汽車發(fā)電機發(fā)電機熱功率和熱平衡的研究

譚澤松

（索恩格汽車部件有限公司，湖南 長沙 410200）

車用發(fā)電機熱功率與熱平衡是汽車制造研究領(lǐng)域中研究的重要內(nèi)容，主要是站在系統(tǒng)的整體角度與集成化的角度對發(fā)電機各系統(tǒng)之間的聯(lián)系進行深入性的研究，從而達到各系統(tǒng)與發(fā)電機之間合理化匹配進而實現(xiàn)優(yōu)化汽車發(fā)電機性能的目的，促進汽車整體性能得到提升，在滿足客戶需求的同時提高汽車生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟收益。因此，加強車用發(fā)電機熱功率與熱平衡的研究力度對汽車制造行業(yè)具有現(xiàn)實意義。

1 汽車發(fā)電機熱平衡研究方法

在汽車發(fā)電機熱平衡系統(tǒng)中燃燒的過程會產(chǎn)生一定的熱量Qf，Qf 會轉(zhuǎn)化成較多的部分主要表現(xiàn)在：轉(zhuǎn)化成有效功熱量部分、轉(zhuǎn)化成排氣系統(tǒng)運行中帶走的部分熱量、轉(zhuǎn)化成進入到冷卻介質(zhì)中的熱量等，可以應(yīng)用發(fā)電機熱平衡方程式表示出熱量：Qf=Pe+Qes+Qw+Qoil+Qu。在以往熱平衡研究中主要采用的試驗?zāi)Ｊ剑ㄟ^此模式應(yīng)用于發(fā)電機生產(chǎn)中后卻表現(xiàn)出生產(chǎn)效率與成本投入方面未達到有效提升與降低的效果，并且在試驗中需要應(yīng)用的設(shè)備與儀器要達到較高的精度要求，容易發(fā)生因設(shè)備與儀器的問題而影響試驗結(jié)果的準確性喪失熱平衡實驗的意義[1]。熱平衡研究在計算機與信息技術(shù)快速發(fā)展下逐漸應(yīng)用了計算機進行試驗的方式，利用計算機試驗?zāi)軌蜻_到預(yù)先研究的效果且不會受到較多條件的限制達到逼真的試驗效果，并在用研究過程中會投入較高的成本且含有豐富的信息及試驗周期短的優(yōu)勢。

圖1 汽車發(fā)電機熱平衡研究方法

2 汽車發(fā)電機熱功率研究方法

汽車發(fā)電機熱功率主要是將化學(xué)能向熱能轉(zhuǎn)換，再由熱能向機械能轉(zhuǎn)換進而實現(xiàn)發(fā)電機的驅(qū)動。為了提升汽車發(fā)電機熱功率實施了各項研究，研究結(jié)論表示要提高熱功率需要注重燃燒效率的提升，主要是因為在排氣過程中會損失較大的熱量。通過采取富氧燃燒的措施且達到充分霧化的過程達到提高熱功率的目的。另外，燃燒效率與轉(zhuǎn)速之間存在著較大的關(guān)聯(lián)性，如果轉(zhuǎn)速較高燃燒與空間間的混合時間和燃燒時間會相應(yīng)縮短，因此還需要在轉(zhuǎn)速方面進一步研究。上述闡述的排氣過程會損失較大熱量，應(yīng)減少排氣量的損失因為發(fā)電機膨脹比與壓縮比之間是相等同的關(guān)系，如果大部分能量在排氣過程中浪費會降低熱功率。因此，提高熱功率的方式還可采取將壓縮比與膨脹比相等同的結(jié)果轉(zhuǎn)變成不等同，在實際中采用阿特金森循環(huán)方式。

