（轮机工程专业论文）柴油cng双燃料发动机缸内传热特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着内燃机不断向高速和强化方向发展，内燃机的传热和热负荷问题也就 显得越来越突出，如何有效地解决内燃机的热负荷问题，提高内燃机受热零部 件的可靠性及其使用寿命就变得日益重要和紧迫。由于热负荷的影响，内燃机 受热零部件的非正常磨损，材料的腐蚀、烧蚀和热疲劳破坏等故障屡见不鲜， 直接或间接地影响着内燃机的动力性能、经济性和可靠性。因此，在内燃机工 程的研究中，传热和热负荷的研究是一个非常重要的研究方向。同时由于燃油 的紧缺和对内燃机排放要求的不断提高，开发天然气等代用燃料内燃机越来越 受到人们的重视。 本文首先回顾了内燃机工程中传热与热负荷研究的发展和现状，进而对内 燃机的热状态、热负荷和热负荷故障进行了定义和说明。接着阐述了求解内燃 机受热零部件热负荷的基本原理和方法，介绍了热传导的偏微分方程、热弹性 理论的基本方程和边界条件确定的原则以及用有限元法进行的数值求解。 然后以一台四冲程、水冷、柴油c n g 双燃料发动机缸内表面的稳态传热边 界为研究对象，对缸内传热开展试验研究。采用硬度塞法和热电偶法分别测量 了改装前后双燃料发动机活塞温度和缸套特征点温度，考察活塞以及缸套热负 荷状况，然后对测量的结果进行分析和研究，分析缸内瞬时放热系数的适用性， 并且通过测量结果的对比，提出修正后缸内受热零件表面换热系数。采用a n s y s 软件作为数值仿真的工具，对柴油c n g 双燃料发动机活塞进行了温度场、热变 形的数值仿真，验证修正后换热系数的适用性。测量结果与修正后的传热公式 计算得出的表面传热系数温度分布结果符合，特征点的温度计算值与实测值之 间的相对误差不超过5 。 关键词：内燃机；柴油c n g ；试验研究；缸内传热：数值仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m a l - c o m b u s t i o ne n g i n et o w a r d sh i g hs p e e da n d a g g r a n d i z e m e n tc o n s t a n t l y , t h ep r o b l e m so f i t sh e a tt r a n s f e ra n dt h e r m a ll o a db e c o m e m o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n gt h e nh o wt os e t t l et h et h e r m a ll o a dp r o b l e mo f i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ea v a i l a b l ya n di m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n du s a g el i f eo f t h e h e a t e dp a r t so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n eb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n d u r g e n t b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h e r m a ll o a d ，m a n ym a l f u n c t i o n s ，s u c ha s a b n o r m a lw e a ro ft h eh e a t e dp a r t so fi n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ，c o r r o s i o na n d a b l a t i o no fm a t e r i a l sa n dd e s t r o yb yt h e r m a lf a t i g u ee t c , o f t e no c c u r s a n di ti n f l u e n t s t h ep o w e rc a p a b i l i t y , e c o n o m i cc a p a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y o fi n t e r n a l - c o m b u s t i o n e n g i n ed i r e c t l yo ri n d i r e c t l y a c c o r d i n g l y , t h er e s e a r c ho fh e a tc o n d u c t i o na n dt h e r m a l l o a di sb e c o m i n ga na l l i m p o r t a n t p r o j e c t i nt