冷卻熱控制對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和抗爆性的研究

黃碩

(東風(fēng)商用車有限公司，湖北武漢 430056)

冷卻熱控制對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和抗爆性的研究

黃碩

(東風(fēng)商用車有限公司，湖北武漢 430056)

近年來(lái),提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率變得越來(lái)越重要。提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率需要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性。提高發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆性主要是通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，過(guò)度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)會(huì)導(dǎo)致冷卻熱損失的增加。用CAE計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)每一部分爆震和冷卻熱損失的影響。首先，計(jì)算空氣-燃料混合物進(jìn)氣沖程中發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸套和活塞的熱量。結(jié)果表明, 空氣-燃料混合物的最大熱量位于缸套的排氣端。這說(shuō)明,缸套在空氣-燃料混合物的溫度上升過(guò)程中起著重要的作用。其次，大量的熱能在做功沖程中傳導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、缸套和活塞上,氣缸套傳導(dǎo)的熱能最小。綜上所述,冷卻缸套排氣端是提高抗爆性的有效方法。

發(fā)動(dòng)機(jī);熱效率；抗爆性；熱控制

0 引言

目前,由于能源短缺和全球氣候變暖等問(wèn)題，越來(lái)越重視提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。想要提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率,應(yīng)該從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面考慮。從理論上講, 提高熱效率的有效方法是提高壓縮比和提高燃燒效率[1-2]。然而,壓縮比越高爆震的可能性也就越大,因此提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性變得尤為重要。增加熱效率意味著提高抗爆性,減少冷卻損失,減少發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦。文中研究的重點(diǎn)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性。

正如之前論述,提高壓縮比是提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的主要方法。然而過(guò)高的壓縮比會(huì)導(dǎo)致爆震。由此可見(jiàn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆性乃是重中之重。Livengood-Wu積分法是使用最廣泛的計(jì)算自動(dòng)點(diǎn)火延遲時(shí)間的方法。這個(gè)公式表明：減少燃燒時(shí)間、冷卻燃料混合物、降低壓力等方法都可以有效延遲自動(dòng)點(diǎn)火時(shí)間。技術(shù)人員從這幾個(gè)方面開(kāi)發(fā)了很多新技術(shù)用以提高抗爆性。典型的技術(shù)包括利用偏壓、直接燃油噴射減少燃燒時(shí)間；改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，降低燃料混合物的溫度等。

改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)提高抗爆性是最為有效的。因此,多年來(lái)為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性，冷卻技術(shù)依然在不斷革新。然而,過(guò)度地改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，同時(shí)也意味著不必要的冷卻熱損失的增加。為了找到一個(gè)在提高抗爆性和冷卻減少熱損失之間的平衡點(diǎn),作者研究氣缸蓋、氣缸套和活塞溫度在抗爆性和冷卻熱損失上的影響。

過(guò)去的研究主要集中在熱流動(dòng)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)[3-8]和使用薄膜熱流動(dòng)來(lái)計(jì)算安裝在燃燒室表面的熱電偶[9-14]。文中運(yùn)用CAE分析來(lái)計(jì)算燃燒室內(nèi)每個(gè)部分的抗爆性和冷卻熱損失，然后進(jìn)行驗(yàn)證。

1 CAE模型

1.1 模型建立

燃燒氣體從氣缸傳熱到發(fā)動(dòng)機(jī)的其余部件,通過(guò)計(jì)算每個(gè)循環(huán)內(nèi)溫度的變化以及壓力和氣體的流動(dòng)速度，可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的熱流動(dòng)。

圖1是在STAR-CD軟件上建立的CAE模型。第一個(gè)模型計(jì)算氣缸內(nèi)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的瞬變流動(dòng)，其中使用k-ε模型模擬標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型。通過(guò)每個(gè)燃燒室壁表面的空氣-燃料混合物溫度來(lái)計(jì)算傳熱速率，從而確定燃燒室壁的熱流邊界條件。計(jì)算所得的壁溫作為壁溫的邊界條件。第二個(gè)模型的計(jì)算對(duì)象為結(jié)構(gòu)和水溫，為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的單缸結(jié)構(gòu)，運(yùn)用SCRYU-Tetra軟件建立由氣缸蓋、氣缸套、活塞和冷卻水組成的共軛傳熱模型。由解碼器計(jì)算內(nèi)部水套表面?zhèn)鳠帷?/p>

