o rs i m u l a t i o nt oc h e c ko u t i t sm o d e lv i ae x p e r i m e n td a t a t h i sd i s s e r t a t i o ni so nt h eb a s i so fh o s to fr e f e r e n c eb o o k s 。a i m sa tt h es h o r t a g eo f b a s i cd a t aa n dd e v e m p st h ee n g i n eh e a tb a i a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t r u m e n lt h et e s tp l a t f o r mc a na l s od i s p l a y , s a v ea n da n a l y z et h et e s t d a t aa sw e l la sl o n g d i s t a n c eo p e r a t i o n ， t h em a i nw o r k sd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 ) h a v ef i n i s h e dt h ep r o j e c td e s i g no fe n g i n eh e a tb a l a n c es y s t e ma n dc o n t r a s t e d t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hp r o j e c td e s i g n h a v ef i n i s h e dt h et h e o r ya n de x p e r i m e n tr e s e a r c ha i m e da ts o l v i n gt h e p r o b l e mo fe x h a u s th e a tw h i c hc a nn o tb em e a s u r e de x a c t l y 3 1h a v es u c c e s s f u l l yp u tu pt h et e s tr i go fe l l g i n eh e a tb a l a n c e 4 ) h a v ef i n i s h e dt h eh e a tb a l a n c ee x p e r i m e n t so fw d 6 1 5d i e s e le n g i n e ，a n d a n a l y z e dt h ee f f e c tf a c t o rv i at h em a po fh e a tb a l a n c e k e yw o r d s ：e n g i n e ；h e a tb a l a n c e ；t e s ts y s t e m 学号2 q 兰q 墨2 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 羲建 签字日期：伽年1 月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：萱鑫 新躲每与 签字日期： 枷年月却日签字日期：2 ，移年月p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：潍敷动疹哑南鼹密司 通讯地址：出香名雒伤币肚 1 笱吐； 电话；l 硝$ 3 车荜f 6 歹 邮编：上f 田f 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 2 1 世纪，世界所面临的最严峻挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环 境”已成为世界各国的首要发展战略。内燃机是石油资源的主要消耗者和最大的 空气污染源，它所消耗的燃油占石油燃料的6 0 左右，所排放的有害气体占工业 总有害排放的5 0 左右【l 】。同时，据世界能源大会数据表明，我国的石油的保有 储量仅占世界的2 4 ，从1 9 9 3 年起我国已成为石油纯进口国，2 0 0 0 年我国石 油总需求的3 3 己从国外进口，预计2 0 1 0 年我国石油总需求的4 7 需进口1 2 】。 内燃机已经过百余年的发展，是所有热机中热效率最高的动力机械，又因其 功率范围覆盖面大( 单机功率小于l k w 至4 1 0 k w ) 、转速范围宽 ( 7 0 。