（工程热物理专业论文）内燃机燃烧室动接触部件耦合传热仿真.pdf

摘要 内燃机传热全仿真的总体思想是将缸内燃烧、固体部件传热、冷却介质 的流动耦合起来，当作一个整体进行研究。随着电子计算机与数值计算技术 的飞速发展，内燃机传热全仿真即将成为可能。内燃机燃烧室动接触部件( 活 塞组一气缸套) 是联系整个内燃机传热过程的关键环节，本文对这方面进行 了较深入地探索，重点是燃烧室动接触部件耦合传热仿真软件的开发。具体 研究工作如下： 1 进一步充实内燃机传热全仿真思想，介绍了围绕内燃机传热全仿真所做 的相关工作，同时提出了内燃机传热全仿真还有待于解决的问题和解决办法。 2 完善内燃机燃烧室动接触部件耦合传热基本思想，在逐对耦合传热 边界分析处理的基础上，建立了描述动接触部件三维耦合传热数学物理模型。 3 在上述模型研究的基础上，采用面向对象的有限元方法，模块化程序 设计思想编写主体计算程序和边界处理程序。该程序同通用的前后处理软件 结合，组成了内燃机燃烧室动接触部件耦合传热仿真模拟软件包。应用该软 件可模拟出不同机型、不同特性参数、不同工况下动接触部件的三维耦合传 热过程。 4 运用上述软件对6 1 l o 柴油机进行模拟，并将模拟结果同实验结果进行 了比较，两者吻合得很好。进一步应用该软件，完成了燃烧室部件动接触耦 合系统动态热负荷( 循环瞬态、过渡工况) 及虚拟热负荷( 虚拟冷却油腔断 油故障、循环冷却水故障) 仿真，模拟结果可为内燃机部件设计及传热相关 研究提供参考。 本文为内燃机燃烧室动接触部件耦合传热三维数值模拟提供了一个新的 开发平台，为完整的燃烧室动接触部件仿真软件的开发，及内燃机传热全仿 真的深入研究打下了基础。 此外，软件开发中所采取的面向对象的有限元方法、模块化程序设计思 想、及软件的前后处理方法还可为应用有限元法进行其他课题的数值模拟研 究所借鉴。 关键词：内燃机；燃烧室：动接触：传热；仿真 a b s t r a c t t h eh e a tt r a n s f e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tw h o l e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n 2 i n ei sa c o u p l e dc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e l a t e dt ot h ef l o w , c o m b u s t i o n ，c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ro f g a s i n c y l i n d e r ；t h eh e a tc o n d u c t i o no fc o m p o n e n t si nc o m b u s t i o nc h a m b e ra n dt h ef l o wh e a t r e l e a s eo f c i r c u l a t i n gc o o l a n t w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e a tt r a n s f e ri nw h o l ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n ew i l l b er e a l i t yi nt h en e a rf u t u r e t h eh e a tt r a n s f e rs i m u l a t i o no fs l i d i n g ，c o n t a c t c o m p o n e n ts y s t e m ( p i s t o ns e ta n dc y l i n d e rl i n e r ) h a sb e e nt h ek e yo b j e c t i v eo ft h ew h o l eh e a t t r a n s f e rr e s e a r c h t h i sp a p e re x p l o r e sd e e p l yt h i sr e s e a r c h ，p u tg r e a te m p h a s e so nd e v e l o p i n g h e a tt r a n s f e rs i m u l a t i o n c o m p u t e rp r o g r a m o fs l i d i n g - c o n t a c t c o m p o n e n ts y s t e m t h e f o l l o w i n gi st h ec o n t e n t so f t h i sw o r k ： 1 。