h er e s e a r c ho fi n t e r n a l - c o m b u s t i o n e n g i n e b e s i d e s d u et os h o r t a g eo ft h ef u e lo i la n dt h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tt o e m i s s i o n , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t & t h ea l t e r n a t i v ef u e le n g i n eh a sg o tp e o p l e s m u c ha t t e n t i o n i nt h i sp a p e rt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo ft h er e s e a r c ho ft h eh e a tt r a n s f e r a n dt h e r m a ll o a di nt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ep r o j e c ta r er e v i e w e d ，t h e nt h e t h e r m a lc o n d i t i o n t h e r m a ll o a da n dt h e r m a ll o a dm a l f u n c t i o na r ed e f i n e da n d e x p l a i n e d t h e nt h eb a s i cf u n d a m e n t a la n dm e t h o do ft h ec o m p u t a t i o no ft h e r m a l l o a do ft h eh e a t e dp a r t so fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ea r ee l a b o r a t e d ，t h ed e f l e c t i v e d i f f e r e n t i a le q u a t i o no f h e a tc o n d u c t i o n ，b a s i ce q u a t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o no f t h e t h e o r yo f t h e r m oe l a s t i c i t ya n dn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nb yf e aa r ei n t r o d u c e d t h i sp a p e rg i v e st h et h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n ( t b c ) e q u a t i o n so nt h ei n t e r n a l s u r f a c eo ft h ew a l li nad i r e c ti n j e c t i o n i ) ，w a t e r - c o o l e d ，f o u r - s t r o k e ，d i e s e l c n g d o u b l ef u e l e n g i n e , w h i c hd e v e l o p se x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h eh e a tt r a n s f e r s i n c y l i n d e r t h eh a r d n e s sp l u ga n dt h e r m o c o u p l ea r eu s e dt ot e s tt e m p e r a t u r eo ft h e p i s t o na n dp a r to fc y l i n d e ro ft h ed o u b l ef u e le n g i n e ，w h i c hi sf o rr e a l i z i n gt h e t h e r m a ll o a do fp i s t o na n dc y l i n d e ra n dp r o s p e c t i n gi t st o l e r a n c eo fc a r r y i n go n t t 武汉理工大学硕士学位论文 t h e l m a ll o a d ，t h e na n a l y z e st h ei n s t a n t a n e o u sh e a t - t r a n s f e rc o e m c i e n ts e r v i c e a b i l i t y i nt h ec y