1 0 0 0 0 r m i n ) 、并能满足各种配套机具的需要而成为所有热机中应用最为广 泛的动力机械，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 【3 l 。目前， 车用柴油机的热效率在4 0 左右；超长行程船用柴油机的热效率在5 0 左右； 车用汽油机的热效率在3 0 左右【4 】。预计在今后相当长的时期内，内燃机因其特 有的优点仍将处于不可替代的地位。我国正面临着能源需求和环境保护的双重巨 大压力。 内燃机工作时，在燃料燃烧过程中，受燃烧气体影响的零部件不断吸收热量， 承载一定的热负荷。为保证内燃机可靠工作，这些零件必须进行散热。各个部件 及系统都存在一个最佳的工作温度区间，在此范围内零部件的各项性能指标都能 得以保证。如果冷却不足将造成零部件热损伤、配合间隙异常；机油粘度下降或 变质，丧失正常功能；充气效率下降，功率降低，排放恶化等。而冷却过度将造 成机油粘度增大，功率损耗增加；传热损失增大，热效率降低；零部件穴蚀等。 根据a v l 公司、r i c a r d o 公司等的专门研究资料表明：直喷式柴油机在全负荷状 态下，活塞、缸套、缸盖、喷油嘴等零件可靠工作的允许温度如下； 铝合金活塞：燃烧室1 ：3 3 2 0 ，头部表面2 9 0 2 4 0 ，第l 环槽2 2 0 ， 第l 环岸1 9 0 ； 铸铁缸套：1 9 0 2 0 0 ； 铸铁缸盖：底面鼻梁处3 8 0 ，最高4 0 0 ； 喷油嘴头部：2 2 0 【习。 晰江土学动力机栽反车工程碍竟所 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 内燃机设计的目标是提高发动机的动力性、经济性和可靠性。直接表现在优 化冷却系统、润滑系统以及发动机的整体设计，以便在材料允许的极限温度下， 尽可能的提高发动机热效率，并且降低排放。 自内燃机诞生以来，内燃机工作者在改进内燃机性能方面做了大量的工作。 如何检验这些研究工作的成果，需要有一个统一的量化的标准发动机的热平 衡。发动机热平衡研究的直接目的是为了确定在不同工况下燃烧放出的总热量在 发动机各部分中的分配，它是联系工作过程和强度设计的重要桥梁。 根据热力学第一定律，相当于燃料放热量的能量必须要以某种形式存在f 6 l 。 假定把燃料完全燃烧所产生的热量看作1 0 0 ，表示转变的能量如何在各部分中 进行分配称为热平衡。能量一般被分到以下四部分： ( 1 ) 有效功( 有效输出效率) ； ( 2 ) 损失到冷却介质中的热量； ( 3 ) 损失到排气中的热量； ( 4 ) 辅助机构驱动和摩擦损失以及由辐射和传导丽损失到周围环境中的热 量。 以上能量的分配情况可以用热平衡图表示出来。图1 1 给出了一种发动机热 平衡图的形式以及发动机内部热能的移动情况【”。 a - 从残余废气和排气中回收的热量； b 由气缸壁传给进气的热量； c 排出废气传给冷却水的热量； d - 在摩擦热中传给冷却水的热量； e 从排气系统辐射的热量； f - 从冷却系统和水套壁辐射的热量： g - 从曲轴箱壁和其它不冷却部分辐射的热量 图1 1 热平衡图 f i g u r e1 1 t h ee n g i n eh e a tb a l a n c e 2 晰缸土学动力瓤截反车工程研宪所 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 当然，热平衡随发动机的种类而异，同一类型的发动机也随着燃料、负荷、 转速、压缩比以及冷却水温度等运转条件的变化而变化。图1 2 为典型欧2 中型 柴油机在不同转速下的热平衡图。可以看到燃料燃烧总热量仅有3 5 - - 4 5 变为 有效功由曲轴输出，其余的热量是以排气带走、冷却水带走、机油冷却器带走以 及辐射和对流等不同的形式损失掉的。 图1 2 发动机不同转速下的热平衡图 f i g u r e1 2 e n g i n eh e a tb a l a n c ea td i f f e r e n ts p e e d s 近二十年来，随着计算机与计算技术的快速发展，对动力装置热平衡的仿真 模拟计算研究越来越多。但是，试验研究仍然有着其不可取代的地位，主要表现 在以下两方面： ( 1 ) 热平衡实验研究为发动机的性能提供精确数据。 测量是对实验对象性质的真实反映，随着传感器精度的提高、计算机技术的 飞速发展、现代先进测试技术的广泛应用，测试精度、速度、可靠性等已经不再 是实验研究的瓶颈。