s u p p l e m e n ts y s t e m a t i c a l l y t h ec o t m e p t i o n o fh e a tt r a n s f e r c o m p l e t e m o d e l s i m u l a t i o n i n t r o d u c et h ep r o d u c t i o na n dp r o b l e mc o r r e l a t i v ew i t hh e a tt r a n s f e rc o m p l e t e m o d e ls i m u l a t i o n t h e nc o n d u c t e da na n a l y s i so ft h o s ep r o b l e m sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n d t h e r e b yp r o p o s e t h e i rs o l u t i o n s 2 p e r f e c tt h e c o n c e p t i o n o fc o u p l e dh e a tt r a n s f e ro fs l i d i n g - c o n t a c t c o m p o n e n t s y s t e m a f t e ra n a l y z et h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h es y s t e mo n eb yo n e ，3 dc o u p l e dh e a t t r a n s f e rm a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l du p 3 o nt h eb a s i so fa b o v em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t h ec a l c u l a t i o np r o g r a mt os i m u l a t e t h ec o u p l e dh e a tt r a n s f e rf o rs l i d i n g - c o n t a c tc o m p o n e n t s y s t e mi nc o m b u s t i o nc h a m b e rh a s b e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db yc o m b i n i n gt h ea b o v ec o n c e p t i o nw i t ht h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o do fh e a tt r a n s f e r t h ep r o g r a mi n t e g r a t e sw i t hp r e s e n tp r e 一p o s t - p r o c e s s i n gs o f t w a r e ， w h i c he x p a n dt h ea v a i l a b l ee x t e n s i o no ft h ed e v e l o p e dp r o g r a ma n db em o r ec o n v e n i e n tt o s o l v ed i f f e r e n tg e o m e t r ym o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 。 4 t h es o f t w a r em e n t i o n e da b o v ei se m p l o y e dt os i m u l a t et h ea c t u a l h e a tt r a n s f e r p r o c e s so fa6 11 0 d i e s e l e n g i n e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wag o o da g r e e m e n tw i t h a v a i l a b l ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s i ti sf u t u r eu s e dt os i m u l a t ed y n a m i ct h e r m a ll o a d i n g a n dv i r t u a lt h e r m a lm a l f u n c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l tc a nb er e f e r e n c et o1c e n g i n ed e s i g n a n dc o r r e l a t i v eh e a tt r a n s f e rr e s e a r c h t h es o f t w a r ep r o v i d e san e wd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o r3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h e s l i d i n g c o n t a c tc