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西华大学硕士学位论文 柴油机改用不同燃料的冷却系统的仿真研究 动力机械及工程专业 研究生杨官龙指导老师黄海波教授 曾东建副教授 冷却系统是发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、经济性和可靠性 有很大影响。随着发动机转速和功率的不断提高，对冷却系统的要求越来越高， 因而对发动机冷却系统的设计与研究也愈来愈深入。在保证足够散热能力和强 度的前提下，高效率低能耗成为冷却系统未来发展的必然趋势。 随着排放法规标准的不断提高，把柴油机改装为天然气发动机，是一种有 效的解决方法，虽然平均有效压力和热效率相对于柴油机有所降低，但因柴油 机的强度比汽油机大，适宜于天然气压缩l 5 1 0 - - - 1 2 对强度的要求，改造费用较 低，排放性能好，使用成本低，以及可替代宝贵的石油资源等优点，在国内外 天然气藏量丰富的国家都有较大范围的使用。 本文就发动机冷却系统开展研究，分析了冷却系统对汽车动力性、经济性、 可靠性及使用寿命的影响。以柴油机为研究对象，分析了改烧天然气的关键技 术，建立了压缩天然气的燃烧模型与放热模型，采用v b 编写了柴油机燃烧天 然气、柴油、双燃料的缸内工作过程，得到缸内压力、温度曲线以及传给活塞、 气缸盖，气缸套的热量曲线。 伽s i m 是目前国际上比较先进的液压系统仿真软件。借助该软件，结 合v b 编写的程序，建立了发动机冷却系统的仿真模型，其中主要包括节温器 模型、散热器模型和冷却水泵模型。再以4 9 0 q b 柴油机参数为实例进行了计 算机仿真，仿真结果表明柴油机改烧天然气和混合燃料后，其配套的冷却系统 需要更大的散热能力和强度。本文从结构参数、燃烧参数以及燃料物性参数三 个方面探讨了需要提高散热强度的原因。 两华大学硕十学位论文 最后本文从柴油机冷却系统的匹配探讨了散热器与风扇的合理匹配，结构 优化方面提出了提高冷却效率的几种方法。上述研究结论为进一步研究柴油机 改用天然气的冷却系统提供了方向上的指导，为冷却系统的设计与匹配提供了 方向上的意见。 关键词：冷却系统，天然气，a m e s i m ，工作过程 r e s e a r c ho n s i m u l a t i o no f f u e l e dw i t hd i f f e r e n t f u e l so fd i e s e le n g i n ec o o l i n gs y s t e m a b s t r a c t t h ec 0 0 1 i n gs y s t e mi sa 1 1i m p o r t a n tp a r ta n d h a ss t r o n gi n f l u e l l c e so nt h ep o w e r ， e c o n o m v 锄dd e p e n d a b i l i t yo fe n g i n e w i t hi n c r e a s i n go f e n g i n es p e e da n de 嬲gn e p o w e r m ed e m a n dt oc o o l i n gs y s t e mi s h i g h e r , s od e s i g na l l dr e s e 撤ho nt h e c o o l i n gs y s t e mo fe n g i n ei sa l s ob e c o m i n gm o r ea n dm o r ea d v a n c e d u n d e r t h e p r e c o n d i t i 呱t h ec o o l i n gs y s t e mh a se n o u g hc o o l i n ge f f i c i e n c y 锄d t l l ee n e 唧 c o n s u m p t i o ni sl o w e rb e c o m em 抽仃e n d w i t hi m p r o v e m e n to fe m i s s i o n sr e g u l a t i o n sa n ds t a n d a r d s ，c o n v e n e d t 0n 删 g a se n g i n ef r o md i e s e l e n g i n e ，i s a l le f f e c t i v es o l u t i o n a 1 t h o u 【曲t h e 酬盯a g e e 仃e c t i v ep r e s s u r ea n dt h e r m a le f f i c i e n c yc o m p a r e d w i t ht h ed i e s e le n g m eh a sb e e n r e d u c e d ，b u tm ei 1 1 t e i l s 时o fd i e s e le n g i n e s i sb i g g e rt h a ng a s o l i n ee n 9 1 n e s ，1 s s u i 诅b l ef o rn 咖同g a sc o m p