试验研究不仅能够提供热平衡图，从中找出提高发动机性能 的研究方向，而且可以提供所需要的发动机不同工况点下的数据。目前，发动机 普遍采用强化技术，与以前的发动机相比，其燃烧过程与冷却系统都发生了许多 变化，结构更加复杂，工作状况更加恶劣，旧的数据已经不适用于新型发动机， 对于新型发动机的设计与改进来说，基础数据的获得迫在眉睫。 ( 2 ) 热平衡实验研究为仿真模拟提供必须的验证依据。 3 晰讧土学讨力机囊反车工程碍竟荷 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 热平衡仿真模拟计算是用数学模型描述热量的分配状况。它依赖于缸内工作 过程、燃烧室部件传热模型的仿真、发动机进、排气管的流动与传热、冷却与润 滑系的流动与传热仿真研究以及散热器的传热仿真研究。到目前为止，国际上有 关动力装置热平衡的仿真模拟研究所用的模型还过于简化，这些模型与实际情况 差距较大嗍。需要由实验研究对其模型的可靠性提供必须的验证依据。 1 2 国内外相关研究现状 1 2 1 热平衡试验 国外在发动机热平衡方面的研究工作不仅起步早，而且一直非常重视。早在 上世纪三十年代的时候，国外学者就对汽油机的热平衡做了相关试验研究【6 】。目 前，面临石油资源短缺的严峻现状，国外在代用燃料以及隔热技术利用方面都开 展了相关的热平衡研究工作，如e a a j a v l 9 1 等人研究了单缸发动机在使用掺烧不 同比例乙醇时对发动机热平衡的影响；f y u 。k s e l 1 0 l 等研究了汽油与空气的混合物 中加入定量的氢，对四冲程四缸s i 发动机热平衡及其性能的影响；i t a y m a z 【1 1 】 等人对采用陶瓷衬套的发动机的热平衡状态进行了研究，发现采用陶瓷衬套后， 被冷却系统带走的热量减少，而排气带走的热量相应增加。另外，为了最大限度 地减少发动机的热损失和有害物排放，国外学者和研究机构结合发动机的动态热 平衡状态，开展了以智能控制为最终目标的发动机热管理系统的研究与开发工 作。 在国内，早期的发动机热平衡试验主要是在发动机厂引进新机型时进行，而 近些年来在提高发动机热效率，以及改进冷却系统设计等方面也采用热平衡的方 法开展了不少研究工作，取得了很多研究成果。例如，徐州装载机厂开展了轮式 装载机在高原和沙漠环境下的适应性研究，采用热平衡技术，对冷却系统进行了 优化配置，提高了整机的热平衡综合性能【1 4 。 西安交通大学潘克煜等人在一台t y l l 0 0 轻型直喷柴油机上对碳酸二甲酯 ( d m c ) 一柴油混合燃料的热平衡进行了试验研究。研究结果表明，当混合燃 料中d m c 比例为1 5 、2 0 时，与纯柴油相比，转化为有效功的热量最大增加 幅度达3 左右，而冷却水、排气及机油带走热量的比例逐渐减少，其减少部分 大致与热效率的提高相当【1 3 】。 浙江大学动力机械及车辆工程研究所结合工程机械行业的实际发展需要，开 4 晰恤土学劫力机械反车工程研究所 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 展了工程机械热管理系统试验平台的开发工作1 1 4 1 ，针对实际使用中，经常出现的 发动机水箱散热器里的冷却水“开锅”现象，对冷却组匹配进行优化，有效地解 决了水箱“开锅”现象，液压油散热器和变矩器油散热器冷却效果差的问题n 5 1 。 综上所述，在国内发动机热平衡试验测试系统方面，往往只是针对某一特定 机型在传统的试验台上进行相应的改造，测量设备比较落后，功能单一，对于系 统的改进和精度的提高不利。所以，我们希望开发一套发动机热平衡试验的柔性 测试系统，不确定测试机型，提高数据采集的自动化以及速度和精度，并能够对 数据进行简单的分析处理。 1 2 2 热平衡仿真 随着计算机技术的飞速发展，对发动机热平衡的模拟计算研究越来越多。热 平衡模拟计算是用数学模型描述热量的分配状况。理想的模拟计算是在得知发动 机的结构参数前提下，用数学模型把发动机的整个状态( 如缸内气体的流动、燃 烧，零部件之间的传热及温度场等) 描述出来，即建立一台虚拟的发动机，这也 是模拟计算研究的最终目标。从模拟技术出现至今，发动机的数学模型也是从无 到有，从粗糙到精细，出现了多种多样的模型。 主要分为以下几类： 1 ) 缸内工作过程模拟 缸内工作过程模拟计算是传热模拟的初始条件，这方面的研究开展的最早。 国外的燃烧性能预测开始于5 0 年代，自6 0 年代中期起，人们应用计算机，用数 值方法对内燃机的实际工作过程进行较精确的模拟计算，取得了很多研究成果。 迄今为止，已有零维、准维和多维三大类燃烧模型用于计算1 1 6 1 5 。 