o m p o n e n ts y s t e m i t s ab a s i sf o rd e v e l o p i n gt h e p e r f e c tp i s t o n s e t - c y l i n d e rl i n e rs l i d i n g c o n t a c ts i m u l a t i o nc o m p u t e rs o r w a r ea n dm a k i n gf u r t h e rr e s e a r c h o nh e a tt r a n s f e rc o m p l e t em o d e ls i m u l a t i o n i na d d i t i o n ，f a c eo b j e c tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a s s u m p t i o no fm o d u l a rp r o g r a m m i n g a n dp r e 一p o s t - p r o c e s s i n g t e c h n i q u e i s a d o p t e d i nt h es o t l w a r e a l lo ft h e m p r o v i d et h e r e f e f e n c ef o rr e l a t i v en u m e r i c a is i m u l a t i o n k e y w o r d ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；c o m b u s t i o nc h a m b e r ；s l i d i n g c o n t a c t ；h e a t t r a n s f e r ；s i m u l a t i o n 月| j吾 绝热机的兴起，使内燃机传热研究成为人们关注的焦点。近几年来，随 着内燃机研究不断深入，其传热研究已成为整个内燃机优化设计中的重要环 节。 内燃机传热过程从总体上可概括为：缸内燃气燃烧放热，燃烧室部件( 气 缸盖、活塞组一气缸套、气缸体固体部件) 的导热，循环冷却介质( 冷却水、 润滑油) 对流散热三部分。上述各物理场和各部件之间相互影响，且由于活 塞组和气缸套之间的相对运动，还涉及到润滑、摩擦问题。内燃机传热全仿 真的基本思想是：将缸内燃气的燃烧放热、固体部件间导热和冷却介质流动 散热耦合起来进行研究，它可以使内燃机传热的外边界转化为内边界，通过 相互作用各部分之间的热联系，解决其边界条件无法确定问题，由此可更加 真实地模拟内燃机的传热过程。 目前，国内外研究工作者一致认为整体祸合模拟是解决内燃机传热问题 的方向，并正在进行相关的研究。导师白敏丽教授一直致力于内燃机全仿真 模拟方面的研究，先后完成了内燃机燃烧室动接触部件循环瞬态、过渡工况 下的二维耦合传热模拟，进一步提出了内燃机传热全仿真的构想。 本文是在导师自敏丽教授关于内燃机传热全仿真思想基础上的进一步发 展和完善。重点对燃烧室动接触部件三维耦合传热进行研究，开发了动接触 部件耦合传热仿真软件包，并将该软件应用于具体机型的模拟中。这些工作 为内燃机传热全仿真的深入研究打下了基础。但是由于时间、自身知识、能 力和计算条件的限制，有些工作还没有开展，且在已完成的工作中也难免会 有不足之处，希望各位老师和读者批评指正。 本课题得到国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金的支持，在此向基 金委表示感谢。 丁铁新 2 0 0 4 6 1 于大连理工大学 内燃机燃烧室动接触部件耦台传热仿真 1 绪论 内燃机是将燃料燃烧释放出来的热能转变为有用机械能的一种能量转换 装置。内燃机问世至今已经历了百余年的发展历程，经过了无数次的改进与 提高，日臻完善。现代内燃机无论在结构还是在性能方面都已今非昔比，成 为当今用量最大、用途最广、无一与之匹敌的最重要的热能机械，在人们生 产、生活中发挥着重要作用。 农业和交通运输是我国国民经济发展的战略重点，农业的出路在于机械 化，汽车工业将有一个大的发展，它将带动整个机械工业的腾飞，所有这些 都预示着我国内燃机将有一个大的发展，对内燃机产品的质量和数量将有一 个更大、更高的要求。 随着内燃机研究工作的发展，内燃机研究者们已开始从不同角度对内燃 机进行更全面的研究内燃机传热过程作为影响工作过程以及受热零部件热 负荷的物理过程，也成为一个重要的研究方向。 1 1 内燃机传热研究的意义 内燃机燃烧室的整个传热过程可分为：缸内燃烧放热，固体部件阿传热 ( 气缸盖、气缸体、活塞组一气缸套) ，冷却介质( 循环冷却水、润滑油) 散 热三部分。这三部分传热过程的相互作用对内燃机各项性能指标产生十分重 要的影响f 1 1 。内燃机传热研究与内燃机设计的其它领域的关系非常紧密( 如图 1 1 所示) ，是内燃机设计的三大组成部分之一，其直接目的是为了确定内燃 机的冷却方式和润滑系统，同时它还是联系工作过程和强度设计的重要桥梁。 下面对内燃机传热研究的具体意义作详细介绍。 