r e s s i o nr a t i oo f1 0t o 1 2 a n dt h et r a n s f o 彻a t l o nn a s s o m ea d v a i l t a g e s ，s u c ha sl o w - c o s t ，e m i s s i o np e r f o r m a n c e ，v a l u a b l ea h e m a t l v e t 0 o i lr e s o 嗽s m s ea d v 撇g e sm a k e n a t u r a lg a sh a v eaw i d er a n g eo f l l s ea th o m e a n da b r o a d m sp 印e rs t u d i e st h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e ma n da n a l y z e s 妇p a c t 。f 恤 c 0 0 l i n gs y s t e mo fa u t o m o b i l ep o w e r , e c o n o m y ，r e l i a b i l i t ya n d s e r v i c el i f e m a k e l l s eo fd i e s e le n g ma st h e r e s e a r c ho b j e c t ，w h i c he s t a b l i s h e s m o d e lo ft h e c y l i n d e rl i n e ro f t h eh e a tl o s sc b r v e a m e s i mi sa d v a n c e d h y d r a u l i cs y s t e m s i m u l a t i o ns o f t w a r ei nt h ew o r l d m a k e u s e 。ft l l es 。脚a r e ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o c e d u r e s f o rt h ep r e p a r a t i 。no fv b ； e s t a b l i s h e sas i 枷0 n a lm o d e l 。fe n g i n ec o 。l i n gs y s t e m ，w h i c h m a i n l yi n c l u d e s i i i 两华大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r es a v e rm o d e l ，t h er a d i a t o ra n dc o o l i n gw a t e rp u m pm o d e l t h e nm a k e u s eo f4 9 0 q bd i e s e l p a r a m e t e r sc o n d u c t sc o m p u t e rs i m u l a t i o n s i m u l a t i o n a l r e s u l t ss h o wt h a tb u mn a t u r a l g a sa n d f u e lc o m b i n a t i o n ，t h ec o o l i n gw a t e r t e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a nt h a to fd i e s e lc o m b u s t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e sr e a s o n s f o rt h eh i g ht e m p e r a t u r ef r o ms t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，c o m b u s t i o np a r a m e t e r sa n d f u e lp r o p e r t i e s f i n a l l y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s r e a s o n a b l em a t c hf i o mt h ed i e s e l e n g i n e c o o l i n gs y s t e mr a d i a t o ra n df a n ，p r o p o s e ss e v e r a lm e t h o d st oi m p r o v et h ec o o l i n g e f f i c i e n c yf r o ms t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n t h ec o n c l u s i o n so ft h es t u d yf o rf u r t h e r r e s e a r c ht ob