2 ) 零部件模拟 由于整机热平衡研究存在着不确定参数多、建模复杂等诸多缺点，研究人员 对发动机零部件的热行为分别进行较为详细的研究，包括对发动机冷却液流动的 模拟、冷却系统传热、润滑系的流动与传热的仿真模拟、散热器传热的仿真模拟 以及气缸内燃烧室壁面、缸盖和缸套等零部件的传热及热负荷等方面的研究 1 9 - 2 1 1 。 3 ) 整机模拟 燃烧室部件、冷却系统、润滑系统以及散热器传热的仿真模拟都为发动机整 机仿真研究的开展奠定了必要的基础，并为整机模拟中各个传热子模块的建立提 5 晰仁支学韵力机囊反车工程研竟所 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 供了方法，但是这种把零部件分别做独立研究的方法存在着缺陷：各部件之间是 相互独立的，边界条件不能相互耦合，各部分之间实际上有非常紧密的联系，所 以不能从全局反映发动机的工作状态。目前内燃机传热研究的一个重要方向是把 缸内流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型与燃烧室部件整体( 缸盖一缸套一活 塞组) 耦合起来进行整体模拟仿真一发动机整机传热的全仿真模拟。它的基本思 想就是将内燃机的缸内气体和全体燃烧室部件作为一个整体进行计算机模拟。内 燃机传热全仿真模拟设想的实施难度很大。它依赖于缸内工作过程和燃烧室部件 传热模型的仿真程度、数值计算技术和计算机技术的发展水平例。 1 2 3 温度测量技术 发动机热平衡试验中许多地方需要用到温度传感器，如：测量发动机冷却水 进出口温度，中冷器进出口温度，进、排气温度等。 近年来在温度测量方面各国均取得了许多可喜的成果。其中前苏联的压电石 英频率温度计分辨能力可达o 0 0 0 1 ，理论上可达0 0 0 0 0 1 ，而且在4 0 2 3 0 范围内具有温度与频率的线性特性；日本研制的石英温度频率转换器的温度范 围为一8 0 2 0 0 ，最大分辨率达0 0 0 0 1 ；美国标准局研制的电阻温度计2 5 欧标准铂电阻温度计，电桥分辨o 0 0 0 0 2 ；我国生产的石英温度传感器分辨率 达到0 o o o l ，误差在0 0 5 以内；中国航天工业总公司七。二所研制的 5 9 0 1 ( s t p 一1 0 0 0 ) 型粘贴式测温片，其静态测温精度为0 5 ，快速响应时间小于 0 0 1 3 s t z 2 矧。 温度传感器种类繁多，若以原理和物理效应来综合分类，大致可分为五类： 1 ) 电阻式( 半导体热敏电阻、铂电阻、铜电阻等) ； 2 ) p n 结式( 温敏二极管、温敏三极管、温敏闸流管、集成温度传感器等) ； 3 ) 热电式( 热电偶、热释电型温度传感器) ； 4 ) 辐射式( 光学高温计、光电高温计、比色高温计等) ； 5 ) 其他( 电容式( 热敏电容) 、频率式( 石英温度计) 、表面波温度传感器、 超声波温度传感器等) 。 表1 1 是各类温度传感器的测量范围和特点。 6 惭豇土学动力机藏反车工程舛览所 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 温度传感器特点 t a b l e1 1c h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e n s o r 8 传感器类型测量范围，特点 半导体陶瓷热敏电阻 一5 5 叶5 0 0 体积小、热惯性小、灵敏度高、结构简单、 电阻式 使用方便 铂电阻2 0 0 + 9 6 0 化学性质稳定、可靠性强、测量精度高 铜电阻5 0 + 1 5 0线形度好、温度系数大、价格便宜 p n 结式温敏闸流晶体管3 m 斗1 2 0温度开关器件 测量精度高、结构简单、动态响应快、便 热电式热电偶1 8 舢斗2 3 0 0 于集中检测和自动控制、测温范围广 全辐射高温计。单辐射测量温度高、反应迅速、热惰性小、测温 辐射式+ 4 0 0 + 3 2 0 0 高温计和比色温度计精度不如热电偶温度计高、测量误差较大 石英温度计- 8 m 呻2 5 0稳定性好、灵敏度高、相应速度慢 液氮温度一基 灵敏度高，线形好、性能稳定，可靠性和 表面波温度传感器底材料的相 其它老化特性好 变温度“l 没有测量时问滞后，可用来测量变化很快 超声波温度传感器 一2 8 4 5 1 2 5 1 的温度和大面积的平均温度 1 2 4 质量流量测量技术 质量流量是指单位时间内通过封闭管道或某一截面的流体的质量。目前广泛 应用的差压、面积、容积、速度、电磁、叶轮、超声和流体振动等形式的流量计， 都是对介质的体积流量进行测量的。