馬 寧，李若亭，翟振東

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072)

基于耦合求解壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算方法

馬 寧，李若亭，翟振東

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072)

針對以往柴油機(jī)熱平衡計(jì)算過程中壁面溫度采取經(jīng)驗(yàn)值處理的弊端，為提升柴油機(jī)熱平衡計(jì)算精度，分別應(yīng)用GT-POWER和FLOWMASTER軟件搭建柴油機(jī)工作過程模型與熱網(wǎng)絡(luò)模型，將二者進(jìn)行耦合求解得到精確的壁面溫度，以此作為邊界條件代入柴油機(jī)工作過程模型對柴油機(jī)熱平衡進(jìn)行計(jì)算,最后與經(jīng)驗(yàn)壁面溫度法求解的柴油機(jī)熱平衡結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于耦合求解壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算方法精度更高。

柴油機(jī)； 熱平衡； 壁面溫度； 熱網(wǎng)絡(luò)模型

柴油機(jī)熱平衡中各項(xiàng)熱流量的分配情況對柴油機(jī)性能和運(yùn)行可靠性具有重要影響。通過熱平衡計(jì)算可了解柴油機(jī)的能量轉(zhuǎn)換、熱量傳遞以及柴油機(jī)各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，便于找出提高柴油機(jī)效率的有效途徑。同時，柴油機(jī)熱平衡也是設(shè)計(jì)和優(yōu)化相關(guān)輔助設(shè)備(如冷卻系統(tǒng))的重要依據(jù)，使各子系統(tǒng)與柴油機(jī)匹配達(dá)到最優(yōu)[1]。

目前，計(jì)算柴油機(jī)熱平衡的方法有試驗(yàn)法和仿真法2種，如：YUKSEL等[2]和TAYMAZ等[3]采用試驗(yàn)法分別研究了摻氫汽油對4沖程4缸SI柴油機(jī)熱平衡的影響和陶瓷襯套發(fā)動機(jī)的熱平衡。但試驗(yàn)法的熱平衡計(jì)算滯后于柴油機(jī)的生產(chǎn)，不利于提高生產(chǎn)效率以及降低成本，因此用仿真法計(jì)算熱平衡的研究越來越多。張更云等[4]基于柴油機(jī)工作過程模型對某HPD柴油機(jī)熱平衡進(jìn)行了仿真計(jì)算，然而其在計(jì)算過程中未對壁面溫度進(jìn)行精確求解。

為此，筆者應(yīng)用GT-POWER軟件建立包括氣缸、渦輪增壓器、中冷器以及進(jìn)/排氣管路的增壓中冷柴油機(jī)工作過程模型，同時應(yīng)用FLOWMASTER軟件建立柴油機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行柴油機(jī)的熱平衡計(jì)算，最后進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 模型的建立

1.1 柴油機(jī)工作過程模型

將由柴油機(jī)氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套內(nèi)壁面圍成的空間作為一個熱力系統(tǒng)，采用零維燃燒模型對氣缸進(jìn)行建模；將柴油機(jī)進(jìn)/排氣系統(tǒng)分為若干控制體積，應(yīng)用有限體積法進(jìn)行一維非定常數(shù)值建模；將中冷器簡化成管模型進(jìn)行建模；在渦輪增壓器的建模中，通過輸入渦輪增壓器的特性參數(shù)對增壓器的工作狀態(tài)進(jìn)行定義；取環(huán)境大氣壓力為101.3 kPa，環(huán)境大氣溫度為25 ℃。柴油機(jī)基本參數(shù)如表1所示?？紤]到所研究柴油機(jī)的對稱結(jié)構(gòu)，為提高模型運(yùn)行速度,將其簡化成3缸模型。基于GT-POWER軟件搭建的柴油機(jī)工作過程模型如圖1所示。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

在柴油機(jī)工作過程模型中，采用韋伯燃燒模型[5-7]模擬燃燒過程，即

(1)

式中：x為燃燒分?jǐn)?shù)；θz為燃燒開始角；φz為燃燒持續(xù)角；φ為瞬時曲軸轉(zhuǎn)角；m為燃燒品質(zhì)數(shù)。

圖1 柴油機(jī)工作過程模型

為了精確描述缸內(nèi)燃燒過程，將燃燒室內(nèi)的燃燒過程分為預(yù)混合燃燒期、主燃燒期和尾燃燒期。將各燃燒期的韋伯曲線疊加，可得

(2)