u mn a t u r a lg a si nd i e s e l e n g i n eo fc o o l i n gs y s t e m ，w h i c hp r o v i d e g u i d a n c eo nt h ed i r e c t i o n ，f o rt h ed e s i g no ft h ec o o l i n gs y s t e m ，w h i c hp r o v i d et h e d i r e c t i o na n dm a t c h i n gv i e w s k e y w o r d ：c o o l i n gs y s t e m ，n a t u r eg a s ，a m e s i m ，w o r kp r o c e s s i v 西华大学硕十学位论文 申明 本人申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。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，也不包含为获得西华大学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。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 储勰妒彩2 唪f 月3 0 日 日 2 西华人学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密影适用本授权书。 ( 请在以上口r 4 划) 学位论文作者魏妫，彩指剥币签名 日期： - 4 ，5 - 3 0 日期： 6 2 1 两华大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着“西气东输 工程投运，全国上下很快掀起了天然气推广应用的新高 潮。来势之猛，波及范围之大前所未有。各大中城市除了迅速兴起的天然气气 化工程外，天然气汽车的广泛应用更是热不可及。汽油车改装成天然气汽油 两用燃料车的技术日臻成熟。然而占全国汽车保有量约3 0 左右的柴油车改用 天然气作燃料的却微乎其微。从统计资料来看，虽然柴油车的总数只有汽油车 的4 0 ，但耗用的燃料总量却是汽油车的1 7 8 倍还多。这是因为约有5 0 - - - 6 0 左右的柴油车都是大功率的柴油重型卡车，其油耗量大都是汽油车的2 - - - 3 倍 左右。因此成千上万辆柴油汽车改用天然气作燃料，对于燃油的节约和环保要 求的重大意义，已经成为广大运输企业和天然气行业的共识。美国康明斯公司 首先进行了这方面的研究，国家也多次把柴油机开发成天然气发动机列入8 6 3 计划项目。 内燃机运转时，将燃料燃烧释放出的热能转化为驱动汽车行驶的机械能， 同时也产生了大量的热。发动机工作时，燃料是在密闭的气缸中进行燃烧的， 燃烧时的化学能转化为热能，其中一部分转变为有效功，而还有一部分则由于 燃料在气缸中燃烧产生热量，并且使与燃气接触的活塞、气缸套、气缸盖等金 属零件温度升高，如果这些热量不能及时的散去，则会使发动机零部件温度过 高，热负荷将会非常高，从而引起热故障，直接影响发动机工作的可靠性、耐 久性以及经济性。 对于现有的内燃机，可以通过热平衡试验，确定其燃烧放热的总热量中传 给冷却液和润滑油的那部分热量。国内外的热平衡计算和试验结果表明，内燃 机传给冷却介质的总热量，约占燃料燃烧所释放热量的1 5 3 5 。这个百分 数对于不同类型的发动机是不尽相同的。柴油机为1 5 2 5 ，汽油机为 2 0 3 5 。在冷却液带走的全部热量中，其中通过水套、活塞散发出去的约 西华大学硕士学位论文 占3 3 3 8 ( 由活塞传给缸套，再传给冷却液) ，而由缸盖散发出去的热量约 占5 0 。 内燃机受热零部件的冷却必须是适度的，否则将会直接影响到内燃机的性 能。所谓适度冷却，是指内燃机的主要受热零部件，如活塞、气缸盖、气缸套 和气门座等经过冷却液冷却后，其温度维持在某个允许的温度范围内，以保证 内燃机有效而可靠地工作。如果对内燃机过度冷却，就会使燃烧室壁面温度下 降过多，燃烧不良，机体磨损增加，引起内燃机性能恶化，特别是表现出功率 下降和油耗率增加。 为了降低内燃机零部件的热负荷，保证其工作的可靠性，有效的技术途径 就是根据传热学和流体力学的理论，优化内燃机冷却系统的设计，解决好受热 件的冷却问题。改善内燃机的冷却，这是冷却系统设计过程中需要达到的首要 目标。良好的冷却系统可以降低发动机的热负荷。如果冷却系散热能力不足， 发动机就会过热如果冷却系的散热能力太大，发动机又会过冷。因此，发动机 冷却系统应能根据汽车的实际行驶工况的变化而自动调节自身的散热能力，才 能使发动机保持在最适宜的温度工况下工作，从而获得最佳的性能。 因此，发动机冷却系统在整个发动机系统中占有重要的作用。目前，车用 发动机普遍采用水冷型冷却系。冷却液由水泵驱动，进行强制循环流动，冷却 液流经的部件包括水泵、发动机冷却水套、散热器、节温器及冷却系统的连接 管路等。提高发动机冷却系统散热能力的途径有两个：提高冷却液的散热能力 和调整散热器的通风量。其中发动机冷却水套内的冷却液直接吸收来自缸体和 缸盖高热负荷区热量，因此冷却水套的结构是否合理会直接影响到内燃机受热 零部件的冷却效果担吲。 