图1 1 内燃机传热研究与相关领域的关系 f i gl 1 t h er e l a t i o n sb e t w e e nh e a tt r a n s f e ra n do t h e rr e s e a r c hd o m a i n sf o rai n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e 罕 琵 二 内燃机燃烧室动接触部件耦合传热仿真 1 ，1 1 内燃机传热对工作过程研究的意义 首先，内燃机的传热过程直接影响内燃机的动力和经济性能。在一般内 燃机中，通过燃烧室壁的传热损失占燃料总能量的( 1 5 3 0 ) ，这种传热作 用使充气效率降低，导致过量空气系数、有效功率的下降，燃烧恶化，使比 油耗、排温增加”1 。在燃烧和膨胀过程中，高温燃气向燃烧室壁传热，减少了 燃料燃烧放热量向机械功的转换，从而降低了热效率。内燃机燃烧室气一壁 界面的传热是一个高瞬变的过程，在燃烧和膨胀前期传热率的时间分布，是 衡量传热对内燃机热效率影响大小的重要表征之一。绝热发动机概念提出的 前提条件之一就是要考察实施绝热手段后能否减少这一阶段的传热损失。 其次，缸内传热过程在一定程度上反映燃烧过程的某些微观特征，并影 响内燃机排放物的生成。由于气流运动和气一壁界面的传热作用，使缸内气 体在燃烧室近壁面区域形成一边界层。边界层尽管很薄，但由于层内气体温 度比气缸中心区温度低，从而导致边界层内的气体密度较高，已有研究表明， 边界层内气体占缸内气体总质量的( 1 0 2 0 ) “1 。因此，传热现象是造成缸 内气体质量和温度分布不均衡的重要原因之一。另外，着火和膨胀其间缸内 传热是影响内燃机有害排放物生成的主要原因之一。内燃机排气成分中的 n o n 、h c 、c o 等有害物质的形成都与燃烧室的温度状况有关，不知道缸内气体 的最高温度就无法预测排气成分中n o x 和h c 的生成量。 上述分析表明，缸内瞬态传热可直接或间接地影响内燃机性能、缸内气 体循环的微观工作过程及有害气体排放物生成量。认识缸内气体与燃烧室壁 面的传热规律，以及燃烧室各部件的传热规律对改善内燃机缸内工作过程及 对内燃机燃烧、排放的深入研究具有重要意义。 1 1 2 内燃机传热过程的研究是热强度设计的基础 在内燃机设计中其热强度设计是极为关键的。从目前内燃机的发展来看， 内燃机逐步向高增压、高强化方向发展；另外陶瓷、轻合金新材料在内燃机 中的比重不断增加，这使得热负荷问题变得越来越突出，热负荷和热强度问 题的解决往往是提高内燃机技术水平的关键。”。 内燃机是一种热动力机械，常常会因高温热负荷引起一些部件的故障， 如：缸套、活塞、活塞环、气门的过早损坏；燃烧室活塞顶部的烧蚀；缸盖、 活塞、缸套的开裂。因燃烧室传热部件受燃气的瞬时加热和冷却，特别容易 产生低频热疲劳、高频热疲劳等现象“1 。在内燃机设计中需对上述零部件进行 热负荷计算和评定，而计算和评定的基础是受热零部件的温度场，因此，研 究这些零件的温度场具有十分重要的意义，温度场的精度取决于受热零部件 传热过程的仿真程度。 1 1 3 内燃机传热过程的研究可以优化冷却系统的设计 发动机工作时，其零件由于与高温气体接触和摩擦而被加热，活塞、气 缸、气缸盖、气门、进气管道、涡轮增压器壳体等都能够被加热到所不允许 2 内燃机燃烧室动接触部件猫合传热仿真 的高温，这可导致燃烧过程的破坏，减少发动机的功率和经济性，损坏发动 机的零件，因此，必须对受热部件加以冷却，但冷却过强，汽油机混合气形 成不良，机油会被燃油稀释；柴油机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加， 也会使内燃机工作性能变坏。 从提高内燃机循环效率的目的出发，希望通过冷却系统的散热尽量少， 但同时也要保证受热部件的可靠性，因此需要选择适宜的冷却温度。内燃机 传热过程的研究，特别是缸内燃气通过燃烧室壁向冷却液传热的仿真模拟， 可预测出燃烧室部件的温度场和热流场，从而为冷却系统的设计提供可靠依 据。 1 1 4 内燃机传热过程的研究可以改善润滑系统 内燃机的摩擦功包括活塞组摩擦损失和轴承摩擦损失，它是整机损失的 主要来源，其中活塞组摩擦损失主要是环组摩擦贡献的，环组摩擦功可占整 机损失的2 0 5 6 9 “。因此，内燃机环组的良好润滑对内燃机的正常工作 尤为重要。 内燃机活塞环组的良好润滑要受受热部件温度分布的影响。摩擦热和燃 烧热量的影响使滑动面的温度较高，而润滑油粘度随温度升高而降低，使油 膜形成困难。运转和停车时的温差较大，滑动面的间隙因热膨胀和热变形而 变小，可能引起滑油烧结的现象，因此正确预测燃烧室各部件乃至润滑油膜 的温度分布，对改善发动机的润滑系统是非常有益的。 1 2 内燃机燃烧室内传热过程的特点 内燃机的传热过程同整个内燃机的运转机理紧密联系，受其影响传热过 程非常复杂惮j ，具体介绍如下： 空间多维性：燃烧室形状复杂，本身空间多维；缸内流动、燃烧空间分 布不均，引起各部分换热不均；循环冷却系统( 冷却水、润环油) 空间结构 不均，流动换热不均。 非稳定性：受缸内工作过程及活塞往复运动的影响，在内燃机稳定工况 下，缸内传热呈现出周期性变化；在启动、停车、加速和减速等变工况下， 缸内传热呈现非稳定变化。 燃烧室部件间的动接触传热：活塞组一气缸套始终处于相对运动状态， 这种运动使活塞组一气缸套传热的边界范围和传热情况不断变化。 润滑、摩擦与传热耦合作用：由于活塞组一气缸套间的润滑油膜的存在， 传热过程直接影响到润滑，摩擦特性。