圖1 CAE模型

1.2 計(jì)算結(jié)果

在這一節(jié)中，主要介紹空氣-燃料混合物的溫度和冷卻熱在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋、氣缸套和活塞中所受的影響。

如圖2所示，空氣-燃料混合物接觸到燃燒室表面,如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、進(jìn)氣沖程活塞的缸套。當(dāng)接觸到發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的表面時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)部件的熱傳導(dǎo)，空氣-燃料混合物的溫度將上升。當(dāng)空氣-燃料混合物的溫度上升時(shí),更容易發(fā)生爆震。因此,運(yùn)用CAE來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)哪個(gè)部分具有最大的熱傳導(dǎo)，從而限制空氣-燃料混合物冷卻溫度的上升變得尤為重要。

圖3表示CAE計(jì)算出的從進(jìn)氣到點(diǎn)火這一過(guò)程中，燃燒室每個(gè)表面到空氣-燃料混合物的傳熱比。結(jié)果表明，缸套傳導(dǎo)至空氣-燃料混合物的熱能比缸蓋和活塞傳導(dǎo)至空氣-燃料混合物的熱能更高。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是缸套的表面面積更大。

圖3 從進(jìn)氣到點(diǎn)火最大熱損失

圖4顯示了在進(jìn)氣和壓縮沖程中，空氣-燃料混合物溫度的變化和每個(gè)燃燒室表面的表面面積比。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角從-270°到-90°過(guò)程中可以很明顯地看到，缸套的表面面積比是最大的，燃料混合物的溫度也低于表面溫度。這將導(dǎo)致熱傳導(dǎo)至燃料混合物內(nèi),缸套比活塞和缸蓋消耗更多的熱量。

圖4 表面積和溫度的關(guān)系

因此缸套在能量交換過(guò)程中扮演著重要的角色。缸套表面溫度的細(xì)節(jié)分布如圖5所示?？梢钥闯霏h(huán)繞區(qū)域有相對(duì)較大的熱量。這些區(qū)域是燃料混合物從進(jìn)氣口高速流動(dòng)的區(qū)域。高流速導(dǎo)致從表面到空氣-燃料混合物的快速熱傳導(dǎo)。

圖5 表面面積和溫度的關(guān)系

圖6表示了在做功沖程中從燃燒氣體到發(fā)動(dòng)機(jī)每一部分的熱傳導(dǎo)。相比于活塞和缸蓋，缸套從燃燒氣體獲得的熱量更少。如圖7所示,燃燒氣體的溫度在做功沖程的初始階段很高。在這段時(shí)間里,活塞和缸蓋與缸套相比有相對(duì)較大的表面積,可以從燃燒氣體接收更多的熱量。

圖6 從點(diǎn)火到做功熱損失

圖7 表面積和溫度的關(guān)系

在這一節(jié)中,分析了CAE仿真的結(jié)果。結(jié)果表明：提高缸套的冷卻效果對(duì)于提高爆震是一種有效的方法。其中，冷卻缸套排氣端的上部是最為有效的。

2 單缸分析

一般來(lái)說(shuō),發(fā)動(dòng)機(jī)只有一個(gè)單一的冷卻路徑。因此，很難控制從燃燒氣體流向發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)部件的熱能。在這項(xiàng)研究中,發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)單缸共有14個(gè)冷卻水路徑和150 mV熱電偶。圖8顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)格。在氣缸蓋設(shè)置8個(gè)冷卻水路徑,其中6個(gè)冷卻路徑放置在氣缸套一邊,分為進(jìn)氣、排氣。進(jìn)氣和排氣端又分為上、中、下3個(gè)部分。