1 2 发动机冷却系统的研究现状 冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。 冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在冷态的发动机起 动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。 2 西华大学硕士学位论文 在发动机工作期间，最高燃烧温度可能高达2 5 0 0 0 c ；即使在怠速或中 等转速下，燃烧室的平均温度也在1 0 0 0 0 c 以上。因此，与高温燃气接触的发 动机零件被强烈地加热。若不及时将这些高温零件的过多热量散发掉，则将出 现各种不良现象。如果发动机冷却过度，不仅浪费了热量，而且还会引起下述 各种不良后果，如缸壁温度过低使燃油蒸发不良，燃烧品质变坏。所以说，冷 却系统的研究也是非常重要的。 1 2 。1 发动机冷却系统的国外产品技术水平现状 近年来，国外在发动机冷却系统改进方面作了大量研究工作，其中包括研 制高效散热器、采用高温冷却技术、增大工质的对数平均温差、采用高效风扇 形式、改进冷却通路的布置方式等。 日本从提高传热的观点出发，积极开展带“百叶窗散热器的研究工作。 该散热器优点在于随着边界层的发展，其局部传热系数不是向下游方向降低， 而是仍能维持很高的水平。这种散热片具有较高的换热系数，美国和日本已普 遍使用；丰田汽车公司在凌志e s 3 0 0 轿车等车型发动机上应用电液比例技术控 制发动机冷却风扇系统，该系统能根据冷却水温度、环境温度及通风量自动连 续调节风扇的转速。同传统经风扇离合器驱动的冷却风扇和电机驱动的冷却风 扇相比，其转速不受发动机转速变化的影响，在任何车速下都能提供足够大的 冷却风量，具有节能低噪、布置灵活等优点，是9 0 年代轿车发动机冷却风扇 控制系统的新方法盯3 。 俄罗斯在内燃机机方面，在所有国产中等功率和大功率柴油机上都采用了 高温冷却技术。美国公司提供给我国柴油机出口温度最大允许为1 1 5 0 c ，机 油出口最大允许温度为1 2 1o c 。在d a s h 系列柴油机上也采用了高温冷却技术。 提高冷却水温不仅能提高传热能力而且还在很大程度上决定着传入冷却系统 的热量。研究表明冷却水温每提高1 0 0 c ，冷却水从柴油机带走的热量将减少 8 10 9 6 。在润滑油品质得到保证及运动副之间密封允许的情况下，润滑油温度 每上升1 0 0 c ，向机油的散热将减少3 4 。油的粘度降低，润滑性好，大大 降低了摩擦系数，活塞相对于气缸套、曲轴轴承的摩擦功率下降。因此冷却水 温可以适当提高，资料表明冷却水温提高到1 2 0 0 c 是比较合理的，最大不超 两华大学硕士学位论文 过1 4 0 0 c 。 德国在发动机研究领域处于世界领先地位，m t u 公司研制的系列内燃机就 是先进发动机的成功范例。其冷却系统采用了高温冷却技术，该技术主要包括 高温润滑油技术、高低温双循环回路冷却系统、热管散热技术等。这一概念使 散热器的尺寸大为减小，并允许发动机冷却液温度高达1 3 0 0 c ，提高了发动 机的温度均衡能力，减少了流入冷却液的热量，改善了发动机燃烧环境。 1 9 9 9 年，法雷奥公司提出在发动机上配置名为t h e m i s ( 智能调节系统) 的 新型电子调节系统，来改善发动机的冷却性能。它实现了水泵和缸体的分离， 泵的流量和通风装置都通过e c u 来进行调整和控制，便于水泵的安装，而且由 于远离热源，水泵可以用塑料制成，既将低了成本，又减轻了重量。水泵的转 速可随水温的变化而变化，进一步降低了传热损失和机械损失，降低了油耗， 减少了污染怕。 由于铝散热器的重量轻，并能做到与汽车同寿命( 约1 5 年) ，在欧洲和美 国应用广泛，主要用于使用条件较好的城市小轿车和轻型车。北美部分地区开 始在大巴士、轻型卡车上使用。但在使用条件差的重型卡车，工程车及军用车 上，铝散热器难于使用，仍以铜散热器为主盯1 。2 0 世纪9 0 年代末，国际铜业 协会( i c a ) 开发出最新的汽车热交换器制造新技术铜硬钎焊散热器生产技 术，并由奥托昆普公司实施伸1 。在同样的散热条件下，铜硬钎焊散热器重量更 轻，尺寸明显减小，再加上耐蚀性好，使用寿命长，开创了汽车散热器制造技 术更新和飞跃的时代。 1 2 2 发动机冷却系统的国内产品技术水平现状 国内在冷却系统方面研究的重点一般集中在冷却系统的部件如风扇、散热 器等性能的提高。如长春汽车研究所对散热器和冷却风扇进行了研究，北京汽 车工业技术开发中心对冷却风扇进行了研究。冷却系统的驱动装置也逐渐被改 进。传统冷却系统中，风扇和水泵一起由曲轴皮带轮通过v 型皮带以定传动 比驱动风扇系统常按最大热负荷工况设计。这种驱动方式使发动机启动转矩 大，预热时间长，冷却不合理，车辆在低转速、高负荷时散热不足而在高速低 负荷时冷却过度。冷却系统在冷却发动机的同时还担负着对润滑系统、空调散 4 西华大学硕十学位论文 热系统、液压系统等的冷却，风扇的安装位置受限，同时也就限制了散热器的 安装位置。国内外发动机冷却风扇驱动系统研究主要集中在离合式风扇、电动 冷却式风扇、液压驱动式风扇等几方面。其中，液压驱动式风扇冷却系统正在 成为冷却设计中的一种新方法。 