l i n d e r , a n dt h r o u g ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t c o n t r a s t ，a n db r i n g sf o r w a r da r e v i s e ds u r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n to ft h es u r f a c ew a l li n c y l i n d e ra t1 a s tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h e p i s t o no fd i e s e l c n gd u a lf o e le n g i n ea r ec a r r i e db ya n s y ss o f t w a r e t h e nc o n f i r m s t h er e v i s e dh e a tt r a n s f e rt o e f f i c i e n t s s e r v i c e a b i l i t y w b h a sf o u n dt h a tt h e m e a s u r e m e n tr e s u k sa r e a c c o r d i n gw i t ht h e c a l c u l a t e dr e s u l t so ft h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo fu s i n gt h er e v i s e dh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t i th a sb e e ns h o w nt h a tt h e o p p o s i t ee r r o r sb e t w e e nt h ec a l c u l a t i n gv a l v ea n di t sp r a c t i c a lv a l v ea r ew i t h i n5 k e yw o r d s ：i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ；d i e s e l c n g ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ； i n c y l i n d e rh e a tt r a n s f e r ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 动力机械的出现，曾在人类历史上引起了一场伟大的工业革命，把人类带 进了现代文明社会。然而随着工业文明的进一步发展，大量使用动力机械造成 的后果是石油资源消耗的急剧增加和环境污染的日益严重，这个矛盾一直困扰 着世界各国 世界石油资源短缺和生态环境保护是2 1 世纪人类生活面临的主要问题，必 将对汽车传统的石油燃料发起挑战，合理地利用资源及开发“清洁燃料”将是 人类面临的首要问题之一采用电能、太阳能以及氢能等新能源作为汽车燃料 在未来将会成为可能，但是在较长一段时间内，对于汽车燃料而言，气体燃料 ( 如天然气) 将是最为现实和技术上比较成熟的石油代用能源。 天然气是世界上继煤和石油之后的第三大能源。世界范围内天然气能源探 明储量增长很快，据预测将在1 0 2 0 年内超过石油。天然气将成为2 l 世纪的 主导能源，在满足世界能源需求方面将发挥越来越重要的作用1 2 4 。在交通密集 的大城市，推广使用天然气汽车，不仅可以节约石油资源，而且作为一种“清 洁燃料”，可大大降低城市大气污染。大量试验与测试表明，天然气汽车与燃油 车相比较，各种排放污染物几乎都得到大幅降低，因此，汽车燃用天然气己受 到世界各国重视。 1 2 柴油机缸内传热研究的发展和现状 柴油机气缸内的传热过程是一个复杂的过程，对流换热、热辐射同时共存 且又处于有燃烧的瞬变过程中，其中些细节人们至今尚未完全掌握。从对流 换热方面来看，气缸内气体运动是处于湍流状态下的流动，属于受迫对流换热； 另一方面在湍流情况下在壁面附近将形成边界面，边界层对传热过程起着决定 性的影响，但大尺度的湍流可能周期性地破坏边界层，从而引起换热系数的增 加。除此以外，燃烧附加空气运动所产生的涡流，温度分布不均匀产生的气体 武汉理工大学硕士学位论文 流动等都对对流换热产生一定程度的影响。从辐射方面来看，要精确计算气体 辐射，则必须要知道燃烧产物的瞬时浓度；要确立火焰辐射的强度，则必须要 知道碳粒的浓度、火焰的相对容积以及燃烧周期的长短。而这些问题都有待于 进一步研究解决。 如图1 1 所示，柴油机缸内传热【1 l 【2 】是一个复杂的过程，要进行完整的理论 描述是非常困难的。同许多复杂的工程研究一样，它经历了从简单实验研究到 理论模拟研究、流动分析研究的过程。 