黃碩

(東風(fēng)商用車有限公司，湖北武漢 430056)

冷卻熱控制對提高發(fā)動機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,提高發(fā)動機的熱效率變得越來越重要。提高發(fā)動機的熱效率需要提高發(fā)動機的抗爆性。提高發(fā)動機抗爆性主要是通過改善發(fā)動機冷卻技術(shù)來實現(xiàn)的。然而，過度地改善發(fā)動機冷卻技術(shù)會導(dǎo)致冷卻熱損失的增加。用CAE計算發(fā)動機每一部分爆震和冷卻熱損失的影響。首先，計算空氣-燃料混合物進(jìn)氣沖程中發(fā)動機缸蓋、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。這說明,缸套在空氣-燃料混合物的溫度上升過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)動機缸蓋、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)動機;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題，越來越重視提高發(fā)動機的熱效率。想要提高發(fā)動機熱效率,應(yīng)該從理論和實踐兩個方面考慮。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)動機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)動機的摩擦。文中研究的重點是提高發(fā)動機的抗爆性。

正如之前論述,提高壓縮比是提高發(fā)動機熱效率的主要方法。然而過高的壓縮比會導(dǎo)致爆震。由此可見，提高發(fā)動機抗爆性乃是重中之重。Livengood-Wu積分法是使用最廣泛的計算自動點火延遲時間的方法。這個公式表明：減少燃燒時間、冷卻燃料混合物、降低壓力等方法都可以有效延遲自動點火時間。技術(shù)人員從這幾個方面開發(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間；改善發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，降低燃料混合物的溫度等。

改善發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對提高抗爆性是最為有效的。因此,多年來為了提高發(fā)動機的抗爆性，冷卻技術(shù)依然在不斷革新。然而,過度地改善發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，同時也意味著不必要的冷卻熱損失的增加。為了找到一個在提高抗爆性和冷卻減少熱損失之間的平衡點,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。

過去的研究主要集中在熱流動燃?xì)獍l(fā)動機[3-8]和使用薄膜熱流動來計算安裝在燃燒室表面的熱電偶[9-14]。文中運用CAE分析來計算燃燒室內(nèi)每個部分的抗爆性和冷卻熱損失，然后進(jìn)行驗證。

1 CAE模型

1.1 模型建立

燃燒氣體從氣缸傳熱到發(fā)動機的其余部件,通過計算每個循環(huán)內(nèi)溫度的變化以及壓力和氣體的流動速度，可以計算出發(fā)動機的熱流動。

圖1是在STAR-CD軟件上建立的CAE模型。第一個模型計算氣缸內(nèi)整個發(fā)動機循環(huán)的瞬變流動，其中使用k-ε模型模擬標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型。通過每個燃燒室壁表面的空氣-燃料混合物溫度來計算傳熱速率，從而確定燃燒室壁的熱流邊界條件。計算所得的壁溫作為壁溫的邊界條件。第二個模型的計算對象為結(jié)構(gòu)和水溫，為了模擬發(fā)動機實際的單缸結(jié)構(gòu)，運用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。由解碼器計算內(nèi)部水套表面?zhèn)鳠帷?/p>

圖1 CAE模型

1.2 計算結(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)動機氣缸蓋、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)動機缸蓋、進(jìn)氣沖程活塞的缸套。當(dāng)接觸到發(fā)動機各部件的表面時，由于發(fā)動機每個部件的熱傳導(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,更容易發(fā)生爆震。因此,運用CAE來分析發(fā)動機哪個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計算出的從進(jìn)氣到點火這一過程中，燃燒室每個表面到空氣-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燃燒室表面的表面面積比。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角從-270°到-90°過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)動機每一部分的熱傳導(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。在這段時間里,活塞和缸蓋與缸套相比有相對較大的表面積,可以從燃燒氣體接收更多的熱量。

圖6 從點火到做功熱損失

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

一般來說,發(fā)動機只有一個單一的冷卻路徑。因此，很難控制從燃燒氣體流向發(fā)動機每個部件的熱能。在這項研究中,發(fā)動機一個單缸共有14個冷卻水路徑和150 mV熱電偶。圖8顯示了發(fā)動機規(guī)格。在氣缸蓋設(shè)置8個冷卻水路徑,其中6個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個部分。