在发动机冷却系统研究设计过程中，由于冷却系统结构复杂了，不仅要考 虑每个部件，而且要考虑部件间的相互影响。南京理工大学王玉林在车辆热 系统模型分析与设计方法一文中，不仅考虑了冷却系统，同时还考虑了空调 系统，建立了车辆模型、发动机模型、传动装置模型、冷却系统模型、空调系 统模型。综合考虑太阳、天空和地面背景的辐射传热、环境的对流换热、舱室 壁面的导热、舱室壁面与舱室内空气的对流换热、发动机的散热、舱室内表面 之间相互的辐射换热、舱室内热源如人员、电子仪器设备、空调装置等散热以 及空气通风换热，建立了一维瞬态温度场的计算模型，并用内节点的隐式有限 差分法进行数值求解，最终的求解结果更加符合实际情况。 1 2 3 发动机冷却系统仿真研究现状陋m 3 汽车发动机冷却系统仿真的研究是发动机热管理技术研究的重要组成部 分。冷却系统从系统整体和集成的角度，通过研究流动与传热等过程以及发动 机各子系统之间的内在联系，使散热器与发动机匹配最优化。 ( 1 ) 工作过程的仿真计算 发动机工作过程仿真从物理化学模型出发，用微分方程对有关工作过程 进行数学描述，通过数值计算、方法求得热平衡研究中所需要的有效功率和排 气带走的热量。 这方面的研究已经取得了很多成果，研究人员针对缸内燃烧过程先后建立 了热力学( 0 维) 模型、燃烧现象( 一维) 模型以及详细的多维模型。在燃烧 模型计算的基础上可对发动机有效功、进排气流量及传热量进行计算。 o 维模型假定气缸内工质均匀分布，可预测放热率，了解燃烧室内宏观参 数随时间的变化，如林慰梓的三角形法w h i t e h o u s e 的单区模型等。时至今日， 0 维模型已经被广泛应用于发动机的设计和研究中，许多厂家也开发出了各种 计算分析设备。 两华大学硕十学位论文 一维模型在热力学基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺寸，可 预测缸内不同区域的燃烧温度等主要性能参数，并可预测排放。目前，国外已 经提出了很多一维模型，以广安模型为主的喷注雾化模型，以c u m m i n s 模型为 代表的气态射、流模型，以池上模型为主的概率过程模型。国内，浙江大学、 天津大学、上海交通大学和西安交通大学等都较早的进行了相关研究，提出了 各具特色的一维燃烧模型。 对多维模型的研究，美国l o s a l a m o s 国家实验室和英国帝国理工学院的 工作处于领先地位。美国l o s a l a m o s 国家实验室的k i v a 系列软件经过逐步完 善己比较成熟。英国帝国理工学院在r p m 程序的基础上建立了缸内工作过程 较为全面的模型。国内的研究者在消化和吸收国外先进程序的基础上，开发出 许多发动机工作过程数值模拟程序，如北京理工大学开发的三维内燃机工作 过程通用模拟程序r e s 3 c i i ；同济大学和江苏理工大学开发的涡流室式柴油 机工作过程三维模拟程序e n g i n e 11 等。 ( 2 ) 缸内部件的传热仿真 缸内部件的传热仿真，首先是工质与燃烧室的对流和辐射传热计算。浙江 大学较早地开展了相关的研究，描述了缸内燃气与燃烧室部件之间热量的传递 情况。 作为缸内传热研究的另一部分，研究人员对燃烧室部件( 包括活塞、气缸 套和气缸盖等) 的导热传热模拟进行了大量研究工作。1 9 9 1 年，费少梅和严 兆大等对高速风冷柴油机活塞的热负荷问题进行了研究；2 0 0 1 年，薛明德等 应用m a r c 有限元分析软件，采用三维有限元法计算大功率柴油机活塞在热载 荷作用下的温度场和换热情况。气缸套研究方面，早在1 9 8 5 年，俞小莉就对 气缸体内表面稳态传热的边界条件进行了研究，并得到计算经验公式阳1 ；1 9 9 6 年，杜建红等讨论了关于气缸套瞬态温度场两维有限元模型的建立及对应边界 条件的求取方法，为气缸套温度场的有限元分析提供了简捷有效的途径。此外， 研究者对气缸盖的传热也进行了模拟计算，1 9 9 4 年，严兆大和俞小莉提出了 一种计算小型高速风冷柴油机气缸盖换热边界条件的方法，在设计阶段就能对 气缸盖温度分布和热流状况进行预算咱1 ；1 9 9 9 年，杜建红等分析了气缸盖不稳 6 西华大学硕十学何论文 定工况的热负荷及测点在起动和突然加载工况的温度变化规律，进而得出边界 条件的变化规律。 综上所述，研究人员对发动机缸内部件的传热以及热负荷已经进行了大量 的研究，在以上研究的基础上建立整机仿真系统中的缸内部件子模块，计算出 缸内部件的传热已经有了很多可以借鉴的方法，是可以实现的。同时，这一模 块的计算结果将为冷却系统子模块的计算、提供边界条件。 ( 3 ) 发动机冷却系统的仿真 冷却系统的仿真需要仿真冷却液的流动与传热过程，研究冷却液的流速、 温度和热流密度。这项工作国外进展得比较快，1 9 9 7 年s i d e r s 等提出了车辆 冷却系统仿真的集总参数法，研究了1 8 l 内燃机冷却系的动力学性能；1 9 9 9 年n g y s r u n a p 等提出了一个简单的发动机冷却系统仿真模型，该模型允许单 独研究每个部件和车辆参数对发动机冷却性能的影响；2 0 0 3 年，肖永成和李 健等采用m a t l a b s i m u l i n k ，对发动机冷却系统进行了建模和仿真，较好的 预测了温度的变化3 ；2 0 0 4 年，赵以贤和毕小平等提出了车用内燃机冷却系 的流动与传热仿真方法，针对车用内燃机某些部件不能直接应用集总参数法研 究传热的问题，根据集总参数法的限制条件提出了将集总参数法用于内燃机所 有部件研究传热问题的方法；将车用内燃机的流动问题与传热问题耦合起来作 为一个系统，建立了车用内燃机的流动与传热问题的综合模型；2 0 0 8 年，仲 韵采用a m e s i m 建立发动机冷却系统和汽车分离循环式冷却系统的仿真模型， 较好的预测了在不同工况下水温的变化趋势2 1 羽。 