发动机整机热平衡数值仿真与试验研究

摘要

由于整机热平衡研究存在着不确定参数多、建模复杂等诸多缺点，国内外的研究人员在发动机整机传热问题的仿真研究中，大部分都是从不同的侧面进行的，整机的热平衡仿真在现阶段并不是很完善。本文以发动机整机热平衡为研究对象，主要从仿真计算与试验研究两个方面进行了较为系统的研究。概括起来主要有以下几项工作： 针对整机热平衡仿真存在的问题，本文在分析发动机传热理论的基础上，首先提出了模块化发动机热平衡RC网络仿真模型，并分别建立了机体RC网络子模型，冷却系统RC网络子模型，润滑系统RC网络子模型用于发动机热平衡仿真。采用模块化的编程方法，对发动机整机热平衡RC网络模型进行程序设计，应用 MATLAB内置函数求解微分方程组，解析不同工况及外部环境下的整机热平衡。 在150单缸柴油机上，应用模块化发动机热平衡RC网络模型对发动机整机在标定点工况，最大扭矩点工况的热平衡及主要受热零部件的温度进行了仿真计算。计算结果表明：该模型能够对整机的热平衡及主要受热零部件的温度进行模拟，温度变化趋势与实测结果相同，并得出模型的计算精度与边界条件以及初始条件的选取有直接关系，而边界条件以及初始条件的获取则很大程度上依赖于试验。因此，在热平衡仿真的研究上，理论模型的复杂程度并不是主要因素，准确地确定边界条件和初始条件才是模型是否实用的先决条件。 搭建了实验平台，针对四连杆机构在测量活塞表面温度所存在的可靠性问题，率先开展了储测技术在高强化军用发动机上的应用研究，开发研制了多通道活塞储测系统、热平衡测量系统，分别对活塞温度、缸盖温度及整机热平衡进行了测量。特别是多通道活塞储测系统可以安装于活塞底部，对活塞在实际运行过程中的温度参数进行在线测量及存储，停机后再对储测仪内存储的试验数据进行处理。通过对仿真结果与实测结果的比较来说明本文模型的可靠性。 在仿真模型的应用方面，主要对发动机冷却系统进行了仿真，本文引入了节温器的动态模型，可对节温器开度及冷却系温度的变化进行仿真。同时，还对不同水温及流速下发动机主要零部件的温度变化趋势进行了仿真。实验结果证明，应用该仿真模型，可为发动机冷却系统、润滑系统设计与改进及主要零部件温度场的分析提供指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1缸内工作过程模拟

1.2.2零部件模拟

1.2.3整机模拟

1.3整机热平衡仿真的现有问题

1.4整机热平衡试验研究

1.5本文的主要研究内容

第2章发动机整机热平衡分析理论平台

2.1概述

2.2传热基本理论

2.2.2燃烧室零件的导热

2.2.3受热零件向冷却介质的传热

2.3集总参数法简化分析原理

2.4传热边界条件的求解

2.5燃烧室内稳态温度场假设

2.6本章小结

第3章发动机整机模块化热平衡仿真模型的建立

3.1概述

3.2发动机整机模块化热平衡RC模型

3.2.1发动机部件传热模型

3.2.2冷却系统的RC模型

3.2.3机体与冷却系统的传热

3.2.4散热器模型

3.2.5节温器模型

3.2.6润滑系统RC模型

3.2.7机体与润滑系统的传热

3.3发动机摩擦传热模型

3.4各节点间热阻的确定

3.4.1发动机整机节点热容及热阻的确定

3.4.2发动机冷却系统节点热容及热阻的确定

3.4.3发动机润滑系统节点热容及热阻的确定

3.5本章小结

第4章边界条件的计算与确定

4.1第一类边界条件

4.2第二类边界条件

4.3第三类边界条件

4.3.1缸内对流换热的边界条件

4.3.2活塞和缸套之间的换热系数

4.3.3缸套与冷却水之间的换热系数

4.3.4活塞与油雾之间的换热系数

4.4进、排气道传热边界条件的确定

4.4.1进气道与进气阀边界条件的确定

4.4.2排气道与排气阀边界条件的确定

4.5发动机与周围环境空间的换热边界条件

4.6本章小结

第5章模块化热平衡仿真程序设计与应用

5.1概述

5.2热平衡仿真程序设计

5.3计算实例及应用

5.3.1工作过程仿真计算

5.3.2整机热平衡仿真

5.3.3冷却系统仿真计算

5.3.4发动机负荷特性仿真

5.4本章小节

第6章发动机热平衡测量系统的研制及应用

6.1概述

6.2试验机型及试验装置简介

6.3活塞温度测量系统的研制及应用

6.3.1储测技术基本原理

6.3.2储测技术应用现状

6.3.3发动机活塞用储测系统

6.3.4活塞存储测试仪的应用

6.4缸盖温度测量系统及应用

6.4.1测量系统简介

6.4.2试验结果及分析

6.5整机热平衡测量系统试验验证

6.5.1测量系统简介

6.5.2传感器的选用

6.5.3热平衡试验结果及分析

6.6本章小结

总结与展望

参考文献

附录

攻读博士期间所发表的学术论文

致谢