随着科学技术的发展，常常需要给出介质的 质量流量值，近年来已开发出有实用价值的质量流量计。 根据测量原理的不周，质量流量计分为：直接式质量流量计和推导式质量流 量计。 直接式质量流量计是由检测元件直接检测出反映质量流量大小的信号，从而 得到质量流量值。即，直接检测与质量流量成正比的量，如：热式质量流量计、 科里奥利斯力质量流量计。 推导式质量流量计也称为间接式质量流量计，它是用体积流量计和密度计组 合，同时检测出介质的体积流量和密度，通过运算得到与质量流量有关的输出信 号，从而获得质量流量。当温度、压力变化小而又遵守理想气体规律时，以及在 密度和温度是线性关系的温度变化范围内测液体流量时，只要决定了流体的种 类，就很容易对温度、压力进行自动补偿。但是，当温度变化范围变大，密度和 温度之间的关系不能看成线性关系，或在高压下不遵守理想气体的规律时，想要 7 街恤土学釉力钒董反车工程j 叶竟所 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 得到较高的测量精度就变得困难了。超声波质量流量计、压差式质量流量计等 均属于此类。北京化工大学莫德举等人在对超声时差法进行算法改进后，结合气 体密度公式推导出超声质量流量方程，据此设计出温压补偿型超声气体质量流量 计。经实验证明此流量计在测量常压空气时精度可达1 4 2 t 2 7 】。文献【2 8 】称超声 波质量流量计和s a o ( 亚音速压差流量计) 在测量排气时能实现测量精度优于 1 ，以阿牛巴( a n n u b a r ) 为原理的排气质量流量计能达到名义测量精度为 3 。 表1 2 给出的是直接式和推导式质量流量计各自的特点。 表1 2 直接式和推导式质量流量计比较表 t a b l e1 21 m ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i r e c ta n di n d i r e c tm a s sf l o w m e t e r 流量计名称液体介质气体介质系统组成测量精度价格 热式 微小流量 可用简单 l 2 5 由 直接式 可用 高压气体、有足 科氏力 可用 简单 o 1 5 0 5 高 够密度才可用 推导式可用可用复杂士1 5 2 5 中一高 1 2 5 捧气热量测量的研究 热力学中，热量被定义为热力系和外界之间仅仅由于温度不同而通过边界传 递的能量。发动机排气热量被定义为能够从排气中获得的热量的最大值，即排气 被冷却到环境温度所释放出的热量。 常用的热量计算方法有两种：焓值法和热容法。在能够获得状态的温度与压 力的情况下，计算两个状态的焓值差来计算过程中的热量。但是，当状态参数不 易确定，或者焓值数据缺乏的时候，会采用比热的方法计算热量。 由于发动机排气成分复杂，温度压力变化范围广等特点，使得发动机排气热 量的测量成为发动机热平衡试验的难点。国内外科学工作者在进行排气热量的计 算时，通常采用以下几种方法： 1 ) 认为排气热量等于排气温度与环境温度的焓值差 2 9 。 2 ) 将排气作为研究对象带入常用的几种根据比热计算热量的公式计算排 气热量【鲫。 3 ) 在排气管处加装换热器，测量其他介质的热量来计算排气的热量f 3 ”。 8 晰恤土学釉力札栽反车工矗竹宪辑 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 论文的主要工作内容和目标 迄今为止，热平衡试验系统方面的研究还远未完善。在国外，这方面的研究 相对较多，技术也比较成熟，像a v l 公司就有比较完善的试验平台。在国内， 一些发动机厂和研究机构只是将传统试验台改造成熟平衡试验台，并没有专门的 试验系统。而对于热平衡的后续课题发动机热管理方面，只有清华大学和浙江大 学在此方面开展了较为系统深入的研究，然而也仅仅是处于起步阶段。因此，在 评价和确定相关对象在某个工况点的最佳工作温度以及相关控制策略上都缺乏 依据。鉴于上述现状，结合发动机行业的实际发展需要，我们开展了发动机热平 衡试验系统的开发工作，旨在借助该试验平台来建立一套发动机热平衡评估方 法，用以分析发动机各个系统的动态热量分布情况，进而获取热管理系统开发的 依据。 本文主要工作内容包括： 1 ) 发动机热平衡试验系统总体方案设计，对比分析各种方案的优缺点。 2 ) 发动机热平衡试验系统的建设。 3 ) 发动机排气带走热量测量方法的研究。 4 ) 发动机热平衡试验与分析。 9 许讧土譬精力机藏反车工程研究所 浙江大学硕士学位论文第二章热平衡测试系统总体方案设计 第二章热平衡测试系统总体方案设计 2 1 热平衡介绍 根据热力学第一定律，假定把燃料完全燃烧所产生的热量看作1 0 0 ，这些 热量转变为几部分不同形式的能量存在，表示转变的能量如何在各个部分中进行 分配称为热平衡。