轎車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻方法研究
——第一部分　實(shí)現(xiàn)高傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)試驗(yàn)

【日】　K.Matsumoto　H.Harada　H.Taniguchi　N.Ito

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試驗(yàn)研究

轎車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻方法研究
——第一部分實(shí)現(xiàn)高傳熱系數(shù)的基礎(chǔ)試驗(yàn)

【日】K.MatsumotoH.HaradaH.TaniguchiN.Ito

轎車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的冷卻技術(shù)對(duì)于提高壓縮比和控制活塞變形十分重要。眾所周知，在計(jì)算機(jī)和空調(diào)器中采用熱管能夠明顯改善導(dǎo)熱率，然而，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不能采用常規(guī)的熱管，因?yàn)闅饬骱鸵毫鲿?huì)受到振動(dòng)的干擾，因而會(huì)使導(dǎo)熱率很低。開發(fā)了1種新穎的熱管，并進(jìn)行了試驗(yàn)，利用1臺(tái)高速往復(fù)試驗(yàn)裝置確定了它的傳熱系數(shù)。試驗(yàn)是在單熱管基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但成功地使高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)下的傳熱系數(shù)比靜止?fàn)顟B(tài)的傳熱系數(shù)提高了1.6倍。詳細(xì)介紹觀測(cè)到的特性及驗(yàn)證方法。下一步計(jì)劃將這一方法應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞上。

活塞傳熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)熱管節(jié)流片

0　引言

為適應(yīng)燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境兼容性的發(fā)展趨勢(shì)，活塞冷卻方法是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中提高壓縮比和抑制變形的1項(xiàng)重要技術(shù)。

活塞通常利用活塞上的冷卻通道和活塞下方的機(jī)油噴束進(jìn)行冷卻。由于冷卻液傳熱系數(shù)不夠高，因而冷卻有效性低于期望值。通常，計(jì)算機(jī)和空調(diào)器中采用的熱管其導(dǎo)熱率要比上述冷卻技術(shù)的導(dǎo)熱率高10倍。然而，由于熱管的結(jié)構(gòu)特征，無法避免氣流和液流受到振動(dòng)干擾，因而導(dǎo)熱率很低。至今，熱管還沒有應(yīng)用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)。

本田公司技術(shù)中心對(duì)熱管應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻的可能性進(jìn)行了研究，通過改變熱管內(nèi)部的μ值，以及利用高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的自激振蕩振動(dòng)來控制氣體和液體的雙層流動(dòng)，并確保在不降低熱傳輸量的情況下達(dá)到高傳熱系數(shù)。雖然試驗(yàn)是在單熱管基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但成功地使高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)下的傳熱系數(shù)，比靜止?fàn)顟B(tài)下的傳熱系數(shù)提高了1.6倍。本文詳細(xì)介紹觀測(cè)到的特性及驗(yàn)證方法。

1　熱管設(shè)計(jì)

圖1為商用熱管試件在高速往復(fù)試驗(yàn)裝置上的安裝結(jié)構(gòu)圖。

圖1　采用商用熱管的試件結(jié)構(gòu)圖

圖2為新開發(fā)的熱管，其內(nèi)部裝有若干節(jié)流口，用以控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)氣體和液體的流動(dòng)。熱管布局采用閉環(huán)形式。

圖2　新穎熱管試件的結(jié)構(gòu)

(a)　　　　　　(b)圖3　熱管結(jié)構(gòu)

圖3為熱管結(jié)構(gòu)。圖3(a)為內(nèi)部有網(wǎng)狀吸液帶的商用熱管。圖3(b)為新穎熱管，其內(nèi)部設(shè)有固定間距布置的用以控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)氣流和液流的節(jié)流口。

圖4為圖1和圖2中所示試件的結(jié)構(gòu)剖面圖。該試件包括用鋁材料覆蓋的熱管和外部隔熱材料。在試件的3個(gè)位置上安裝了熱電偶，以測(cè)量熱流。

圖4　試件剖面圖

熱管的制備方法如下： 在室溫下將冷卻液加注到熱管內(nèi)(本案例中為純水)，采用加熱器從底部加熱鋁制試件，測(cè)量壓力及溫度，當(dāng)冷卻液達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量時(shí)封閉熱管。圖5為封裝過程圖。

圖5　密封過程圖

熱管密封后，將包含熱管的整個(gè)鋁制試件加熱到試驗(yàn)溫度，確定飽和蒸氣壓力狀態(tài)。圖6為飽和蒸氣壓力曲線。

圖6　飽和蒸氣壓力曲線圖

圖7為試件中的熱流狀態(tài)。

圖7　試件中的熱流

利用圖7中左側(cè)的陶瓷加熱器進(jìn)行加熱，由散熱翅片進(jìn)行散熱。圖中所示的熱流方向?yàn)閺淖蟮接摇?/p>

2　往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

表1為往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)的條件。

表1　試驗(yàn)條件

為試驗(yàn)準(zhǔn)備了4種新穎熱管。為確定最佳水汽比，將3根熱管的水汽比分別設(shè)定為50/50，70/30及80/20。為了進(jìn)行對(duì)比，還用另外1種形狀相同但內(nèi)部無熱管的試件進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，用安裝在試件2個(gè)位置上的熱電偶測(cè)量溫度，當(dāng)達(dá)到某一穩(wěn)定溫度時(shí)改變滑動(dòng)速度，達(dá)到規(guī)定滑動(dòng)速度時(shí)以相同方式再次測(cè)量溫度。