發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表1所示。在缸蓋和氣缸共有150個(gè)熱電偶用以測(cè)量和計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通過(guò)每個(gè)部分熱流的溫差。

圖8 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)布局

表1 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)單缸熱量分析

文中最重要的是研究在爆震和冷卻熱損失中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)熱流凈化燃燒室每個(gè)部分的溫度的影響。在熱流動(dòng)模式下測(cè)量化學(xué)計(jì)量和精益燃燒狀態(tài)參數(shù)的方法很有效。

在精益燃燒條件下,冷卻損失減少。此時(shí)的條件為IMEP0.6 MPa、2 800 r/min,空氣-燃料比A/F分別為14.6和20。圖9顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套熱流動(dòng)的比較。箭頭的方向顯示了在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)中熱流的方向，長(zhǎng)度表示熱流動(dòng)值。如圖9所示,當(dāng)空氣燃料比由化學(xué)計(jì)量條件改變?yōu)榫嫒紵龡l件時(shí)，氣缸套內(nèi)熱流動(dòng)減少了20%。在這種情況下,空氣燃料比A/F從14.6改為20。

圖9 熱流量

圖10顯示了熱平衡。通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)溫度可知冷卻熱損失減少了20%。

圖10 熱平衡

2.2 缸套材料對(duì)爆震的影響

之前的計(jì)算結(jié)果表明,降低氣缸套的溫度是提高抗爆性的一種有效方法。為了驗(yàn)證CAE結(jié)果, 為了研究熱流動(dòng)的熱導(dǎo)率和單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性，將氣缸套所使用的材料從鑄鐵切換到鋁。特別需要指出的是,使用導(dǎo)熱系數(shù)更大的鋁將減少氣缸套的壁溫并提高抗爆性。材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。

表2 測(cè)試引擎襯管規(guī)格

圖11顯示了氣缸套材料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部和氣缸套壁溫度的影響。圖12顯示了氣缸套材料對(duì)抗爆性和指示熱效率的影響。圖11中,鑄鐵材料轉(zhuǎn)換為鋁使得氣缸套的壁溫下降。這是因?yàn)殇X的導(dǎo)熱系數(shù)比鑄鐵高。因此，最佳的點(diǎn)火時(shí)間是2.5 ℃A，如圖12所示。這意味著抗爆性像預(yù)期的那樣提高了。這個(gè)結(jié)果意味著有效壓力(IMEP) 增加2.4%，指示熱效率增長(zhǎng)了2.5%。

圖11 襯套材料的影響

在此節(jié)中,通過(guò)CAE仿真，確定改變了爆震時(shí)氣缸套的溫度。為了對(duì)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)作進(jìn)一步研究,每個(gè)冷卻路徑的溫度都發(fā)生了改變。

2.3 活塞溫度對(duì)爆震的影響

單缸發(fā)動(dòng)機(jī)有14個(gè)獨(dú)立的冷卻水路徑，因此通過(guò)改變每個(gè)冷卻水路徑的溫度來(lái)研究抗震性是有可能的。在該測(cè)試中,一個(gè)冷卻路徑的水溫要控制在25 ℃以內(nèi)，另一個(gè)路徑螢石的水溫控制到90 ℃以內(nèi)。圖13顯示了2 800 r/min的結(jié)果。

圖13 冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的各部分對(duì)熱效率的影響

就像上一節(jié)所示,發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套的上方對(duì)排氣有巨大的影響。可以看到冷卻進(jìn)氣口(部分2)的上半部分出現(xiàn)了類似的效果。

為了將抗爆性降低到最低，整個(gè)冷卻水路徑的水溫需控制到25 ℃。這個(gè)結(jié)果如圖13中標(biāo)記的“×”所示。盡管點(diǎn)火時(shí)間是可以在2.5 ℃A的基礎(chǔ)上增加的，為了提高抗爆性,通過(guò)改進(jìn)冷卻氣缸蓋排氣端上部并測(cè)試的結(jié)果是相同的。這是因?yàn)槔鋮s整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)導(dǎo)致冷卻熱損失的增加。

