柴油发动机预热器的数值模拟

摘要

电热式预热器是柴油发动机的一种进气预热装置，它可以有效地解决柴油发动机的冷启动难问题。由于其具有结构简单、使用方便、不会污染空气等优点，被广泛地应用在轿车和卡车等以柴油发动机为动力的交通工具中。电热式预热器的预热性能受到加热片材料、绝缘材料、蓄电池电压、预热器结构和预热腔结构等影响，研究其温度场分布规律，对预热器和预热腔的设计和生产具有重要的指导意义。
　　本文以加热片长度740.8mm、厚度0.80mm、高度8.0mm的电热式预热器为研究对象，以解决柴油机在严寒环境-40℃，加热时间20s下快速启动为研究目标，首先利用ANSYS-Workbench软件对预热器自身进行了温度场瞬态模拟分析，研究了环境温度、加热片尺寸、蓄电池电压等对预热器和绝缘衬套最高温度的影响，并对实例预热器加热片的最高温度进行了实验验证。接着又研究了加热片尺寸、蓄电池电压和腔径等对预热腔空气平均温度的影响。最后对体积为3L的预热腔温度场进行正交模拟分析，研究得出了最佳设计参数和各参数的影响次序。以下结论可以得出：
　　（1）在环境温度0℃时，实例预热器模拟最高温度为805.53℃，实验最高温度为856.30℃，模拟最高温度比实验最高温度低5.9％。
　　（2）模拟结果表明，当加热片厚度从0.55mm增加到0.80mm时，预热器的最高温度从825.30℃缓慢下降到770.88℃，绝缘衬套最高温度从14.58℃缓慢上升到30.26℃。而预热腔的空气平均温度从38.88℃缓慢下降到35.67℃。
　　（3）模拟结果表明，当加热片长度从536.8mm增加到943.7mm时，预热器的最高温度从1305.80℃急剧下降到531.64℃，绝缘衬套的最高温度从88.75℃缓慢下降到6.35℃。
　　（4）模拟结果表明，当加热片长度从557.93mm增加到989.57mm时，预热腔空气平均温度从37.96℃下降到-14.15℃。
　　（5）模拟结果表明，蓄电池电压由20.6V变换到27.4V，预热器的最高温度566.14℃升高到992.85℃，绝缘衬套的最高温度由12.46℃升高到50.18℃，预热腔的空气平均温度从21.88℃缓慢上升到42.90℃。
　　（6）模拟结果表明，加热片离预热腔底部的放置距离由20mm增加到231mm，预热腔空气平均温度从39.69℃缓慢上升到40.78℃，当加热片离预热腔底部的放置距离为864mm时，预热腔空气平均温度又急剧下降到-4.62℃。
　　（7）模拟结果表明，当预热腔直径从Φ65.0mm增加至Φ92.0mm时，预热腔内的空气平均温度从36.22℃增加到123.92℃，当腔径为112.8mm时，腔内空气平均温度又下降到97.54℃。
　　（8）正交模拟结果表明，影响预热腔空气平均温度的主次顺序分别是加热片长度、蓄电池电压、加热片离预热腔底部的放置距离、加热片厚度。体积为3L预热腔的空气平均温度的最佳设计参数是加热片长度557.93mm，加热片厚度0.60mm，电压25.7V，加热片离预热腔底部的放置距离653mm。此时，预热腔的空气平均温度为34.07℃。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 柴油机预热器概述

1.3 预热器的国内外研究现状

1.4 有限元法在预热器热分析中的应用

1.5 课题研究的意义与内容

第二章 预热器自身温度场的仿真分析

2.1 引言

2.2 热分析基础理论

2.3 预热器热分析的模拟部分

2.4 实验部分

2.5 结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 柴油机预热腔温度场分析

3.1 引言

3.2 预热腔温度场的数值模拟部分

3.3 预热器和预热腔参数对预热性能影响的结果与讨论

3.4 预热效果的正交模拟分析

3.5 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 创新点

4.3 展望

参考文献

致谢