反过来润滑、摩擦的好坏对传热过程 有重要影响。据研究表明由摩擦而产生的摩擦热占总放热量的比重很大【8 】，这 部分热量直接影响到活塞组、气缸套部分的温度分布。 多物理场祸合作用：在内燃机工作过程中，缸内燃气流动、燃烧放热， 燃烧室壁面( 气缸盖、活塞组一气缸套、气缸体固体部件) 传热，循环冷却 介质( 冷却水、润滑油) 流动散热之间相互影响。要真实地模拟其传热过程， 内燃机燃烧室动接触部件耦合传热仿真 必须将上述物理场耦合起来，考虑它们之间的相互影响。 由于内燃机传热的上述特点，使其成为内燃机研究的难点和重要方向。 1 3 内燃机燃烧室传热模拟的发展与现状 1 3 1 数值模拟及其常用的研究方法介绍 随着科学技术的进步，计算机时代的到来，计算机数值模拟成为现代科 学研究的重要手段。 从广义上讲，计算机模拟本身就可以看作种基本试验。计算机模拟许 多工程问题，实际上是求解含有很多线性与非线性的偏微分方程、积分方程 以及代数方程等的耦合方程组。由于许多研究领域利用解析方法求解是非常 团难的，近乎不可能的。而数值模拟在某种意义上比理论与试验对问题的认 识更为深刻、更为细致，不仅可以了解问题的结果，而且可随时连续动态地、 重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。 数值模拟可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象， 容易为人理解和分析；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的 一些物理现象。同时，数值模拟可以替代一些危险、昂贵的甚至是难于实旌 的试验。 数值模拟促进了试验的发展，对试验方案的科学制定、试验过程中测点 的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。因此数值模拟不但 有很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程。 虽然数值模拟大型软件系统的研制需要花费相当多的经费和人力资源， 但和试验相比，数值模拟软件是可以进行拷贝移植、重复利用，并可进行适 当修改而满足不同情况的需求。 近几十年来，采用的数值计算方法主要有：有限差分法、有限单元法、边 界元法、有限分析法、有限体积法等i l 。 有限差分法，f d m ( f i n i t e d i f f e r e n c e m e t h o d ) 是晟早得到广泛应用的一种数 值分析方法。它通过用差商代替微商将描述物理问题的微分方程离散成差分 方程，然后来求它的数值解。有限差分法将时间维变量与空间维变量同等看 待，因此，有限差分法特别适于处理与时间有关的瞬态问题，有限元法和边 界面法在处理这类问题时也常借用有限差分法来离散时间导数顶用以处理瞬 态温度场中时间项问题。 有限元法f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 其基本思想是用有限的单元代替连 续的弹性体。也就是先离散，分割为有限单元、井进行分析，再根据变分原 理合成大型线性方程组进行求解，用有限单元法求解温度场的例子很多。 边界元法b e m ( b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d ) 是一种新的数值分析方法。它是 从积分方程方法发展而来的，将微分方程的边值问题归化为积分方程问题， 是又一种引起广泛注意的数值分析方法。如文献【1 l i 中采用了边界元法求解温 度场问题。 内燃机燃烧宣动接触部件耦合传热仿真 有限解析解法f a m ( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ) 是美国衣阿华水利研究所 ( 1 1 h r ) 的陈景仁教授于1 9 8 1 年提出的一种方法，这种方法在局部单元中采用 精确解，其基本思想是把求解区域划分为有限个子域或网格元，在每个网格 元内求基本方程的解析解。 有限体积法f v m ( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 其基本思路是将计算区域划分为 一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有个控制体积，将待解的 微分方程对每一个控制体积积分，然后对积分式进行离散化处理，再导出离 散化方程求解。 到目前为止应用最为广泛的是有限单元法，特别是计算机技术的飞速发 展和广泛应用，更使得有限单元法在工程技术中广泛应用，迅猛的发展 1 2 。 近几年来以有限元方法为基础的软件蓬勃发展起来。1 9 6 5 年美国国家宇航局 ( n a s a ) 委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限 元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功 能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发 展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主 要有德国的a s k a 、英国的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b q u s 、a d i n a 、 a n s y s 、b e r s a f e 、b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等 公司的产品。