以上研究表明，对发动机整机进行仿真时，冷却系统子模块的流动以及传 热计算已经可以实现。其中冷却液流经发动机燃烧室部件时，与其发生的热交 换可利用缸内部件子模块的结果作为边界条件进行计算，得到发动机热平衡概 念中的传给冷却系统的热量。 1 3 存在的问题及发展的方向 目前，冷却系统的仿真还处于不完善的阶段，主要是原因是不能在设计的 7 两华大学硕士学位论文 初期确定发动机的热平衡状况，而只有确定发动机结构等具体参数后才能进行 热平衡计算。数学模型要求尽可能的反映出发动机运行时的热平衡状态，而又 不能过于复杂，超出现有的计算机硬件和软件的计算能力。所以，建立正确的 数学物理模型，必须与试验研究相结合以验证计算方法的可靠性，并进一步改 盖 口o 随着计算机容量的增大和商业软件的不断开发，可以建立更精确更详细的 发动机冷却系统的仿真模型，为冷却系统的研究提供更可靠的理论依据。当冷 却系统仿真计算发展成熟后，便可以前瞻性地对发动机性能进行评价，对发动 机冷却系统的匹配进行优化，对发动机冷却系统的设计进行指导。并最终建立 发动机冷却系统的诊断及自动控制系统，这也是今后此课题的研究重点和发展 方向。 1 4 课题来源及研究的目的和意义 为促进燃气汽车健康、快速、稳定地发展，针对我国天然气汽车的发展现 状，国家科技部将项目“四川省代用燃料汽车区域化运行考核与应用技术研究 ( 2 0 0 6 a a l l a l e 3 ) 列入了国家高技术研究发展计划8 6 3 计划课题，由四川省 清洁汽车研究中心承担。本论文研究的内容源于该项目的子课题。 结合我国及四川地区的特点：天然气资源十分丰富，在汽车上推广应用天 然气，能合理利用四川地方企业的生产资源，推动地方经济的发展，为四川经 济持续发展开拓能源之路。 为了能够更好推广一种新型燃料，那么就应该尽可能少的对现有内燃机作 改动。充分利用柴油机本身具备的特点，只要我们对国内传统柴油机加以适当 的改进就可以燃用天然气，这样不仅可以降低排放，而且还可以提高经济性。 天然气汽车推广的工程实践表明，在柴油机上燃用纯天然气和掺烧天然气 时，水温要比燃烧纯柴油时高，导致原机的冷却系统不能满足要求。因此有必 要对柴油机改用天然气的工作过程及冷却系统进行研究，这对我国的柴油机开 发成天然气发动机有重大意义。 8 西华大学硕十学位论文 1 5 本论文主要研究工作 本课题以柴油机为基础开发的天然气发动机冷却系统为研究对象，将开展 以下几点相关研究： 1 ) 分析冷却水温对汽车性能的影响，包括动力性、经济性、可靠性及使用 寿命； 2 ) 探讨柴油机改用天然气的关键技术；采用b o o s t 软件建立发动机模型， 以4 9 0 q b 柴油机为例，优化最佳的压缩比与点火提前角； 3 ) 用v b 对柴油机工作过程进行编程，以4 9 0 q b 柴油机燃烧天然气、柴油 及天然气与柴油的混合燃料为例，研究其燃烧及传热过程； 4 ) 建立柴油机冷却系统a m e s i m 模型，以4 9 0 q b 柴油机参数为例进行仿 真； 5 ) 研究柴油机冷却系统的匹配与结构优化。 9 两华大学硕+ 学位论文 2 1 引言 第二章发动机的冷却系统简介 内燃机在工作过程中，其运动零部件由于摩擦生热而引起温度的升高，而 且它的受热零部件的热负荷，主要来自其气缸内高温气体燃烧所释放出来的热 量。如果内燃机的机械部件的温度过高，就可能发生烧蚀或熔化、变形和材料 的强度或硬度下降，以及润滑油膜的破坏等问题，最终导致工作失效。这种因 为“热”和“温度”影响而引起的故障称为热故障，它直接影响到内燃机的工 作可靠性、经济性和耐久性。因此，为了保证内燃机能够正常工作，解决好它 的冷却散热问题是至关重要的。 2 2 强制循环冷却系统 内燃机的冷却系统有风冷与水冷之分。以空气为冷却介质的冷却系统称风 冷系统，以冷却液为冷却介质的称水冷系统。汽车发动机，尤其是轿车发动机 大都采用水冷系统，只有少数汽车发动机采用风冷系统。本论中只研究了水冷 系统。 汽车发动机的冷却系统为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压 力，强制冷却液在发动机循环流动。强制循环水冷系统由水泵、散热器、冷却 风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附属装置等 组成( 如图2 1 所示) 1 0 两华人学硕+ 学位论文 f i g2 - 1t h ec o n s t i t u t eo fe n g i n ec o o l a n ts y s t e m 图2 1 汽车发动机水冷系统组成 冷却液在水冷系统中的循环路径如图2 2 所示。冷却液在水泵5 中增压 后，经分水管1 0 进入发动机的机体水套9 。