1 2 1 试验研究的发展 卜纠 图1 - 1 传热方式示意图 定容燃烧弹模拟试验法 该试验方法由n u s e e l 提出，并在1 9 2 3 年第一个对内燃机的传热计算进行研 究，他根据该方法的试验，然后参照某些实际发动机实测数据，提出经验传热 系数的模型该方法是在电火花点燃空气与c o 的混合气，燃烧完成后，热量传 给燃烧弹的表面。 电模拟试验法m 该试验方法一般应用在工程领域，通过应用电场来模拟各种物理过程的 。场0 一般测量温度场、压力场等等。根据研究对象的不同，可分为导电纸法、 电解槽法和电阻网格法。但是导电纸的电阻很难保持均匀，而且容易随温度和 湿度的变化而变化，为了减少试验的误差，一般在恒温环境中进行试验，这给 试验带来极大的不便，特别是导电纸的电阻很难做到沿半径线性变化，所以它 无法模拟轴对称体问题。常用的是电解槽和电阻网格这两种模拟法 2 武汉理工大学硕士学位论文 表面温度法 该试验方法由e i c h e l b e r g 提出，并在1 9 3 9 年直接测量壁温，并由此计算缸 内传热的瞬时热流。他采用薄膜热电偶测量自然吸气低速大功率二冲程和四冲 程发动机壁面的温度，并以此为边界条件，求解一维非稳态导热方程，从而计 算瞬时传热数据。 热电偶法 该试验方法测温的原理是，各种金属材料具有不同的热电特性，两种不同 的金属材料在同一节点温度下将产生热电势差，通过各节点的热电势差求得温 度。热电偶法测量的关键是，热接点的形成技术和热电偶导线的引出与电量的 输出。在热接点形成之后，需要小心地将电偶导线绝缘、固定和引出在固定 和引出热电偶导线时，要根据所测部位的温度范围，选择适当的绝缘粘结剂。 引出热电偶导线的孔径应尽量小，并用绝缘材料填实，以防止改变热流，影响 测量精度 硬度塞 硬度塞测温法就是利用经过淬火的某些金属材料在加热后会产生永久性硬 度变化来测量温度的方法即运用淬火后金属材料的硬度随回火温度的升高硬 度值降低这特性。淬火后的碳素钢随着回火温度的逐渐升高，马氏体首先析 出极其细微的片状碳化物晶体，随后碳化物增多、长大，聚集直至形成球粒状 碳化物，渗碳体的金相组织不断变化，因而促使材料硬度也在逐渐下降。回火 温度越高，碳化物析出越多，其材料的硬度就越低。主要应用于测量内燃机活 塞温度，由于活塞处于运动状态，不能用热电偶直接测量缺点是测量周期比 较长 试验机模拟热平衡法 上面两种方法提出了两种经验公式，适用范围窄，因此，w o s c l m i 设计了一 种独特的内燃机试验装置，用具有可变凸轮机构的试验装置模拟发动机，通过 凸轮机构分别测试冷态气体和外部燃烧器模拟燃烧气体流经试验机气缸时，燃 气的吸热，气体向冷却和润滑系统的散热、电机功率，气缸压力变化和壁面平 均温度，并在此基础上迸行热平衡计算分析，从而获得内燃机工作循环的传热 量。 光学法 目前，国内部分研究所和高校都采用光学来分析缸内火焰传热，如激光剪 3 武汉理工大学硕士学位论文 切干涉法( l s d ，贯穿式光纤传感器 4 2 1 。剪切干涉法的原理是：当经过准直后的 平行光通过燃烧场时，由于气体密度变化而引起折射率的变化使光线发生偏折， 光线在一平面平晶的前后表面发生反射后，在像平面上发生干涉，产生干涉条 纹剪切法记录的是干涉条纹图像，反映流场密度变化的信息，测量精度跟全息 法一样，且光路简单，无需防振，克服了全息法对振动敏感的缺点。干涉条纹可方 便地叠加载波，便于图像自动处理。贯穿式光纤传感器是一种可以移动地测量缸 内壁面法向任一位置火焰温度的传感器。光学测量一般都是采用非接触式方法。 声速测量法 声速测量法包括声速法与由此派生的利用超声波的频率法该法适于测量 温度变化剧烈的场合，但其测量装置复杂，操作不太方便。声速测量法也是一种非 接触式测量方法。 定容燃烧弹模拟试验法是在特定历史下产生的，为缸内传热学的研究有很 大的推动作用。表面温度法 3 9 1 1 4 6 1 1 4 7 1 试验原理简单，当今已经向高温稳定以及快 速响应方向发展，因而受到广泛的应用。光学法主要应用于缸内辐射传热的研 究中，对于缸内燃烧以及排放预测有很重要的现实意义。声速测量法测试温度 范围广泛，但是容易受环境干扰，对缸内传热评价有一定意义。以后，这些试验 方法改进型将在应用p c 技术在信号处理快速相应、抗干扰以及稳定性方向发展。 1 2 2 理论模拟研究的发展 对于内燃机缸内传热的研究主要包含三个方面： 1 工质与内燃机内壁的热量交换； 2 燃烧室壁内部的热传导； 3 燃烧室外壁与冷却介质的传热； 其中工质与内燃机内壁的热量交换是目前研究传热的重点，气缸内的传热 主要包含两个传热模型：对流传热模型、辐射传热模型，辐射换热又分为气体 辐射和火焰辐射换热。缸内三种传热方式处于多维变化的状态，给缸内传热的 研究带来了很大难度。 1 2 2 1 燃气对燃烧室壁面间的换热o o 内燃机受热零件的热负荷来源于燃气与该零件之间的热交换。弄清楚这一 换热过程并确定换热量，对于分析发动机的热负荷、评定受热零件的热强度有 4 武汉理工大学硕士学位论文 十分重要的意义。此外，对发动机工作过程的模拟计算、低热损发动机的开发、 受热零部件的改进设计等，也有十分重要的作用。因此，为了了解发动机机件 的热负荷情况及影响热负荷大小的主要因素，首先就要弄清缸内燃气与这些机 件表面的换热情况。 在发动机工作时，缸内燃气不断向周围机件表面传热，其大部分属于对流换 热性质。因为缸内的高温燃气四周零件表面的流体边界层向零件表面传热，这 种通过流体边界层的传热在燃气燃烧时会达到很高的数值。