将发动机热平衡的界面定义为发动机工作时物质的交换关系， 如图2 1 所示。 一一一1 ”。 图2 1 发动机热平衡界面示意图 f i g u r e2 i t h es k e t c hm a po f t h eh e a tb a l a n c es y s t e mb o u n d a r i e s 根据上图，发动机热平衡方程可以写作： q = q ：+ 瓯+ q o + q ，+ q j 。 ( 2 1 ) 热平衡方程中各项的含义以及各部分热量的计算公式如下： ( 1 ) 燃料放出的总热量： q 2 肘，也 ( 2 2 ) 1 0 晰恤上学精力札截直车工程研究所 浙江大学硕士学位论文 第二章热平衡测试系统总体方案设计 式中， a 一：燃料放出的总热量，k j h ； m ，；燃油的质量流量，k g h ； h 。；燃油的低热值，k j k g 。 ( 2 ) 转化为有效功的热量： q - - 3 6 x 1 0 3 p e 式中， q ：转化为有效功的热量；1 0 h ； 只：发动机的有效功率，k w 。 ( 3 ) 冷却水带走的热量： q = 肘。鸲一乇) 式中， 瓯；冷却水带走的热量，k j h ； m w ：冷却水的质量流量，k g h ； 气、t 7 ：发动机冷却水进、出口水温，k ； c 0 ：冷却水的平均定压比热容，k j ( k g * k ) 。 ( 4 ) 机油带走的热量： q o = m 。c 。( t 9 一岛) 式中， q ：机油带走的热量，k j h ； m 。：机油的质量流量，k g l l i 、岛：机油冷却器进出口油温，k ； ：机油的平均定压比热容，k j ( k g + k ) 。 l l ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 ，5 ) 惭恤土学力机藏反丰工程研宪所 浙江大学硕士学位论文第二章热平衡测试系统总体方案设计 ( 5 ) 损失剑排气中的热量： q r2 m ，( 一f 1 ) ( 2 6 ) q r ：损失到排气中的热量，k 3 h ； 肘，：排气的质量流量，k g h ； 、f l o ：进气与排气温度，k ； ：排气的平均定压比热容，k j ( k g * k ) 。 由于现有常用质量流量计的极限温度为4 5 0 左右，对于高达l o o o c 僦 来说不能满足要求，因此，根据质量守恒定律，用式( 2 7 ) 来代替( 2 6 ) q ，2 ( m 。+ 吩) c p ，( f l o f 1 ) ( 2 7 ) 式中， 肘a ：进气的质量流量，k g m ； 肘，：燃油的质量流量，k g l l ； 、 o ：进气与排气温度，k ； 勺：排气的平均定压比热容，k j ( k g * k ) 。 ( 6 ) 余项损失： 余项损失q 一包括：油底壳散热，机体和缸盖表面散热。此部分热量测量困 难，所以归入余项损失中，计算公式为： q ，。= q 一( q + q 。+ q + o r ) ( 2 8 ) 将热平衡方程( 2 1 ) 中各项均除以燃料放出的总热量q ，得到另一种表示 形式的热平衡方程。 仉+ 巩+ 巩+ 仉+ 研。= 1 0 0 ( 2 9 ) 根据式2 9 可以绘出发动机的热平衡图。 因此，为了获得发动机的热平衡图，需要测量的物理量如图2 2 所示，这些 物理量的主要参数及其用途列于表2 1 。 晰仁土学劫力钒栽反车工程碍竞所 浙江大学硕士学位论文第二章热平衡测试系统总体方案设计 1 发动机2 - 中冷器3 水箱4 油冷器5 涡轮增压器6 测功机7 - 发 动机工况调控系统8 一油耗仪9 油箱1 0 - 信号调理与数据采集系统 图2 2 测量参数及测点位置框图 f i g u r e2 2 t h es k e t c hm a po fn 圮a s u n 廿mp o i n t s 表2 i 测量参数用途 t a b l e2 it h ep u r p o s eo fm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r s 巡名称 温度压力流量用途 使用场毛卜、 o 根据q = m 。( ( f 7 一毛) 计算冷却水带走的热量 冷却水系统拓，f 7p 6 ，p 7m 。 0 了解冷却水系统的流动阻力 根据q = 肘。( k ( 岛一岛) 计算油冷器带走的热量 机油冷却系统珞，如m p 9 。了解机油冷却系统的流动阻力 根据q ，= ( m 。