这些软件集成化比较高，使用方便。对于一般的工程问题，可 选择相应的软件进行模拟。 1 3 2 内燃机燃烧室部件传热模拟进展 内燃机燃烧室部件传热模拟常采取单件模拟、耦合模拟两种主要方法。 单件模拟方法：国内于7 0 年代初由上海内燃机研究所初步引入了有限单 元法对内燃机的单个零部件的温度场进行了数值模拟。由于内燃机零部件结 构的复杂性和传热过程的复杂性以及计算机技术的局限，这一阶段仅针对内 燃机单个零部件的二维稳态温度场进行了模拟。随着有限元理论的逐渐完善 及计算机技术的进一步发展，孔祥谦、陆瑞松，陈国华等人在这一领域进行 了有益的探索，出版了他们的专著1 13 。”】。随后各种杂志和学报上都可发现求 解内燃机单个受热零部件的稳态温度场、瞬态温度场的文章。这一阶段的特 点是：他们大多研究单个零部件的三维稳态温度场或单个零部件的= 维瞬态 温度场。近几年随商用c a e 软件的普及，燃烧室内单件模拟已逐渐成熟，三 维瞬态温度场的求解已不再是难点，传热研究已同结构强度分析相结合直接 应用于发动机零部件开发设计之中“。 单件分析方法简单明了，但在其研究中不得不简化部件间的热联系，近似 给出各独立部件边界的边界条件，计算精度很难保证。采取整体耦合的办法， 将燃烧室耦合传热部件当作一个整体进行模拟，可以使内燃机各部件传热的 外边界转化为内边界，通过各部件间的热联系给出该部分边界的边界条件。 因而可以更加准确地模拟该传热过程。内燃机燃烧室耦合传热模拟经历了以 下几个过程： 内燃机燃烧室动接触部件耦台传热仿真 i 、燃烧室部件耦合传热模拟的提出阶段 内燃机传热研究应该是把缸内流动模型、燃烧模型、燃烧室部件的导热 模型和冷却介质流动换热模型耦合起来，进行整体模拟，即内燃机传热的全 仿真模拟。这种整体耦合模拟的思想最初源于对绝热发动机传热的研究需要。 英国皇家海军工程学院于1 9 7 4 年率先进行了绝热发动机的研究，之后美国、 西欧、日本都开始了绝热机的研制、试验和理论预测。早期对绝热机性能的 预测大多采用常规水冷发动机的公式，所用的预测模型和方法各不相同，因 此得到的预测结果相差较大。至八十年代中期，以缸内瞬态传热为主的绝热 发动机研究以及由此引起的争议都达到了高潮。 国际上对绝热机缸内传热的认识很不一致，而争论的焦点关系到绝热机的 前途和命运。各国的绝热机研究工作者都在力求用更完善的实验和更真实的 传热模型来测量和预测绝热机的传热过程。同时，绝热机的陶瓷材料选择、 陶瓷零件的热强度设计也迫切需要传热模型提供真实、可靠的理论依据。j 下 是应这些需要，1 9 8 5 年m o r e l “8 1 首次提出了内燃机传热模拟的整体研究方法， 由于该方法几乎没对内燃机的传热过程作任何简化，故作者称此方法为内燃 机传热过程的仿真模拟。它的基本思想是将发动机的缸内气体和全体燃烧室 部件作为一个整体，进行整体模拟，即把缸内气体的流动模型、燃烧模型、 传热模型和燃烧室部件整体的导热模型耦合起来，进行整体计算。随后1 9 8 7 年，陈国华【1 9 】教授率先在国内对发动机燃烧室耦合系统不稳定传热进行了数 值模拟。1 9 8 8 年，d e n n i s ”也用了仿真模拟的思想对一台低散热发动机活塞 组一气缸套的循环瞬态传热过程进行了模拟。 2 、燃烧室部件耦合传热模拟发展阶段 内燃机传热过程的全仿真模拟思想，虽然是针对绝热机的研究提出的， 但它确是内燃机传热研究的主流和方向，它可以使发动机各部件传热的外边 界转化为内边界，通过各部件的传热联系给出这部分边界的边界条件，且对 于用常规单件模拟办法无法预测的活塞环及润滑油膜的温度分布也能给出合 理的预测结果。 m o r e l 9 1 于1 9 9 2 年进一步将内燃机传热全仿真的思想应用于非绝热发动机 传热模拟中。并进一步给出了采用耦合方法解决活塞组一气缸套动接触传热 问题的方法。1 9 9 4 年d e n n i s 2 1 1 提出了柴油发动机缸内热力循环与部件导热的 耦合传热分析方法，针对内燃机燃烧室内不同传热特点设置不同的热阻，热 容模型，e h 众多热阻一容模型构成整个内燃机传热热阻网络，对整个网络模拟 便可得到整机散热情况。1 9 9 8 年，w o s c h n i 2 2 1 从提高活塞、活塞环和气缸套热 力设计可靠性的要求出发，也进行了活塞、活塞环和气缸套2 1 4 的热传导研 究，他将这些部件作为一个封闭系统( 即耦合系统) ，计算出有关部件的温度 场和热传导路径。1 9 9 8 年，y o n gl i u 与r d r e i t z 【2 3 】运用有限差分法对二维轴 对称内燃机燃烧室部件耦合传热进行了模拟。他们将燃烧室部件耦合传热同 k i v a i i 相结合，增加了缸内传热模拟的精度，可更准确预测缸内燃烧和排放。 6 内燃机燃烧室动接触部件耦台传热仿真 文中巧妙地运用单元生死的办法解决活塞组一气缸套间动接触边界的问题。 