冷却热控制对提高发动机热效率和抗爆性的研究

黄硕

(东风商用车有限公司，湖北武汉 430056)

冷却热控制对提高发动机热效率和抗爆性的研究

黄硕

(东风商用车有限公司，湖北武汉 430056)

近年来,提高发动机的热效率变得越来越重要。提高发动机的热效率需要提高发动机的抗爆性。提高发动机抗爆性主要是通过改善发动机冷却技术来实现的。然而，过度地改善发动机冷却技术会导致冷却热损失的增加。用CAE计算发动机每一部分爆震和冷却热损失的影响。首先，计算空气-燃料混合物进气冲程中发动机缸盖、缸套和活塞的热量。结果表明, 空气-燃料混合物的最大热量位于缸套的排气端。这说明,缸套在空气-燃料混合物的温度上升过程中起着重要的作用。其次，大量的热能在做功冲程中传导到发动机缸盖、缸套和活塞上,气缸套传导的热能最小。综上所述,冷却缸套排气端是提高抗爆性的有效方法。

发动机;热效率；抗爆性；热控制

0 引言

目前,由于能源短缺和全球气候变暖等问题，越来越重视提高发动机的热效率。想要提高发动机热效率,应该从理论和实践两个方面考虑。从理论上讲, 提高热效率的有效方法是提高压缩比和提高燃烧效率[1-2]。然而,压缩比越高爆震的可能性也就越大,因此提高发动机的抗爆性变得尤为重要。增加热效率意味着提高抗爆性,减少冷却损失,减少发动机的摩擦。文中研究的重点是提高发动机的抗爆性。

正如之前论述,提高压缩比是提高发动机热效率的主要方法。然而过高的压缩比会导致爆震。由此可见，提高发动机抗爆性乃是重中之重。Livengood-Wu积分法是使用最广泛的计算自动点火延迟时间的方法。这个公式表明：减少燃烧时间、冷却燃料混合物、降低压力等方法都可以有效延迟自动点火时间。技术人员从这几个方面开发了很多新技术用以提高抗爆性。典型的技术包括利用偏压、直接燃油喷射减少燃烧时间；改善发动机冷却系统，降低燃料混合物的温度等。

改善发动机冷却系统对提高抗爆性是最为有效的。因此,多年来为了提高发动机的抗爆性，冷却技术依然在不断革新。然而,过度地改善发动机冷却系统，同时也意味着不必要的冷却热损失的增加。为了找到一个在提高抗爆性和冷却减少热损失之间的平衡点,作者研究气缸盖、气缸套和活塞温度在抗爆性和冷却热损失上的影响。

过去的研究主要集中在热流动燃气发动机[3-8]和使用薄膜热流动来计算安装在燃烧室表面的热电偶[9-14]。文中运用CAE分析来计算燃烧室内每个部分的抗爆性和冷却热损失，然后进行验证。

1 CAE模型

1.1 模型建立

燃烧气体从气缸传热到发动机的其余部件,通过计算每个循环内温度的变化以及压力和气体的流动速度，可以计算出发动机的热流动。

图1是在STAR-CD软件上建立的CAE模型。第一个模型计算气缸内整个发动机循环的瞬变流动，其中使用k-ε模型模拟标准的湍流模型。通过每个燃烧室壁表面的空气-燃料混合物温度来计算传热速率，从而确定燃烧室壁的热流边界条件。计算所得的壁温作为壁温的边界条件。第二个模型的计算对象为结构和水温，为了模拟发动机实际的单缸结构，运用SCRYU-Tetra软件建立由气缸盖、气缸套、活塞和冷却水组成的共轭传热模型。由解码器计算内部水套表面传热。

图1 CAE模型

1.2 计算结果

在这一节中，主要介绍空气-燃料混合物的温度和冷却热在发动机气缸盖、气缸套和活塞中所受的影响。

如图2所示，空气-燃料混合物接触到燃烧室表面,如发动机缸盖、进气冲程活塞的缸套。当接触到发动机各部件的表面时，由于发动机每个部件的热传导，空气-燃料混合物的温度将上升。当空气-燃料混合物的温度上升时,更容易发生爆震。因此,运用CAE来分析发动机哪个部分具有最大的热传导，从而限制空气-燃料混合物冷却温度的上升变得尤为重要。

图3表示CAE计算出的从进气到点火这一过程中，燃烧室每个表面到空气-燃料混合物的传热比。结果表明，缸套传导至空气-燃料混合物的热能比缸盖和活塞传导至空气-燃料混合物的热能更高。导致这一结果的主要原因是缸套的表面面积更大。

图3 从进气到点火最大热损失

图4显示了在进气和压缩冲程中，空气-燃料混合物温度的变化和每个燃烧室表面的表面面积比。当曲轴转角从-270°到-90°过程中可以很明显地看到，缸套的表面面积比是最大的，燃料混合物的温度也低于表面温度。这将导致热传导至燃料混合物内,缸套比活塞和缸盖消耗更多的热量。

图4 表面积和温度的关系

因此缸套在能量交换过程中扮演着重要的角色。缸套表面温度的细节分布如图5所示。可以看出环绕区域有相对较大的热量。这些区域是燃料混合物从进气口高速流动的区域。高流速导致从表面到空气-燃料混合物的快速热传导。

图5 表面面积和温度的关系

图6表示了在做功冲程中从燃烧气体到发动机每一部分的热传导。相比于活塞和缸盖，缸套从燃烧气体获得的热量更少。如图7所示,燃烧气体的温度在做功冲程的初始阶段很高。在这段时间里,活塞和缸盖与缸套相比有相对较大的表面积,可以从燃烧气体接收更多的热量。