冷卻適當(dāng)?shù)牟糠挚梢杂行У靥岣呖贡詮亩鴾p少冷卻熱損失。在這項(xiàng)研究中,發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦的影響并未考慮。在未來(lái)的研究中,摩擦的影響將會(huì)被考慮。

2.4 寒冷條件下的熱流動(dòng)

發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱過(guò)程對(duì)于提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性非常重要。在這項(xiàng)研究中,壁溫和熱流的變化會(huì)被實(shí)時(shí)監(jiān)控。圖14顯示壁溫的變化,可見(jiàn)缸蓋和上方氣缸套的溫度迅速增加，然而從氣缸套下部到中間部分的傳熱時(shí)間卻要150 s。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因一般分為兩種：一種是氣缸套較低部分和冷卻路徑之間的距離過(guò)長(zhǎng)；另一個(gè)原因是氣缸套與活塞接觸的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度過(guò)高。圖15顯示了開(kāi)始測(cè)試后發(fā)動(dòng)機(jī)熱流動(dòng)在t=100 s和t=1 000 s時(shí)實(shí)時(shí)情況。這表明發(fā)動(dòng)機(jī)熱流動(dòng)隨著時(shí)間的推移而增加。該熱能用于低溫條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱。因此,發(fā)動(dòng)機(jī)的熱流量會(huì)減少。

圖14 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱過(guò)程中壁溫的變化

圖15 100 s和1 000 s時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱流動(dòng)

3 總結(jié)

為了研究爆震和冷卻熱損失對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)頭部、氣缸套、活塞溫度的影響,通過(guò)CAE軟件建立單缸模型，計(jì)算并得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)運(yùn)用CAE軟件，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)頭部、氣缸套、活塞在進(jìn)氣沖程的膨脹期間其冷卻熱損失和燃料混合物溫度的變化?？梢钥闯觯瑲飧滋讓?duì)燃料混合物的溫度有很大的影響但對(duì)冷卻熱損失的影響卻很小。

(2)CAE中的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)模型用于計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下的熱流動(dòng)情況。隨著時(shí)間的推移，發(fā)動(dòng)機(jī)熱流動(dòng)也隨之增加。發(fā)動(dòng)機(jī)所獲得的這部分熱能主要用于低溫條件下的預(yù)熱。

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Engine Thermal Control for Improving Engine Thermal Efficiency and Anti-knock Quality

HUANG Shuo

(Dongfeng Commercial Vehicle Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430056，China)

In recent years, improving engine thermal efficiency is strongly required. To enhance engine thermal efficiency, it is important to improve engine anti-knock quality. Technologies for improving engine cooling have been developed to improve anti-knock quality of engines. However, excessive improvement to engine cooling leads to an increase in cooling heat loss. Computer aided engineering (CAE) was used to predict the effects of each part of the engine on engine knocking and cooling heat loss. Firstly, the amount of heat energy that air-fuel mixture received from engine cylinder-head, cylinder-liner and piston was calculated during the intake stroke. The result shows that the cylinder-liner contributes largest heat energy to air-fuel mixture, especially the exhaust side. It indicates that the cylinder-liner has a maximum effect to the temperature rise of the air-fuel mixture. Secondly, the amount of heat energy discharged from the combustion gas to engine cylinderhead, cylinder-liner and piston was calculated during the expansion stroke. The result shows that the cylinder-liner receives the smallest heat energy from the combustion gas. These CAE results indicate that cooling the upper part of the cylinder-liner on the exhaust side is an effective way to improve anti-knock quality.

Engine;Thermal efficiency; Anti-knock quality; Thermal control

2016-08-25

黃碩(1989—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)檎嚰夹g(shù)。 E-mail：fdjc-huangshuo@dfcv.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.005

U464

A

1674-1986(2016)12-022-06