1 9 9 6 年白敏丽耳4 j 对内燃机燃烧室部件的整体耦合模拟进行了进一步的研究， 解决了系列燃烧室部件整体模拟的困难，开发了活塞组一气缸套耦合系统 的稳态和过渡工况下的传热有限元计算程序，并针对具体机型进行了实机模 拟和测试。 最近十几年来计算机技术得到了突飞猛进的发展( 计算速度的大大提高， 内存、硬盘的容量不断扩大) ，内燃机传热耦合模拟的思想不断发展完善，使 得对内燃机受热零部件的整体耦合模拟和三维循环瞬态温度场的数值模拟变 为了现实。 3 、燃烧室部件耦合传热模拟研究现状 国外a v l 公司推出活塞组一气缸套专用模拟软件a v l g l i d ，e d u a r d o t o m a i l i k 和f r a n c i s c oe b n i g r o ! “】等人也对活塞组一气缸套进行耦合模拟。但 这些研究重点在于活塞组一气缸套接触应力及变形，磨损进行模拟，而对于 两者间的耦合传热并没有过多的涉及。 国内众多研究者把注意力集中在耦合传热研究上，白敏丽 2 5 - 2 6 首先将润滑 油膜从耦合系统中分离出来，对其润滑、摩擦模拟，并将润滑油膜简化成热 阻并由此联系活塞组一气缸套，先后完成了活塞组一气缸套耦合部件的循环 瞬态，过渡工况耦合传热二维模拟。钱作勤田i 在对有限元商业软件a n s y s 二次开发基础上，实现了活塞组一气缸套耦合传热三维模拟，但受商业软件 开发上的限制，对活塞组一气缸套耦合边界及润滑油膜只能作简单的处理。 杨万里、陈国华 28 】等人进一步提出解决三维耦合传热边界的有限元处理方法。 1 3 3 内燃机传热全仿真 内燃机传热全仿真的总体思想是将缸内燃烧、固体部件传热、冷却介质的 流动耦合起来，当作一个整体进行研究。全仿真能真实准确地模拟内燃机的 整个传热过程，但实施起来难度较大。近几年计算机技术得到飞速发展，有 限元网格的划分可以达到几十万至几百万个单元，计算速度也大大提高。f e a 与c f d 分析进一步发展，单独对内燃机冷却流动、缸内燃烧、固体部件间传 热模拟变得容易。进一步将各部分模拟综合起来考虑既内燃机的传热全仿真 即将成为可能。本文在后面章节中有详细介绍内燃机传热全仿真的实现思路。 1 4 本文研究的主要内容 在整个内燃机的传热仿真模拟中，活塞组气缸套动接触耦合部件是联系 燃气同冷却介质的关键环节，也是整个模拟中的难点。 本文主要针对燃烧室动接触部件间的耦合传热进行模拟。研究是在以前 关于动接触部件的耦合传热思想基础上，进一步发展完善。具体内容概括如 下： 1 进一步完善内燃机传热全仿真思想，总结关于内燃机传热全仿真模拟 内燃机燃烧室动接触部件糨台传热仿真 所做的相关工作，同时提出内燃机传热全仿真还需进一步解决的问题及解决 方法。 2 完善内燃机燃烧室动接触部件( 活塞组一气缸套) 耦合传热基本思想， 在逐一对耦合传热内部边界及各个外部边界进行分析处理的基础上建立描 述活塞组一气缸套动接触部件三维耦合传热数学物理模型。 3 开发内燃机燃烧室动接触部件耦合传热仿真模拟通用软件。应用陔软 件可模拟不同机型、不同的特性参数、不同工况下的内燃机燃烧室耦合部件 三维传热过程。同时将该软件与通用的前后处理软件集成，用以增强在模拟 过程中的方便性和灵活性。 4 运用上述软件对6 1 1 0 柴油机进行模拟，并将模拟结果同实验测得的结果 进行比较。进一步应用软件对燃烧室部件动接触耦合系统动态热负荷( 循环 瞬态、过渡工况) 及虚拟热负荷( 虚拟冷却油腔断油故障、循环冷却水故障) 进行模拟。为内燃机部件设计及传热的相关研究提供参考。 内燃机燃烧室动接触部件耦台传热仿真 2 内燃机传热全仿真 很久以来，内燃机传热全仿真就是人们追求的方向。先后有众多研究者在内 燃机传热全仿真方面进行探索。首先m o r e lt 0 s 提出对于内燃机耦合传热模拟的 思想并在绝热机上实施：d e n n i sn a 【2 0 1 等人将整个内燃机传热简化为由众多热阻 - 热容模型构成的热阻网络；l i uy o n g 与r e i t zrd t a a l 采用有限差分法，建立整 个燃烧室固体部件二维传热模型；国内张卫正。”等人关于内燃机整机散热量的多 模型耦合计算的研究等。但受到计算机的计算能力和计算技术的限制，在以上研 究中燃气的燃烧及循环冷却水流动模拟都采用经验半经验公式；对固体部件的传 热模拟也做很大简化。近几年，计算机计算能力大幅度提高、计算技术迅速发展， 所有这些预示着内燃机传热全仿真即将成为现实。 2 1c a d 、c a e 的发展使内燃机传热全仿真成为可能 近几年各种c a d 建模软件迅速发展，对以前无法应付的复杂工程三维建模 问题，现在已不再是难点。目前比较著名的c a d 软件主要有a u t o c a d ( 二维模 型) 、p r o e n g i n e e r 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 等，这些软件具有很强的 建立模型的能力，并且软件间都带有通用模型格式的接口，便于在c a d 软件内 相互调用，同时也可便于与c a e 软件集成应用。 随着有限元网格生成技术的发展，已经出现了大量的、不同的实现网格生成 的方法。其一般可以分为两类：结构化网格生成方法和非结构网格生成方法。所 谓结构化网格，严格的讲，是指网格内部节点具有相同的邻接单元的网格，即网 格内部节点具有相同的拓扑结构。结构化网格生成通常使用复合的迭代平滑技 术，用边界或物理区域来排列单元，划分区域的边界不能太复杂。