参照管内流体对管 壁的对流换热过程可知，通过壁面流体边界层传热的热流密度与燃气和壁面问 的温差成正比在一个工作循环中，燃气传给燃烧室壁面的平均热流密度g 。可 用下式计算，即； = 警= r 巴( 五一乙) 砟 ( 1 1 ) 其中，g _ 为平均热流密度， f o 为一个循环的周期，( s ) ； 气为燃气与壁面间的对流换热系数形，( m 2 k ) ； 为燃气温度 ( 足) ； l 为壁面温度 ( k ) 在发动机的传热过程中，缸内的燃气温度t g 随曲轴转角呈周期性改变， 而且在整个燃烧室及缸内空间中，燃气的温度不均匀。许多试验表明，在稳定 工况下，燃烧室壁面温度随时间变化的幅度很小，可近似地看作恒定的壁温。 因此，上式变为： 靠= 譬= 寺r 咚t d - l 丢r 巳磷 m 2 ， = 丢叫器一0 武汉理工大学硕士学位论文 = ( 不一l ) 由此得燃气的平均等效换热系数为f = 砂1r o 毛q 如2 足) ( 1 3 ) 式中，瑶：罢墨争称为平均等效燃气温主。 j 。咚d ， 平均等效换热系数和平均等效燃气温度的求取过程为：采用燃烧分析仪测 得一个循环内每个曲轴转角的燃气温度，以及采用后面将要介绍的经验或半经 验公式计算得到的瞬时换热系数积分首先得到平均等效换热系数，然后再求取 平均等效燃气温度。以此作为发动机受热部件传热分析的边界条件。 决定燃气与壁面之间对流换热系数能力吒的最主要因素是壁面附近燃气气 流的流动情况以及壁面附近流体边界层的性质。由于活塞的往复运动，气缸内 基本上不存在层流运动，都为湍流运动；并且由于存在进气旋流和湍流，缸内 气流的流动极为复杂总的来看，可以认为发动机缸内各处燃气与壁面间的对 流换热是活塞运动造成的整体对流与各处壁面附近具体情况造成局部对流换热 增强值的总和 当发动机工作时，燃气对壁面的辐射换热在数值上要比对流换热小的多。 但在某些情况下，例如存在火焰辐射时，辐射换热也将达到燃气对壁面总换热 量的1 ，4 1 ，3 ，因此，辐射换热量也不能忽略。从辐射的特性来看，火焰辐 射由两部分组成；一部分是燃烧中产生高温气体，如c o , c o ，及h ，o 等，这些 气体属于发光透明或不发光的火焰；另部分是燃烧中析出碳粒子群，在燃烧 时，火焰由于固体粒子群的辐射而光亮夺目，故也叫火焰辐射。 按照辐射的通用的规律，壁面由燃气接受的辐射热流密度与燃气和壁面绝 对温度的四次方的差值成正比： 毋= 巳如l 志丁一( 急) 4l c 4 ， 式中，毋为辐射热流密度；( 矽册2 ) ， 为气体黑度； 武汉理工大学硕士学位论文 为壁面的有效黑度，考虑了壁面反射出的辐射再度被其它壁面吸 收等因素； c o 为黑体辐射系数，数值为5 6 7 w ( m 2 k 4 1 ； c 为燃气绝对温度( k ) ； 死为壁面绝对温度( k ) 。 发动机机的燃气对周围壁面的辐射比一般气体辐射还要复杂，因为综合的 内燃机燃气辐射实际上包括很多内容，其中最重要的两个方面就是：气体辐射 和火焰辐射。 1 2 2 2 壁面与冷却介质之间的换热过程 受高温燃气加热的活塞、气缸套、气缸盖等燃烧室周围零部件必须将所 吸收的热量迅速地散走，即及时地将热量传给冷却介质( 水、机油或空气) ，使 这些零件能在正常的温度下工作，保证其热强度及寿命。 现有车用发动机的冷却系统有水冷与风冷之分，因此，由壁面向冷却介质 的散热也就可以分为与冷却水之间的换热和与冷却空气之间的换热两种情况 在水冷发动机的冷却水一侧，对流换热系数呸值的大小主要取决于壁面附近的流 体边界层性质。在壁面温度较低而不出现气泡或沸腾时，其换热性质可参照传 热中的一般湍流放热来进行分析和估算。这时的情况是表面水流速度愈高边界 层厚度愈小，放热系数a o 值愈大但当壁面温度乙及水温乃较高而接近水的饱 和温度时，其对流换热性质就开始变化而具有沸腾放热的特征。 当冷却水套内为单相对流换热时，e s 戴维斯提出用下式计算缸套流道冷却 水的放热系数： 慨- o 嗍畔叫玎( 圹 m s ， 式中，冷却水动力粘度，幻s r a 2 或p o j 碣缸套外直径，m ；破缸套内径，m 下标，以进出r l 平均水温l 作定性温度 7 武汉理工大学硕士学位论文 w 以缸套外壁面温度l 作定性温度。 实际分析计算时，还需要实测壁面温度作为分析的第一类边界条件。 1 2 2 3 缸内传热公式发展演变 单区模型 1 经验公式 早期计算对流换热多采用经验公式，假设传热过程为准定常，认为热流的 变化与对流温差的变化具有相同的相位；工质温度在整个模型( 单区模型和多 区模型) 里面都为均匀分布，利用平均温度求平均热流。 为了求解内燃机工作过程中燃烧室周壁的传热量，必须知道随曲轴旋转的 平均燃气与换热壁面的传热系数。然而燃烧室内压力、温度和局部的热流速度 都是瞬态变化的过程，换热面积也在变化，因此，燃气向壁面传热规律是非常 复杂的。1 9 2 3 年德国热物理学家、现在传热学的奠基人之一n u s e e l 提出了 n u s e e l 公式。 ( 1 ) n u s e e l 公式( h 为对流换热系数或传热系数) j l l = 5 4 1 1 0 - 3 ( 1 “巩) ( ，2 丁) u 3 p 伽2 k ) ( 1 _ 6 ) 为活塞速度；龌缸内压力；t 是缸内气体温度。 