冷却液从水套壁周围流过并从水 套壁吸热而升温；然后向上流入气缸套7 ，从气缸盖水套壁吸热之后经节温器 6 及散热器进水软管流入散热器2 ；在散热器中，冷却液向流过散热器周围的 空气散热而降温；最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，如此循环不已。在 汽车行驶时或冷却风扇工作时，空气从散热器周围高速流过，以增强对冷却液 的冷却。不论是铜制或不锈钢制的分水管，还是直接铸在机体上的分水道，都 沿纵向开有出水孔，并与机体水套相通，离水泵越远出水孔越大，其数目通常 与气缸数相同。分水管或分水道的作用是使多缸发动机各气缸的冷却强度均匀 一致14 1 。 有些发动机的水冷系，其冷却液的循环流动方向与上述相反，可称其为逆 西华大学硕士学位论文 流式水冷系。在这种水冷系统中，温度较低的冷却液先被引入气缸盖水套，然 后才流过机体水套。由于它改善了燃烧室的冷却而允许发动机有较高的压缩 比，从而可以提高发动机的热效率和功率。 f i g2 - 2t h ef l o wo fc o o l i n gf l u i di ne n f o r c e m e n tc i r c l es y s t e m 2 2 冷却液在强制循环水冷系统中的流动 大多数汽车装有暖风系统。暖风机是一个热交换器，也可称作第二散热器。 在装有暖风机的水冷系统中，热的冷却液从气缸盖或机体水套经暖风机进水软 管流入暖风机芯，然后经暖风机出水软管流回水泵。吹过暖风机芯的空气被冷 却液加热之后，一部分送到档风玻璃除霜器，一部分送入驾驶室或车厢n 引。 2 3 冷却系统水温对发动机经济性和动力性的影响 2 3 1 冷却水温对发动机经济性的影响n 6 叫8 3 在发动机工作过程中燃气通过气缸盖壁、气缸壁将热量传给冷却水( 图 2 - 3 所示) ，从传热学原理可知，其传热计算公式为： 1 2 西华大学硕士学位论文 q = 口( 斫一故) q = 一t w 2 以g 式中：q 一热流密度，j m 2 h a 一传热系数，j m 2 h 。c 斫、蚝一燃气和冷却液温度，。c 九一材料导热系数，m 2 h 。c 6 一壁厚，m 眺和t w 2 一内外壁面的温度，。c ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) f 1 9 2 。3s k e t c ho fc y l i n d e rh e a tt r a n s m i s s i o n 图2 - 3 气缸热传递示意图 由公式( 2 - 1 ) 可以看出，燃气通过壁面传给冷却水的热量与燃气和冷却水 两者的温差成正比，即当燃气和冷却液的温差不大时，那么通过壁面损失的热 量就会减少；相反，则发动机的热能损失较大。在保证发动机正常工作的前提 下，为了减少该项损失提高燃油经济性，应尽量提高冷却液的温度。 其次，由于冷却水温度提高，在同样负荷下，燃烧室内壁温度将有所提高， 从而使压缩终了温度有所提高。温度提高将改善燃油的汽化条件，能明显缩短 滞燃期，改善燃烧过程。图2 4 为某车试验结果。显示出了发动机冷却水温度 对经济性的影响。冷却水出水温度从5 0 增加到8 5 。c ，可提高经济性约3 。 冷却水的温度对气缸壁面的温度l 有很大影响，冷却液温度的变化将会 两华大学硕士学何论文 导致气缸壁面温度成比例改变，钱兰的研究表明壁面温度对缸内换热特性具有 影响，进一步影响到混合气的燃烧，因而提高冷却介质温度能减少工质传给气 缸壁的热量。前苏联实验表明，冷却水和润滑油温度每提高1 0 ，发动机有 效效率可以提高3 0 4 0 。对于发动机性能的影响，从节约燃油消耗来看， 显然冷却水温度提高有利于降低燃油消耗率。 f i g2 - 4r e l a t i o n s h i po ff u e le c o n o m ya n do u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r e 图2 - 4 某车燃油经济性提高与出水温度的关系 此外，冷却水温度直接影响机油的温度，而润滑油粘度对摩擦损失影响较 大，将直接影响机械损失功率的大小，从而对发动机的动力性带来较大影响。 粘度大则机油内摩擦力大，流动性差，使摩擦损失增加，但其承载能力强，易 保持液体润滑状态；反之，机油粘度小，则流动性能好，消耗的摩擦功小，但 承载能力差，油膜易破裂而失去润滑。 1 4 西华大学硕士学位论文 2 3 2 冷却水温对发动机动力性的影响睁2 3 1 冷却散失的热量是热效率降低的原因之一，同时热效率同发动机输出功率 之间具有一定的关系。应用加拿大学者c u r z o n 的有限时间热力学理论分析发 动机动力性：以工质的当量温度为耳p 的可逆等温膨胀过程和工质与高温热源 间的传过程来代替循环中的定容放热过程。 由此可以得到在吸热和放热过程中，从高温热源吸收和传给低温热源的热 量分别为： 9 1 = 纬0 ( 乃一) ( 2 3 ) q 2 = f c ( 乏一瓦) ( 2 4 ) 式中： 、分别为吸热和放热过程中的传热系数，在内燃机循环分析中，常 数 绋= 砧，分析中用h 表示。 