采用圖8所示的試驗(yàn)裝置進(jìn)行高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。陶瓷加熱器的輸入功率設(shè)定為30 W。

圖8　高速往復(fù)試驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)件

圖9為試驗(yàn)中拍攝的熱管試件及其周圍環(huán)境的照片。

圖9　高速試驗(yàn)中的試件(往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度3 m/s)

3　試驗(yàn)結(jié)果

假設(shè)熱輻射相同，計(jì)算了2個(gè)橫截面(帶有熱管的鋁制試件和不帶熱管的鋁制試件)的熱平衡。

根據(jù)下列公式計(jì)算熱平衡。

(1)

其中，q為熱流量;λe為導(dǎo)熱系數(shù);Ae為橫截面積;L為長度。

(2)

其中，λ1為鋁導(dǎo)熱系數(shù);λ2為熱管導(dǎo)熱系數(shù);A1為鋁塊橫截面積;A2為熱管橫截面積。

圖10為高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)熱管的效果。在靜止?fàn)顟B(tài)下，商用熱管的導(dǎo)熱系數(shù)約為3000 W/(m·K)。

圖10　高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)熱管的效果

無熱管的鋁制試件的有效導(dǎo)熱系數(shù)為140 W/(m·K)， 它不會(huì)隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度變化而發(fā)生改變。

另一方面，受熱管內(nèi)空氣的影響，在靜止?fàn)顟B(tài)下水汽比為70/30的試件及橫截面比為10%的熱管的導(dǎo)熱系數(shù)都比無熱管的鋁試件的小，與無熱管的鋁制試件相比，滑動(dòng)速度為2 m/s時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)略有增加，當(dāng)滑動(dòng)速度為3 m/s時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到620 W/(m·K)。 利用以上結(jié)果計(jì)算熱管本身的導(dǎo)熱系數(shù)，滑動(dòng)速度為3 m/s 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為4900 W/(m·K)。

圖11為熱管不同充填比時(shí)的效果。

圖11　熱管不同充填比時(shí)的效果

水汽比為50/50時(shí)，有效傳熱系數(shù)隨速度增加而增加。雖然在速度為2 m/s或更低值時(shí)，水汽比為70/30時(shí)的傳熱系數(shù)小于水汽比為50/50時(shí)的傳熱系數(shù)，但是在速度為3 m/s時(shí)，傳熱系數(shù)急劇升高到620 W/(m·K)。水汽比為80/20時(shí)(比值最高)，速度為1 m/s時(shí)的傳熱系數(shù)為235 W/(m·K)，但是在速度為2 m/s時(shí)傳熱系數(shù)跌至180 W/(m·K)。

4　討論

雖然，液體的傳輸主要依靠熱管中吸液帶的表面張力實(shí)現(xiàn)的，但傳輸量有一定限度。此外，在往復(fù)運(yùn)行條件下，吸液帶表面的液體會(huì)破碎成液滴。因此，液體傳輸量會(huì)減少，傳熱也會(huì)降低。

在本研究中，管壁上的斜面節(jié)流口能促使新穎熱管傳輸液體。低溫端的冷凝液體依靠高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)能很好地飛濺流出，隨后流入熱管。在流入熱管過程中，當(dāng)液滴與節(jié)流口接觸時(shí)，它就會(huì)朝恒定的方向產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。

顯然，在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，通過安裝回流通道就能使液體從冷凝端傳輸?shù)秸舭l(fā)端。

對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)來說，雖然在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，新穎熱管的傳熱量比鋁制試件的小，但是在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，新穎熱管的性能卻得以改善。此外，通過增加往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度，新穎熱管的傳熱系數(shù)能超過鋁塊試件的傳熱系數(shù)。雖然，沒有測(cè)量熱管內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)，但設(shè)想它與上述工作原理是一致的。

5　小結(jié)

在靜止?fàn)顟B(tài)下，有熱管試件的導(dǎo)熱系數(shù)比無熱管的純鋁塊試件的小。這是由于熱管中的氣相使橫截面積減少，從而降低了導(dǎo)熱系數(shù)。

當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度增加時(shí)，新開發(fā)的熱管的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)急劇升高。雖然水汽比為70/30的熱管及橫截面比為10%的熱管在靜止?fàn)顟B(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)大于110 W/(m·K)，但直到滑動(dòng)速度為2 m/s時(shí)其導(dǎo)熱系數(shù)才略有增加，速度為3 m/s時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到620 W/(m·K)。

與商用熱管相比，在靜止?fàn)顟B(tài)下，商品化熱管產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)約為3000 W/(m·K)，而在速度為3 m/s 時(shí)，新穎熱管的導(dǎo)熱系數(shù)為4900 W/(m·K)。因此，高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，熱管的傳熱性能比靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)提高了1.6倍。

研究發(fā)現(xiàn)，增加振動(dòng)慣性力是改善熱傳輸?shù)挠行Х绞?。因而，本田公司技術(shù)中心將這一方法應(yīng)用到轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞冷卻技術(shù)中。

2016-02-22)