后来的研究者发现n u s e e l 公式夸大了v 。的作用，并提出了一些修正方案。 ( 2 ) e i c h e l b e r g 公式 = 7 6 7 l o - 3 v m m ( p 2 r ) 1 圯 k 形协2 k ) ( 1 - 7 ) e i c h e l b e r g 是最早使用表面温度法测量壁温，并由此计算瞬态热流的研究者。 ( 3 ) p f l a u m 公式 h = o 6 2 ( p t ) d - - o 2 s6 2 5 2 5 7 m 0 1 0 + o 0 2 5 v m ) f ( p k ) f ( p t ) = 2 7 l p t o 2 5 , 对缸盖和活塞顶 ( 1 8 ) 厂( 见) = o 9 5 p k 嘣，对缸套 p f l a u m 主要是引入了以，使公式能够应用于增压发动机。 2 半经验公式 经验公式只是针对特殊机型和特定的工况，适用范围有限随后，人们想 8 一一一塞堡堡三奎兰堡主兰垡堡查 到通过无量纲分析并引入相似准则办法来考虑不同机型和不同工况的相似性， 从而扩大传热公式的适用范围。这种公式为半经验公式。假设气体的导热率和 比热为常数；压力均匀分布；燃烧分布在空间内分布；忽略不同成分的对流与 扩散。 ( 1 ) a n n a n d 公式 = r e o 。7 弘弦7 卜咖丢羽。， a i 是常数，为曲柄角速度。 a = o 1 2 , a = o 2 为a n m n d 推荐的平均取值。 a n n a n d 公式中使用气缸直径d 作为特征尺寸，同时引入温度倒数项为了补 偿气流运动的非定常性。 ( 2 ) w o s c h n i 公式 虬= 0 0 3 5 r e “ 嘲+ 岛器一p o 跏伪 ( 1 - 1 0 ) p 0 是发动机反拖时压力，e 是气缸工作容积，下标1 表示进气阀关闭后至燃烧始 点前工质的状态 对换气过程 q = 6 1 8 , c 2 = 0 对压缩过程 q = 2 2 8 , c 2 = o 对燃烧和膨胀过程q = 2 2 8 , c 2 = 3 2 4 x 1 0 - 3 传热系数| i l = o 1 3 d 4 2 p 。 ，。r 4 ”【唧，b 2 x ) j w o s c h n i 公式中已经包含了辐射换热的影响，在考虑旋流影响使，s c h n i 建 议对常数c 1 进行修正： 对换气过程 q = 6 1 8 + 0 4 1 7 v ，k 对压缩、燃烧和膨胀过程q ：2 2 8 + 0 3 0 8 v , i , 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) s i t k e i 公式 矗= 。0 4 ( 1 + 6 两p o 7 vo j 后形枷2 x ) ( 1 1 1 ) 常数b 是考虑燃烧所产生的气体湍流对传热速率的影响。 b = o o 0 3直喷式 b = o 0 5 o 1深坑式 b = o 1 5 0 2 5涡流式 b = o 2 5 o 3 5预燃式 ( 4 ) l ef e u v r e 公式 m = a r e “p o ” 譬睁p m l ef e u v r e 是根据倒拖发动机试验得出的结果，a = o 0 4 7 多区模型 发动机燃烧室内温度分布在空问上很不均匀，特别是在燃烧期内，存在很 大的温度梯度单区模型将整个燃烧室作为均匀场处理，从而只能计算缸内工 质的平均温度以及缸壁之间的热交换，为此人们又研究和开发多区模型，通过 人为对缸内空间加以分区，从而反映缸内温度、浓度等参数的不均匀性。 因此，多区模型的处理方法是不是采用整个气缸的平均温度，而是在传热系数 的计算公式中代入有关子区间的温度，工质与壁面的对流换热与壁面相邻区的 温度计算，辐射传热则用高温产物的温度以及喷雾的表面积计算。于是第i 区总 的壁面热流可用下式表示：= h i ( t o - l ) + c 盯一圯k ，4 、五分别是与壁面接触空气区和燃烧产物区的温度， 以为燃烧产物区的表面积。 多维模型 多维模型实质是对缸内气体二维或三维的质量、动量和能量守恒离散化形 式进行封闭数值模拟计算按预测和研究的不同要求，多维模型一般将工质守 恒方程、燃烧放热率子模型和不同的紊流模型耦合到数值计算中。多维模型中 常见的方法有两种，一是所谓“壁函数”方法，即利用一些基于简单湍流流动 武汉理工大学硕士学位论文 ( 如湍流管流) 而得出的代数关系式来描述壁面热流；二是求解描述壁面传热 过程的一维能量方程。 早在2 0 世纪4 0 年代就已经有人求解维能量方程进行研究，近年来，该 方法也日益受到重视。比较代表主要是y a r t g 9 l 茅1 1m a r t i n p l 的研究成果。 综上所述，单区模型经验公式主要用于评价内燃机传热，半经验公式的发 展新形式以及针对新发动机的修正值在一定时期内还是有比较广泛的应用，随 着p c 技术的不断发展，处理信息能力的大大增强，必然在多区模型以及多维模 型中失去优势，但是在内燃机传热的初期阶段可以用少的资源和少的时间评价 内燃机的传热，具有导向作用。 多区模型早期的发展基于单区模型，包括准维和多维模型，但是多区模型较 单区加入了湍流子模型和热边界层传热子模型，能在一定程度反映缸内传热的 机理，当然计算量也较大，后来有一些研究者提出简化方案，同时引入了经验公 式，减少了计算量，为多维模型的发展奠定基础。 