以便能将区域 分解为拓扑结构的块。所谓非结构化网格，放松了对节点的连接要求，允许一个 节点属于任意数量的单元。虽然四边形和六面体单元也可以是非结构网格，但通 常非结构网格是指三角形和四面体网格。目前二维区域网格自动划分发展较为成 熟，三维区域的网格自动划分e 在迅速发展。目前流体c f d 网格划分软件主要 有s o l i d w o r k s ，g r i d g e n ，g a m b i t ，g r i d g e n ，i c e m c f d 等：f e a 网格划分软件主 要有p a t r a n ，h y p e r m e s h ，g i d ，f e m a p 等。这些软件各有特点，用户可根据不同 的几何模型，针对不同的分析要求，选择合适的网格划分软件及网格划分方法。 对于本文中的缸体f e a 采用h y p e r m e s h 专用有限元软件手动六面体网格划分， 对于循环冷却水采用s m r - c d 前处理软件p r o a m 自动六面体结构网格划分，对 于活塞组一气缸套耦合系统采用g i d 软件，自动非结构四面体网格划分。 近几年来，建模技术、网格划分技术迅速发展，计算机的运算速度也大大提 高，这些技术克服了对内燃机模拟中处理复杂几何模型的瓶颈。同时c f d ( c o m 口u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 与f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 等方法也在发展中 逐渐成熟。f e a 是用于分析内燃机热机械强度有力工具，c f d 是用于模拟流动 换热过程的最准确、最快捷的手段。总的来说，c a d 、c a e 发展使内燃机全仿 真成为可能。 2 2 内燃机传热全仿真的总体思想 内燃机整个传热过程指的是缸内燃气通过燃烧室壁面把热量传给冷却介质 的过程，可分为：缸内燃气放热，固体部件问传热( 气缸盖、缸体、活塞组一气 ! ! 型! 燮塑皇型堡塾塑生塑鱼生垫堕塞 缸套) ，冷却介质( 循环冷却水、润滑油) 散热三部分，如图2 1 所示。 图2 - 1 内燃机传热过程总体构成 f i g 2 - ls c h e m a t i co f a l lh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n t si ne n g i n e 通常将内燃机燃烧总发热量流向分成三部分：即转化为有效功的热量、废气 带走的热量及传给燃烧室壁面的热量，如图2 2 所示。冷却介质带走的热量包括 冷却水带走的热量和润滑油带走的热量。 热源 燃气放热 固定部件： 传热媒介 l 缸体、气缸盖 一1 n ll 动接触部件： l 活塞、活塞环和气缸套 冷源 循环冷却水、机油 图2 - 2 内燃机传热全过程 f i g 2 - 2h e a tt r a n s f e re n t i r ep r o c e s sf o re n g i n e 总传热过程可描述为：q = g 。+ q ，+ q 。+ q 。+ q 。 宣塑垫塑丝至垫堡丝塑壁塑宣生垫望塞 式中o 燃料燃烧放出的热量；包转化为有效功的热量：q 0 润滑油带走的 热量：q ，废气带走的热量；q c 冷却水带走的热量；g 余项热损失。 整个传热过程是一个互相联系，互相影响的整体。准确的传热过程模拟应该 考虑到各种传热的相互关系，把整个传热过程作为一个整体进行模拟。 2 3 内燃机传热全仿真的实现 针对内燃机各部分传热的不同情况，下面介绍我们围绕内燃机传热全仿真所 做的些相关工作，同时对进一步需要做的工作及准备采取的方法做简单介绍。 2 3 1 缸内燃气模拟 缸内工作过程是众多内燃机研究者关注的焦点：缸内燃气传热受燃烧室的形 状，发动机性能( 功率、扭矩、平均有效压力、比油耗、空气流量等) 多种因素 影响，要准确计算柴油机燃烧室内的瞬时燃气温度、换热系数和热流量需对相应 机型在具体工况下进行循环过程模拟。以往的计算常采用w o s c h n i 的计算公式来 进行。近几年来缸内工作过程的传热模型研究不断发展完善。r e i t z 3 0 1 等人对燃 气对燃烧室内换热情况进行模拟，同实验结果很好吻合。近来t a k a s h is u z u k i 与 y a s u f u m io g u r i 等人【j l l 通过实验和理论计算的方法建立燃气向燃烧室壁面传热 与缸内压力的关系来模拟燃气散热情况。 目前许多软件可用于模拟缸内工作过程，都可得出燃烧室壁面散热情况。目 前已有比较成熟的缸内工作过程模拟软件，g t - p o w e r 软件可用于对缸内工作过 程的零维模拟，a v l 公司针对缸内工作过程开发的软件f i r e 可对内燃机缸内工 作过程进行三维模拟，英国c d - - a d a p c o 公司专门的内燃机缸内工作过程开发前 处理模块e s i c e i 强j ，同s t a r c d 求解模块结合可对内燃机缸内工作过程进行三维 模拟。这些软件都可以求解出缸内燃气同整个燃烧室换热情况。本文应用 g t - p o w e r ，对于具体工况缸内工作过程研究作了简化，模拟出缸内换热情况，模 拟结果如图2 3 、图2 4 所示。 堂 e j q 卜 工 i i 一上一卜、 i 一| _