图6 从点火到做功热损失

图7 表面积和温度的关系

在这一节中,分析了CAE仿真的结果。结果表明：提高缸套的冷却效果对于提高爆震是一种有效的方法。其中，冷却缸套排气端的上部是最为有效的。

2 单缸分析

一般来说,发动机只有一个单一的冷却路径。因此，很难控制从燃烧气体流向发动机每个部件的热能。在这项研究中,发动机一个单缸共有14个冷却水路径和150 mV热电偶。图8显示了发动机规格。在气缸盖设置8个冷却水路径,其中6个冷却路径放置在气缸套一边,分为进气、排气。进气和排气端又分为上、中、下3个部分。

发动机基本参数如表1所示。在缸盖和气缸共有150个热电偶用以测量和计算发动机内通过每个部分热流的温差。

图8 测试发动机布局

表1 测试发动机基本参数

2.1 发动机单缸热量分析

文中最重要的是研究在爆震和冷却热损失中发动机内热流净化燃烧室每个部分的温度的影响。在热流动模式下测量化学计量和精益燃烧状态参数的方法很有效。

在精益燃烧条件下,冷却损失减少。此时的条件为IMEP0.6 MPa、2 800 r/min,空气-燃料比A/F分别为14.6和20。图9显示了发动机气缸套热流动的比较。箭头的方向显示了在单缸发动机中热流的方向，长度表示热流动值。如图9所示,当空气燃料比由化学计量条件改变为精益燃烧条件时，气缸套内热流动减少了20%。在这种情况下,空气燃料比A/F从14.6改为20。

图9 热流量

图10显示了热平衡。通过测量发动机温度可知冷却热损失减少了20%。

图10 热平衡

2.2 缸套材料对爆震的影响

之前的计算结果表明,降低气缸套的温度是提高抗爆性的一种有效方法。为了验证CAE结果, 为了研究热流动的热导率和单缸发动机的抗爆性，将气缸套所使用的材料从铸铁切换到铝。特别需要指出的是,使用导热系数更大的铝将减少气缸套的壁温并提高抗爆性。材料的导热系数如表2所示。

表2 测试引擎衬管规格

图11显示了气缸套材料对发动机头部和气缸套壁温度的影响。图12显示了气缸套材料对抗爆性和指示热效率的影响。图11中,铸铁材料转换为铝使得气缸套的壁温下降。这是因为铝的导热系数比铸铁高。因此，最佳的点火时间是2.5 ℃A，如图12所示。这意味着抗爆性像预期的那样提高了。这个结果意味着有效压力(IMEP) 增加2.4%，指示热效率增长了2.5%。

图11 衬套材料的影响

在此节中,通过CAE仿真，确定改变了爆震时气缸套的温度。为了对单缸发动机作进一步研究,每个冷却路径的温度都发生了改变。

2.3 活塞温度对爆震的影响

单缸发动机有14个独立的冷却水路径，因此通过改变每个冷却水路径的温度来研究抗震性是有可能的。在该测试中,一个冷却路径的水温要控制在25 ℃以内，另一个路径萤石的水温控制到90 ℃以内。图13显示了2 800 r/min的结果。

图13 冷却发动机的各部分对热效率的影响

就像上一节所示,发动机气缸套的上方对排气有巨大的影响。可以看到冷却进气口(部分2)的上半部分出现了类似的效果。

为了将抗爆性降低到最低，整个冷却水路径的水温需控制到25 ℃。这个结果如图13中标记的“×”所示。尽管点火时间是可以在2.5 ℃A的基础上增加的，为了提高抗爆性,通过改进冷却气缸盖排气端上部并测试的结果是相同的。这是因为冷却整个发动机会导致冷却热损失的增加。

冷却适当的部分可以有效地提高抗爆性从而减少冷却热损失。在这项研究中,发动机摩擦的影响并未考虑。在未来的研究中,摩擦的影响将会被考虑。

2.4 寒冷条件下的热流动

发动机的预热过程对于提高车辆燃油经济性非常重要。在这项研究中,壁温和热流的变化会被实时监控。图14显示壁温的变化,可见缸盖和上方气缸套的温度迅速增加，然而从气缸套下部到中间部分的传热时间却要150 s。导致这一现象的原因一般分为两种：一种是气缸套较低部分和冷却路径之间的距离过长；另一个原因是气缸套与活塞接触的时间过长，温度过高。图15显示了开始测试后发动机热流动在t=100 s和t=1 000 s时实时情况。这表明发动机热流动随着时间的推移而增加。该热能用于低温条件下的发动机预热。因此,发动机的热流量会减少。

图14 发动机预热过程中壁温的变化

图15 100 s和1 000 s时发动机的热流动

3 总结

为了研究爆震和冷却热损失对发动机头部、气缸套、活塞温度的影响,通过CAE软件建立单缸模型，计算并得出以下结论：

(1)通过运用CAE软件，计算发动机头部、气缸套、活塞在进气冲程的膨胀期间其冷却热损失和燃料混合物温度的变化。可以看出，气缸套对燃料混合物的温度有很大的影响但对冷却热损失的影响却很小。

(2)CAE中的单缸发动机模型用于计算发动机在低温条件下的热流动情况。随着时间的推移，发动机热流动也随之增加。发动机所获得的这部分热能主要用于低温条件下的预热。

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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

黄硕(1989—)，男，硕士研究生，工程师，研究方向为整车技术。 E-mail：fdjc-huangshuo@dfcv.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.005

U464

A

1674-1986(2016)12-022-06