多维模型是发展的趋势，是守恒方程的数值解，精确计算的确理想，但是在 现有p c 机或服务器实际计算中，网格精度不够，计算容易出错，而精度过高，计 算时间太长对于缸内复杂的工况来说，计算一个周期各种工况，资源消耗太大 在国外研究中发现，温度值的求解比单区模型只是在曲线平滑度方面占优势。 在边界层模型不需要引入稳态不可压缩假设，并且能揭示传热过程机理，但是， 多维模型计算中同样引入了半经验模块。 1 2 3 基于全面理论分析的流动分析模型研究 缸内传热的流动分析模型是建立在缸内流场计算的基础上的它与实验模 型和准则模型相比要复杂得多，它不能用一个简单的关系式表达出来，需要对 质量、能量、动量守恒方程等方程组联立求解，建立并求解边界层的传热方程。 1 9 8 5 年，t m o r e l 等在分析缸内气体运动时，提出了一个新的传热计算模型： 口= 三c ，- p u 一c ，只号( 1 1 3 ) 式中：c r 表面摩擦系数； u e z 当量速度，为平行于表面的速度和湍流速度的矢量和。 g c d a v i s 等用准维模型计算了缸内的流动与燃烧。但在传热模型中，忽略 武汉理工大学硕士学位论文 了平均流动的影响，只考虑了湍流速度，模型中缺乏对于边界层的分析。 在文献 3 9 1 d f l ，他们进行了缸内多维数值模拟的计算分析，b o n n i 等在多维 模型中增加了一个简单的一整体均匀化学反应子模型，对分层燃烧的汽油机进 行了二维数值模拟。g o s m a n 等从事的则是典型的多维数值模拟研究，他们将紊 流模型和近壁区速度和温度分布的壁面函数与多维守恒方程相耦合，在此基础 上提出了一个用缸内流动。传热和燃烧数值模拟计算的综合性软件r p m ， d i w a k w a r 等i 姻】【，0 】也做了类似的研究工作。值得注意的是：为了把科技工作者从 复杂、繁重的数值计算，编写计算程序等劳动中解脱出来，让他们专心致志地 把精力和智慧用在模型的建立和边界条件的处理上，同时，一些公司也为了他 们的商业利益，而推出了许多工程上应用的商业数值计算软件例如在流体流 动，传热分析计算方面的软件有：t e a c h 系列、f i o w - 3 d 、k i v a ，k i v a - i i 、 p h o e n i c s 、a n s y s l 2 2 等。 流动分析模型是一种正在发展中的缸内传热模型，也是近年来发展较快的 一种柴油机缸内工作过程的研究方法尤其通过对缸内流场及其能量传递的描 述计算缸内的对流换热是对柴油机缸内传热研究的重要发展。这类模型共同特 点是对实验的依赖性较弱，模型具有更完整的理论基础。它力图摆脱人为主观 因素，通过对传递现象机理的分析，对缸内过程进行全面、细致的模拟，从而 不但能描述缸内过程宏观的表面特性而且能揭示并反映其微观机理。因此，这 类模型今后有希望成为一种真正通用的缸内传热模型。 1 2 4 柴油机缸内传热研究的现状 缸内燃气在传热过程中，辐射传热是不可忽视的，随着对火焰辐射的认识 不断深入，以及测试技术和手段的现代化。通过研究，有的研究者认为对柴油 机，辐射传热量占总传热量的3 0 3 5 ，在高负荷时可达4 0 或更高；对汽 油机为2 0 2 5 。要深入了解缸内辐射换热过程，实验研究是一个重要手段， 缸内辐射传热模型也经历了从实验模型向理论模型的发展过程许多学者在这 方面进行了研究，有的学者已经进行了三维瞬态的辐射传热数值模拟p “，目前 己发展到结合燃烧产物的组分、碳粒浓度分布，用空间和时间的多维辐射理论 模型来预测缸内辐射传热。 近十几年来，国内的许多科技工作者也在这个领域进行了有益的研究和探 索。在文献【1 4 】中，郭七一在测量倒拖和着火广泛运行工况下涡流室式柴油机主 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 副燃烧室表面七点瞬时温度和主副燃烧室气体压力的基础上，对通过燃烧室表 面的瞬时热流密度与燃烧室内气体和壁面之间的瞬时换热系数进行了计算分 析。并用准则方程分别归纳出了主副燃烧室局部平均瞬时传热系数公式，在公 式中采用了不同的气流瞬时特征速度。 得出：( n u ) m = 00 4 8 2 ( r e ) “” ( 1 1 4 ) 0 q u ) s = 0 0 3 5 ( g e ) s “” ( 1 1 5 ) n u ，r e 准则数；l i r 一主燃烧室或最大值；s 一涡流室( 副燃烧室) 。 在文献 2 5 】【4 6 中，俞小莉提出了具有一定理论依据的反求法，给出了气缸 体内表面稳态传热边界条件，并通过该方法来预算活塞的工作温度和应力。 在文献 4 7 】 4 s f p ，钱兰对表面温度法进了系统的分析和探讨，在此基础上 利用新研制的一种特殊表面热电偶，提出了发动机缸内局部换热系数的试验求 取法。 在文献t 5 0 1 ，沈胜强对低散热发动机缸内的流场进行了二维数值模拟，进 而对缸盖表面边界层的传热进行了分析，建立了适用于绝热机缸内对流传热计 算的经验模型：n u = 0 0 5 $ r e o ” 缸内传热模型的研究发展了几十年，但影响传热的许多现象的机理尚不十 分清楚，目前的模型还不够完善。