天然气发动机气缸盖热负荷及冷却水腔内沸腾传热研究

摘要

冷却系统是发动机的重要组成部分,起到控制发动机热负荷水平的作用,其性能的优劣还影响到整机的结构紧凑性、动力性、燃油经济性和排放性能。在发动机冷却系统的开发过程中,合理地利用沸腾传热机制的高换热能力有利于强化冷却水腔内的换热强度,从而提高冷却系统的工作效率、改善整机的工作性能。然而,过度的沸腾也可能导致冷却系统内“气阻”故障的发生或“过热点”的出现,以至影响到发动机的正常运行。现代发动机冷却系统的设计理念认为冷却水腔内最理想的传热方式是以对流换热为主而辅以适度的沸腾换热,这样就可以综合利用强制对流换热的稳定性与泡核沸腾传热的高换热能力。因此,这就需要对冷却水腔内的换热形式与换热强度,尤其是冷却水腔内的沸腾状况实现准确地预测与合理地控制。
　　本文以车用天然气发动机为研究对象,进行了冷却系统的工作状况对发动机热平衡与气缸盖工作温度影响的试验研究。结果表明,该发动机冷却水腔内存在着不同程度的沸腾现象,由于沸腾传热的存在,导致发动机冷却水温与冷却系统的工作压力对气缸盖各区域工作温度存在不同程度的影响;其中,冷却水温对高温区域的影响较小、对低温区域的影响较大,而冷却系统压力对高温区域的影响较大、对低温区域的影响较小。
　　为了准确地预测发动机冷却水腔内的换热形式与换热强度,一方面,基于Kandlikar的分区方法与冷却水腔模拟通道内的试验数据,建立了适应性更好、计算精度更高的沸腾传热模型;另一方面,结合直接耦合算法与顺序耦合算法,建立了包括冷却水腔内流动换热、气缸盖内固体导热及缸内进排气燃烧在内的三维气固液多场耦合仿真系统。结果表明,在发动机多场耦合仿真系统中嵌入以上沸腾传热模型可以提高其计算精度,并实现冷却水腔内沸腾状况的有效预测。
　　为了分析发动机冷却水腔内的气泡分布状况,基于欧拉均相流控制方程,建立了适应性更好的沸腾两相流模型,并将其用于该发动机冷却水腔内沸腾两相流的计算与分析。结果表明,由于流动死水区的存在,导致在气缸盖上层水腔靠近排气道的区域出现了气泡聚集的状况,指出该发动机冷却水腔内的水流分布状况有待进一步优化。
　　结合试验测量与数值模拟,分析了发动机在不同冷却液温度与不同冷却系统压力下冷却水腔内的沸腾状况及其对气缸盖热负荷的影响趋势。结果表明,单纯地降低冷却水的温度或提高冷却系统的压力可以提高冷却系统的抗气蚀压力,从而降低冷却系统发生气蚀的故障率;然而,过低的冷却水温与过高的冷却系统压力削弱了冷却水腔内的沸腾状况,导致气缸盖热应力有所增大,使其热疲劳强度有所降低。分析结果进一步表明,在气缸盖工作温度处于材料允许温度范围内时,通过同时提高冷却水的温度与冷却系统的压力可以强化冷却水腔热关键区域的沸腾状况,从而在保证冷却系统抗气蚀压力的前提下降低气缸盖承受的热应力与气缸盖的热负荷水平。
　　通过以上研究,最终实现了冷却水腔内换热形式与换热强度的有效预测,并为冷却水腔内沸腾状况的合理控制提供了参考依据。

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1 绪 论

1.1 研究的背景

1.2 研究的目的与意义

1.3 国内外研究现状及发展趋势

1.4 本文主要研究内容

2 发动机热平衡及气缸盖温度测量试验

2.1 试验对象、试验装置与试验方案

2.2 天然气发动机热平衡分析

2.3 发动机气缸盖传热分析

2.4 本章小结

3 发动机冷却水腔内单相流沸腾传热模型研究

3.1 过冷沸腾传热数值模型的建立

3.2 模型的实现

3.3 模型的验证与分析

3.4 本章小结

4 天然气发动机多场耦合仿真研究

4.1 发动机工作过程仿真

4.2 天然气发动机多场耦合仿真系统的建立

4.4本章小结

5 发动机冷却水腔内的沸腾两相流研究

5.1 基于欧拉均相流控制方程的沸腾流模型

5.2 模型的验证与分析

5.3 天然气发动机冷却水腔内的沸腾两相流分析

5.4 本章小结

6 冷却系统工作状况对冷却水腔内沸腾及气缸盖热负荷的影响

6.1 气缸盖的热负荷评估

6.2 冷却液温度对发动机气缸盖热负荷的影响

6.3 冷却系统压力对发动机气缸盖热负荷的影响

6.4 结论

7 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间参与的主要科研项目