+ 肘，) c 0 ( o 一) 计算排气带走的 进排气系统 玎，t l om 。，m f 热量 t 2 bp 2 m 中冷器系统0 了解中冷器的散热性能及其流动阻力 t 4 ，t 5p 4 ，p s 研扛土学带力机藏反车轴工程研竟所 浙江大学硕士学位论文第二章热平衡测试系统总体方案设计 2 2 测试精度要求分析 整个热平衡试验系统中的基本公式是利用介质的温度变化与热量的关系： q = c p m 式中， a ：热量，k j i h ； c e ：介质的定压比热，k j ( k g k ) ； m ：介质的质量流量，k g l a5 a t ：介质出口温度与进口温度的差值，k 。 ( 2 1 0 ) 绝对误差万是仪表指示值和真值勋之间差值，可表示为 万= 玉一而( 2 1 1 ) 相对误差口是绝对误差万与被测量真值勋之比的百分数，但由于实用中真值 肋无法测得，常用测定值x i 代替x o ，故有 n ：互1 0 0 五 佗1 2 ) 在分析测试系统的精度要求时，由于还没有进行测试，不能用多次测量求均 值，计算相对误差的方法。而是采用单次测量计算相对误差的方法来估算测试系 统的相对误差。 为了表示仪表的精度和精度等级，通常引用最大量程相对误差来表示仪 表的精度等级，它也称引用误差或折合误差。最大量程相对误差口m 是仪表最大 容许绝对误差缸与仪表量程蜥。之比的百分数，即 ：垒1 0 0 ( 2 1 3 ) ) f i 仪表的精度等级就是根据的数值确定。例如a m = o 5 时，该仪表就属于 0 5 级精度仪表。 1 4 研讧土学釉力l 栽反车工矗研竟所 浙江大学硕士学位论文 第二章热平衡测试系统总体方案设计 运用以上的误差理论来分析公式( 2 1 0 ) ： q 为间接测量值，其中g 根据经验数据查表求得，假设其有毋的绝对误差。 需要测量的物理量为质量流量m 和介质温差a t 。m 的相对误差由试验选用 的流量计决定。介质进出口温差a t ( 设a t = t 2 - t - ) 的绝对误差瓦= 4 。+ 暝：， 相对误差4 。，：垒1 0 0 ：互鱼1 0 0 。选用何种流量计对系统相对误差的影4 a t “一t 响将在2 3 章节中讨论。 根据间接测量值的误差传递理论，q 的绝对误差为： 吒= ( c p + 屯) ( 肘+ 元) ( 加+ 屯) 一q = c v m a t + q 缸+ g m 气+ 蠢m a t q ( 2 1 4 ) = c a a t + c m 氏+ 6 c ，m a i 相对误差d ( q m 为： a q = 鲁1 0 0 ：堡垒竺鱼竺垒垒竺竺1 0 0 q - ( 2 1 5 ) ：盟1 0 0 + 鱼1 0 0 + 生1 0 0 ma t c v 2 4 h + + d c p 以冷却水带走的热量为例，进行讨论。假设发动机进出1 ：3 水温度传感器精度 等级相同，温差a t 固定为i o 。c ，传感器的精度等级对整个系统精度的影响分析 如下。 研豇土学釉力机栽反丰工程研竟所 浙江大学硕士学位论文第二章热平衡测试系统总体方案设计 表2 2 传感器精度对系统精度的影响 t a b l e2 2t h er e l a t i o no fs e n s o rp r e c i s i o na n ds y s t e mp r e c i s i o n 序 温度传感器质量流量计系统相对 号 c p 相对误差 精度 量程( )t 相对误差 精度 误差 ll o 2 i 0 02 0 - 3 r3 3 2l o 5 1 0 05 o 3 r6 3 3l o 2 5 0 01 0 o 3 r1 1 3 4l o 2 1 0 02 3 r6 55 o 2 1 0 02 o 3 r7 5 注：质量流量计给出的允许误差是真值与精度等级的积，对量程不做要求。 分别以表2 2 中的2 和3 两组数据来与第l 组数据比较，可以看到不管是温 度传感器的精度等级还是满量程范围的大小都会对系统的相对误差产生较影响。 这是因为公式( 2 1 0 ) 的乘积项中有一个差值项t ，其值与传感器的满量程相比要 小很多，因此，会使相对误差成倍增长。1 、4 两组数据的比较，将在2 3 2 中详 细分析。1 、5 两组数据比较可以看到，当所有测量值所采用的传感器的精度等 级以及量程都不变化时，选择更接近于真实值的介质的比热能够得到系统相对误 差更小的结果。 2 3 传感器选型 2 3 1 温度传感器 热电偶与热电阻是工业上最为常用的温度检测元件。外型图片见图2 3 。 图2 3 热电偶与铂电阻外型图 h g u r e2 3 t h ep i c u eo f t h e r m o c o u p ka n dr t d s 热电偶传感器是基于热电效应原理的测温传感器，其具有测量精度高、测量 范围广、构造简单、使用方便等优点。