發(fā)動機基本參數(shù)如表1所示。在缸蓋和氣缸共有150個熱電偶用以測量和計算發(fā)動機內(nèi)通過每個部分熱流的溫差。

圖8 測試發(fā)動機布局

表1 測試發(fā)動機基本參數(shù)

2.1 發(fā)動機單缸熱量分析

文中最重要的是研究在爆震和冷卻熱損失中發(fā)動機內(nèi)熱流凈化燃燒室每個部分的溫度的影響。在熱流動模式下測量化學(xué)計量和精益燃燒狀態(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)動機氣缸套熱流動的比較。箭頭的方向顯示了在單缸發(fā)動機中熱流的方向，長度表示熱流動值。如圖9所示,當(dāng)空氣燃料比由化學(xué)計量條件改變?yōu)榫嫒紵龡l件時，氣缸套內(nèi)熱流動減少了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。通過測量發(fā)動機溫度可知冷卻熱損失減少了20%。

圖10 熱平衡

2.2 缸套材料對爆震的影響

之前的計算結(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。為了驗證CAE結(jié)果, 為了研究熱流動的熱導(dǎo)率和單缸發(fā)動機的抗爆性，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 測試引擎襯管規(guī)格

圖11顯示了氣缸套材料對發(fā)動機頭部和氣缸套壁溫度的影響。圖12顯示了氣缸套材料對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。這是因為鋁的導(dǎo)熱系數(shù)比鑄鐵高。因此，最佳的點火時間是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。這個結(jié)果意味著有效壓力(IMEP) 增加2.4%，指示熱效率增長了2.5%。

圖11 襯套材料的影響

在此節(jié)中,通過CAE仿真，確定改變了爆震時氣缸套的溫度。為了對單缸發(fā)動機作進(jìn)一步研究,每個冷卻路徑的溫度都發(fā)生了改變。

2.3 活塞溫度對爆震的影響

單缸發(fā)動機有14個獨立的冷卻水路徑，因此通過改變每個冷卻水路徑的溫度來研究抗震性是有可能的。在該測試中,一個冷卻路徑的水溫要控制在25 ℃以內(nèi)，另一個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)動機的各部分對熱效率的影響

就像上一節(jié)所示,發(fā)動機氣缸套的上方對排氣有巨大的影響?？梢钥吹嚼鋮s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，整個冷卻水路徑的水溫需控制到25 ℃。這個結(jié)果如圖13中標(biāo)記的“×”所示。盡管點火時間是可以在2.5 ℃A的基礎(chǔ)上增加的，為了提高抗爆性,通過改進(jìn)冷卻氣缸蓋排氣端上部并測試的結(jié)果是相同的。這是因為冷卻整個發(fā)動機會導(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。在這項研究中,發(fā)動機摩擦的影響并未考慮。在未來的研究中,摩擦的影響將會被考慮。

2.4 寒冷條件下的熱流動

發(fā)動機的預(yù)熱過程對于提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性非常重要。在這項研究中,壁溫和熱流的變化會被實時監(jiān)控。圖14顯示壁溫的變化,可見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長；另一個原因是氣缸套與活塞接觸的時間過長，溫度過高。圖15顯示了開始測試后發(fā)動機熱流動在t=100 s和t=1 000 s時實時情況。這表明發(fā)動機熱流動隨著時間的推移而增加。該熱能用于低溫條件下的發(fā)動機預(yù)熱。因此,發(fā)動機的熱流量會減少。

圖14 發(fā)動機預(yù)熱過程中壁溫的變化

圖15 100 s和1 000 s時發(fā)動機的熱流動

3 總結(jié)

為了研究爆震和冷卻熱損失對發(fā)動機頭部、氣缸套、活塞溫度的影響,通過CAE軟件建立單缸模型，計算并得出以下結(jié)論：

(1)通過運用CAE軟件，計算發(fā)動機頭部、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θ剂匣旌衔锏臏囟扔泻艽蟮挠绊懙珜鋮s熱損失的影響卻很小。

(2)CAE中的單缸發(fā)動機模型用于計算發(fā)動機在低溫條件下的熱流動情況。隨著時間的推移，發(fā)動機熱流動也隨之增加。發(fā)動機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，研究方向為整車技術(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