虽有一些经典传热模型在柴油机工作过程分 析中得到了较为广泛的应用，但不论是实验模型还是准则模型，都是在特定实 验的基础上得到的，是实验关系式。不可能全面地描述缸内的传热过程，只是 提供了一种尽可能准确的缸内传热的近似计算方法，为目前需要的缸内传热分 析与计算提供一种手段。流动分析模型虽然对实验的依赖性较弱，但它所建立 的数学模型非常复杂，需要对质量、能量、动量守恒方程等方程组联立求解， 且方程的数值求解、边界问题的处理等都不是很系统、完善。 内燃机缸内传热过程是相当复杂的，热传递的三种方式都是同时综合发生 的。这三部分传热过程的相互作用对内燃机的各项性能指标产生十分重要的影 响。此外，内燃机的传热过程对缸内混合气的温度分布和浓度分布产生影响， 与缸内燃烧过程相互作用，从而影响到内燃机的排放和噪声。由于受热零件材 料热强度及润滑油工作温度的限制，内燃机的传热过程对其可靠性和使用寿命 也有十分重要的影响。因此，对内燃机传热过程的研究是内燃机的一个重要的 研究领域1 2 1 1 1 2 们 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 柴油机受热零部件的温度测量 内燃机固定零件，例如缸盖、缸体、喷嘴等的温度测量相对来说简单些， 而运行部分，例如活塞、活塞环、气阀等零件的温度测量较为复杂。它们的测 量方法大致可分为电测法和非电测法两大类。应用较为广泛的测量方法有易熔 合金法、硬度塞法、示温涂料法、热电偶法、热敏电阻法和热光弹法等。 易熔合金法是行之有效的方法之一，它既可测量固定零件的温度，又可测 量运动零件的温度，但只能测量发动机在某一稳定工况下的温度值。硬度塞法 就是利用经过淬火的某些金属材料在加热后会产生永久性硬度变化来测量温度 的方法，而这种硬度的最后变化，既取决于它所承受的最高温度，又取决于测 量温度所延续的时间热电偶法是利用各种金属材料具有不同的热电特性，通 过各节点的热电势差求得温度，它可以测得发动机各种工况下的零件温度。热 敏电阻法是利用金属、半导体随着温度变化其阻值也发生变化这一特性而实现 的，但热敏电阻的使用受到允许最高耐温度的限制，目前该温度为3 5 0 ，另一 缺点是容易老化。 1 4 国内外对柴油机燃用c n g 的研究现状 压缩天然气( c n o ) 的主要成分是天然气，以甲烷为主，其分子小，具有热值 高、抗爆性好和着火温度高等特点。压缩天然气( c n g ) 在发动机内与空气混合 时同为气态，与柴油机相比混合更均匀，燃烧也更完全，因此天然气是一种理 想的代用燃料。 目前，天然气在柴油机上的应用存在两种途径，一种途径是柴油机生产厂 家针对柴油机本身如何更适合天然气燃料特点而进行专门设计，直接生产天 然气单一燃料发动机或柴油天然气双燃料发动机，另一种途径是针对在用车 辆进行柴油机改装由于在用柴油车的巨大保有量，柴油消耗数量巨大，大 气污染十分严重，研究在用车辆柴油机燃用天然气的改装技术显得格外紧迫。 美欧日等发达国家利用他们在电控技术上的优势，开发了一系列天然气发 动机的改装系统，在这些改装技术中，按天然气的进气方式，主要有预混和 缸内直喷两种方式。预混法是将压缩天然气与空气在混合气过量混合后，进 入发动机气缸，通过早喷压燃的柴油使天然气着火燃烧。例如，新西兰t f s 公司及荷兰t n 0 公司开发的双燃料发动机，通过采用电控油泵齿条实现对引 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 燃油料的调节。而缸内直喷采用专用的天然气喷射阀，然后通过软件来调节 喷射时间、喷射量，如美国s p i ( s e r v 0 j e tp r o d u c t si n t e r n a t i o n a l ) 公司 生产的阀喷射双燃料系统。 我国根据资源类型的分布，在代用能源方面也做了很多努力。国内在二 十世纪九十年代开始进入c n g 、l p g 等代用燃料的研究，其中借鉴了欧洲、俄 国、日本等国家代用燃料发动机的优点，并且实现了量产。近年来，国内一 些大中型城市的公共汽车发动机开始大量采用c n g 燃料的发动机，可见对柴 油c n g 双燃料发动机的研究有重要的现实意义。 目前，我国对柴油发动机缸内传热的研究相对较少，只有为数不多的单 位在进行相关的研究，如天津大学内燃机国家重点实验室，上海交通大学内 燃机研究所等。同时，关于柴油c n g 双燃料发动机【1 1 1 缸内传热分析研究就更 少，希望本课题的研究对双燃料发动机缸内传热发展起到一定推动作用。在 用柴油机的双燃料改装是快捷而有效的方法，但将柴油机改为双燃料发动机 ( d u a lf u e le n g i n e ) 应该达到以下目标；发动机改动小；与原机相比，动 力性基本保持不变；碳烟排放指标应有大幅度的改善：具有良好的安全性和 可靠性。 1 5 本文研究工作及意义 内燃机的缸内传热问题始终存在，已经成为阻碍其发展的重要原因。在柴 油机的研究中，缸内传热的研究是一个非常重要的研究方向。另外我国目前国 内能源使用现状是石油资源面临短缺，相对丰富的天然气资源综合利用水平低， 油气开采比例失调，在我国的一次性能源结构中，天然气只占3 ，而世界平均 已超过2 0 2 0 l ，能源消费中天然气