f p 、0 各为吸热和放热过程所经历的时间，若令一个循环的时间为t ，则 可认为f ，= a t ，0 = b t ，其中a 、b 均为小于1 的常数； 乃、瓦分别为高低温热源温度并且有巧 珞 乏 瓦 由( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 及热力学公式，根据输出功率表达式 p = ( 9 1 - q 2 ) i t ( 2 5 ) 和热效率t 1 表达式 t 1 = 1 一吼q 2 ( 2 - 6 ) 可以导出发动机理论循环输出功率p 和热效率t 1 为 p = 口办( 巧一t c ? ) 1 - i ：彘】 ( 2 7 ) ”2 1 一面葡b 再t li 2 - 8 ) 由( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 消去岛后，得到输出功率p 与热效率”之间的函数 关系式： 西华人学硕士学位论文 e = a b 细五二互：! ( ! 二型 ( 2 9 ) 口+ b 由式( 2 9 ) 可导出，当a 、b 、h 、乃、z 为常数时，p 有极大值 - 口6 厅乃坠丝掣 ( 2 - 1 0 ) 此时1 1 = 1 一瓦乃 由分析可以看出，热效率增大能使发动机输出功率增加，使发动机的动力 性提高；冷却散热会使热效率降低，所以适当提高冷却液温度可以增加发动机 有效功率的输出。 综上所述，冷却水应保持适宜的温度，避免偏低的数值，既可减少散热损 失，改善燃烧过程，又有利于提高发动机的动力性和经济性。 2 4 冷却水温度对发动机可靠性和使用寿命的影响瞳4 刊 适宜而稳定的冷却水温度能保证发动机正常使用的可靠性，并能延长其使 用寿命。相反，发动机受热不均匀，局部温度异常升高，则会造成各种问题。 发动机内燃烧产生的热对围绕发动机燃烧室的各种零部件加热，在冷却状态差 时，燃烧室部分的气缸盖、分开式燃烧室、活塞、排气门等处过分地受热( 如 图2 - 5 所示) ，会使材料强度下降很大，造成磨损加大，影响该部分零件及周 围结构的可靠性及使用寿命，严重时甚至发生故障，造成发动机报废。 1 6 西华大学硕士学位论文 百5 d 耄 ：暑3 7 5 ：， 辎 蕾昭 2 5 1 2 5 l l 、 v 气 缸 傅一 f 活塞环 、 ! 一 图2 5 零部件强度与温度的关系 冷却不充分还对发动机各个滑动部分的润滑油产生热影响。润滑油的粘度 随温度变化的公式如下： = x n e 6 r ( “，) 。 ( 2 一1 1 ) 式中“、分别为润滑油在压力p 与标准大气压( 1 0 1 3 2 5 p a ) 下温 度t 与某标准温度时的动力粘度，p a 。s ； k 、b 分别为某种润滑油所对应的常数。一般取b = o 0 1 4 - 0 0 3 ，k 2 r 润滑油所承受的表压力( 或称相对压力) ，p a ； 厶、t 润滑油的某一标准温度及在压力p 时的温度，。c 从该式中可以看出，润滑油的动力粘度肛与温度t 的二次方成反比，即随 着温度的升高润滑油的动力粘度急剧下降。润滑油动力粘度降低会使润滑作用 降低，并且由于机油变质，发生异常磨损，粘结等故障。 随着温度升高，腐蚀磨损也呈增大趋势。冷却系统水温正常时，发动机 工作状态良好，气缸壁与活塞环之间总存在一层润滑油膜。而当发动机处于异 常工况时，气缸与活塞环之间的润滑油膜遭到破坏，两者有微小部分金属面直 接接触，摩擦造成局部高温，使之熔融粘着、撕脱，并逐步扩展造成粘着磨损。 如果这时油膜得以及时恢复，能起到充分的清洗和冷却作用，使温度下降，微 小熔着部分脱落而不会扩展；如果油膜恢复迟缓，熔着扩展将导致大范围异常 1 7 西华大学硕十学位论文 磨损，缸壁、活塞及活塞环急速遭到严重损伤，在缸壁表面上会呈现熔融流动 状况，显出不均匀、不规则边缘的沟痕和皱褶，严重影响发动机的使用寿命。 如图所示2 6 为水冷发动机气缸磨损的实例陋7 】。 最 ( 测 璇厦【 常温2 0 03 0 04 0 06 0 0 8 0 0 ，_ 、 、： 蕊心 吣 蕊 器 侧 露藿 一羞、 魁毒 蕊篁 捌9_ f c 2 5 -卜 j 暑 n a 叩。夼t 一_ 。一 s l r h 3 l l 高温度u 定值) 一 活塞气虹摊气预燃室 f i g2 - 6e x a m p l eo fc y l i n d e rf r a y 图2 - 6 低温气缸磨损实例 不但过高的温度有损发动机的使用寿命，温度过低也影响发动机的使用寿 命。当气缸壁温度低于零点时，气缸壁发生化学腐蚀。发动机的燃烧产物中含 有二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和水蒸气等，酸性物和水蒸气极 易凝结在气缸表面上，在缸壁发生化学反应，生成化学腐蚀；在冷却水温低和 低温起动时，缸壁温度低，这时水蒸气会在缸壁上凝聚成水，二氧化碳、二氧 化硫、氮氧化物及部分氮氧化物极易与水分形成酸性物，酸性物侵蚀油膜后， 会与缸壁发生剧烈的电化学反应，造成电化学腐蚀。腐蚀沿着缸孔材料组织中 的石墨发生，在气缸上部形成疏松的细小洞穴，进而在摩擦作用下造成缸壁金 属脱落。此外，温度低，燃油雾化不良，燃油呈滴状，冲刷气缸壁，洗掉油膜， 破坏了润滑，加剧了磨损。实践表明，冷却水温度愈低，磨损速度愈大晗5 1 。 1 8 西华大学硕士学位论文 第三章柴油机燃烧特性计算模块 3 1 燃料的低热值 燃料低热值也叫燃料发热量，是指单位质量( 指固体或液体) 或单位的体 积( 指气体) 的燃料完全燃烧，燃烧产物冷却到燃烧前的温度( 一般为环境温度) 所释放出来