圖2 發(fā)動機特性曲線圖

2 汽車發(fā)電機熱平衡與熱功率研究現(xiàn)狀

2.1 發(fā)電機熱平衡研究現(xiàn)狀

（1）發(fā)電機工作狀態(tài)中與零部件存在的熱行為研究。在研究發(fā)電機工作狀態(tài)中與零部件熱行為時主要是站在各種不確定參數(shù)對發(fā)電機性能影響的角度進行研究，在研究熱量傳遞與消耗時利用了計算機仿真試驗?zāi)Ｊ?，通過創(chuàng)建的物理化學(xué)模型運用微分方程對發(fā)電機的工作狀態(tài)進行數(shù)學(xué)計算，通過計算的過程獲取有效功轉(zhuǎn)化成熱量消耗的數(shù)值及得到排氣系統(tǒng)帶走的部分熱量數(shù)值。典型的研究成果中存在依據(jù)發(fā)電機缸內(nèi)燃燒工作的狀態(tài)建立了熱力學(xué)模型及燃燒模型，特別是構(gòu)建出多維模型描述出發(fā)動機的工作過程，通過各種模型的創(chuàng)建的各種模型對發(fā)電機的熱平衡進行優(yōu)化設(shè)計進而達到提升發(fā)電機性能的目的。其中，多維研究模型的建立以美國創(chuàng)建的KIVA 軟件最為顯著，其能夠?qū)Πl(fā)電機缸內(nèi)的工作狀態(tài)進行全面性的分析，而我國創(chuàng)建的多維研究模型在借鑒國外經(jīng)驗基礎(chǔ)上創(chuàng)建出了RES3C-模型，能夠全面性仿真發(fā)電機的有效功消耗量與計算出進排氣流量進而應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計中實現(xiàn)提升發(fā)電機性能的目的。此外，在研究發(fā)電機缸內(nèi)部件的傳熱情況時主要是模擬出燃燒室的對流情況、輻射傳熱的情況，并根據(jù)模擬后的數(shù)據(jù)進行計算分析，我國針對這方面的研究較早。在研究燃燒室部件的導(dǎo)熱與傳熱行為時較為突出的是研究學(xué)者應(yīng)用MARC 軟件進行三維有限元分析的方式計算研究燃燒室部件的溫度場與換熱狀態(tài)，通過本次研究為優(yōu)化設(shè)計提供了理論性的基礎(chǔ)促進設(shè)計效果的提升[2]。

（2）發(fā)動機整機熱平衡的研究。以往研究汽車發(fā)電機工作過程與零部件的熱行為中存在一定的局限性，為了突破研究局限性達到提升發(fā)電機性能的目的逐漸引入了發(fā)電機整機熱平衡的仿真式研究過程，能夠在完善研究模型的基礎(chǔ)上進一步提升仿真結(jié)果的準確性[3]。目前，我國創(chuàng)建的整機熱平衡研究模型與建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還不夠完善現(xiàn)象，主要是在發(fā)電機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建出各系統(tǒng)的模型，能夠在各系統(tǒng)模型的耦合狀態(tài)與構(gòu)建出整機模型實施熱平衡研究，最為突出的表現(xiàn)是最早創(chuàng)建的活塞組-機油-氣缸套耦合系統(tǒng)模型，此模型應(yīng)用于熱平衡研究后未將活塞環(huán)組摩擦熱對熱平衡的影響考慮在內(nèi)，導(dǎo)致最終的研究結(jié)果不能實現(xiàn)有效的指導(dǎo)。目前，國內(nèi)外對于汽車發(fā)電機熱平衡的研究正呈現(xiàn)出從粗糙到精細化研究的過程，對汽車發(fā)電機的性能優(yōu)化起到了積極性的推動作用。

2.2 汽車發(fā)電機熱功率的研究現(xiàn)狀

汽車發(fā)電機的熱功率是評估汽車發(fā)電機性能的主要指標(biāo)之一，客戶在選擇時更多注重的是汽車是否省油的問題，而在考察汽車是否省油的過程中除了要看排量外，更多關(guān)注的是汽車發(fā)電機熱效率。發(fā)電機熱功率越高代表著汽車燃油經(jīng)濟性越佳、性能也越強，還具有較好的排放量。因此，在研究提高發(fā)電機性能除了要研究熱平衡外，還需要針對熱功率的提升進行研究。汽車發(fā)電機熱功率的提升主要注重三個方面：一是混合加熱循環(huán)、二是等容循環(huán)、三是等壓循環(huán)，通過三者之間的循環(huán)過程進行對比分析并將分析結(jié)果應(yīng)用于設(shè)計中進而達到優(yōu)化發(fā)電機熱功率的效果。研究學(xué)者經(jīng)過研究后，針對上述三方面進行了研究，從研究結(jié)論可知，通過三個循環(huán)之間的對比過程，能夠挖掘出某項循環(huán)中存在的不足并針對不足進行有效的優(yōu)化進而達到逐漸提升汽車發(fā)電機熱功率的目的，通過熱功率的提升達到了省油的目標(biāo)進而滿足客戶的省油需求。

3 結(jié) 語

綜上所述，汽車發(fā)電機熱平衡與熱功率的研究是提高發(fā)電機性能的重要措施，只有通過不斷研究如何提升兩者效率，才能在研究過程中挖掘出影響熱平衡與熱功率的因素并通過合理化的優(yōu)化過程達到兩者有效提升的目的。另外，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展下會誕生出更多的先進技術(shù)，在研究熱平衡與熱功率時應(yīng)及時引入先進的技術(shù)進而達到不斷提高發(fā)電機性能的目標(biāo)。