而且，它可以承受高温，能够迅速感知温 度的快速变化，但是它的输出电压量很小，需要放大，由于输出非线性化，需要 1 6 晰仁土学钟力瓤蕾矗车工程一览所 浙江大学硕士学位论文第二章热平衡测试系统总体方案设计 冷端补偿。 铂电阻传感器的特点是：测量精度比热电偶高，不需要冷端补偿，比热电偶 贵，需要电流源激励，输出需要线性化，连线方式有两线、三线、四线之分。两 线铂电阻传感器的接线方式简单，但是要考虑接线电阻误差；三线和四线铂电阻 能够消除接线电阻误差。图2 3 中的热电偶为三线制p t l 0 0 传感器。表2 3 是国 产标准化热电偶的使用特性3 2 1 。 表2 3 标准化热电偶使用特性 t a b l e2 3t h ec h a r a c t e r i s t i co fs t a n d a r dt h e r m o c o u d l e s 序 分热电热电偶 等级及允许偏差 度儡名丝直径 i 号 温度范温度范温度范 号称 允许偏差 允许偏差允许偏差 围围围 0 1 1 0 0l 0 、6 0 01 5 0 l 6 0 0o 5 t 铂铑 ls0 酽。 1 1 0 0 l士 i + ( t 一1 1 0 0 )6 0 0 l 印 6 0 0 0 5 t 6 0 0 8 0 04 铂铑 6 0 0 1 7 0 2b3 0 啪 0 铲“士0 2 5 t9 0 0 1 7 0 0土0 5 t 铑6 0 0 3 0 5 2 5 或 镍铬一，0 8 ，1 4 0 8 0 1 5 或( 4 0 0 9 0 - 2 0 0 + 4 士2 5 或 6 e( 土 康铜 2 ，1 6 ，2 00 4 t )o0( 1 5 t ) 0 7 5 t ) 0 3 2 o 3 o 5 4 0 0士1 6 4 0 03 镍铬一 ，o 8 ，1 3k o ，l2 。1 一2 0 0 0 士l | 5 t 镍硅 6 ，2 o 。 ，4 0 0土0 4 t 4 0 0士o 7 5 t 2 5 3 2 0 3 ，0 5 2 5 c 或 铁一康 ，0 8 ，1 4 0 7 51 5 c 或( 4 j - 4 0 7 5 0( 铜2 ，1 6 ，2 00 4 t ) 0 7 5 0 0 3 2 0 1 1 0 0 士l 0 6 0 01 5 铂铑 5r 0 铲。1 1 0 0 1 士 1 + ( t - i 1 0 0 ) 6 0 0 、l 6 0 1 3 啪土0 2 5 t 6 0 0 x o 0 0 3 0 铜一康 0 2 ，0 31 0 或 - 4 0 3 5 4 - 0 5 c 或( 4 - 2 0 0 + 4 土l 或 7t ，0 5 ，1 4 0 3 5 0 ( 铜 0 0 4 0 0 ( 1 5 t ) 0 1 60 7 5 0 注；t 为被测温度。 1 7 晰讧土学釉力机械反车工程研竟所 浙江大学硕士学位论文 第二章热平衡测试系统总体方案设计 排气温度高达1 0 0 0 ：，因此选用分度号为k 的镍铬一镍硅型热电偶。这种热 电偶的特点是价格低廉，灵敏度高，复现性较好，高温下抗氧化能力强。在测量 温度为l o o o 时，绝对偏差最大为4 。 热电阻温度传感器的测温原理：某些导体或半导体材料的电阻值随温度变 化。 热电阻温度计和半导体电阻温度计特点：在中、低温度范围内其精度高于 热电偶温度计；灵敏度高；热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多， 因此不宣测量点温度和动态温度。而半导体热敏电阻体积小，热惯性小，可以测 量点温度和动态温度。但稳定性和复现性较差。 常用热电阻元件：铂热电阻( p t 5 0 ，p t l 0 0 ，p t 3 0 0 ) ( 适应范围在一2 0 0 5 0 0 ) 、铜热电阻( c u 5 0 ，c u l 0 0 ) ( 适应范围在- 5 0 1 5 0 ) 、半导体热敏电 阻( 适应范围一i 0 0 3 0 0 ) 。 采用高纯度铂丝绕制成的铂电阻具有测温精度高、性能稳定、重复性好、抗 氧化强等优点，因此在基准、标准、实验室和工业中，铂电阻元件被广泛应用。 但在高温下容易被还原性气氛所污染、使铂丝变脆，改变其电阻温度特性，所以 须采用套管保护方可使用。 表2 4 是工业用铂电阻的主要技术指标【3 3 1 。 表2 4 工业用铂电阻的技术指标 t a b l e2 4t h ec h a r a c t e r i s t i co fr t di ni n d u s t r y 分度号r o 欧r 1 0 0