式中：x1為預(yù)混合燃燒期的燃燒分?jǐn)?shù)；x2為主燃燒期的燃燒分?jǐn)?shù)；x3為尾燃燒期的燃燒分?jǐn)?shù)。

對于傳熱模型，采用胡希尼函數(shù)[8]進(jìn)行模擬，則傳熱系數(shù)ag為

(3)

式中：p、T分別為氣缸內(nèi)的氣體壓力和溫度；D為氣缸直徑；pa、Ta、Va分別為壓縮起始點(diǎn)時的氣缸壓力、溫度和容積；Vs為氣缸的工作容積；p0為柴油機(jī)倒拖時的氣缸壓力；Cm為活塞的平均速度；C2為燃燒室形狀系數(shù)，對于直噴式燃燒室，C2=3.24×10-3；C1為氣流速度系數(shù)，在柴油機(jī)工作過程中的進(jìn)/排氣階段，C1=6.18+0.417Cu/Cm，在壓縮膨脹階段，C1=2.28+0.308Cu/Cm，其中Cu/Cm為風(fēng)速計(jì)葉片在穩(wěn)流吹風(fēng)試驗(yàn)時切向速度與活塞平均速度的比值。

1.2 柴油機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 柴油機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型

1.3 柴油機(jī)平均壁面溫度耦合求解

氣缸壁面溫度分布并不均勻，各點(diǎn)溫度呈周期性波動，但表面溫度波動不大，在離表面深幾毫米的金屬內(nèi)部，溫度波動會迅速下降到一個穩(wěn)定值[9]。壁面溫度隨位置的變化可用平均化辦法處理，即用整個壁面的平均溫度計(jì)算?；钊?、氣缸蓋以及氣缸套的壁面溫度按活塞、氣缸蓋以及氣缸套表面的平均溫度計(jì)算[10]。

柴油機(jī)平均壁面溫度的求解流程如圖3所示，其中：Tw1、Tw2、Tw3分別為活塞、氣缸蓋和氣缸套的平均壁面溫度；Q1、Q2、Q3分別為燃?xì)庀蚧钊斆?、氣缸蓋底面和氣缸套表面?zhèn)鬟f的熱流量。

圖3 柴油機(jī)平均壁面溫度求解流程

判斷是否收斂采用的準(zhǔn)則為

(4)

式中：Tw為前一次迭代計(jì)算的平均壁面溫度求解結(jié)果；Tw′為本次迭代計(jì)算的平均壁面溫度求解結(jié)果。由式(4)可知：當(dāng)?shù)昂蟮挠?jì)算結(jié)果相對差值不大于0.002時，即認(rèn)為壁面溫度的計(jì)算結(jié)果收斂。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 標(biāo)定工況

在標(biāo)定工況下，對該柴油機(jī)熱平衡的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，氣缸內(nèi)壓力對比曲線如圖4所示，其他參數(shù)對比情況如表2所示。

圖4 標(biāo)定工況下柴油機(jī)氣缸內(nèi)壓力對比曲線

參數(shù)計(jì)算值試驗(yàn)值相對誤差/%增壓器轉(zhuǎn)速/(r·min-1)92920936000.7排氣溫度/℃4934950.4燃油消耗率/(g·kW-1·h-1)226.5222.31.9進(jìn)氣流量/(kg·s-1)0.410.434.7有效功率/kW398.4404.21.4廢氣帶走的熱流量/kW403.7401.40.6冷卻液帶走的熱流量/kW277.8271.22.4

由圖4和表2可以看出：標(biāo)定工況下各項(xiàng)參數(shù)的相對誤差值不超過5%，滿足精度要求。

2.2 外特性工況

在對外特性工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的過程中，將耦合求解壁面溫度和經(jīng)驗(yàn)壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖5所示。其中：仿真1為耦合求解壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算結(jié)果；仿真2為經(jīng)驗(yàn)壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算結(jié)果。

圖5 外特性工況下柴油機(jī)熱平衡結(jié)果對比

由圖5可以看出：對于有效功率、廢氣帶走的熱流量和冷卻液帶走的熱流量，耦合求解壁面溫度和經(jīng)驗(yàn)壁面溫度計(jì)算的最大誤差分別為1.48%和1.95%、2.39%和3.78%、2.23%和4.89%，這說明基于耦合求解壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算方法精度更高。

3 結(jié)論

筆者提出了種基于耦合求解壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算方法，利用此法和經(jīng)驗(yàn)壁面溫度法對一臺6缸柴油機(jī)進(jìn)行了熱平衡計(jì)算，并分別與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明：基于耦合求解壁面溫度的柴油機(jī)熱平衡計(jì)算方法精度更高，在外特定工況下有效功率、廢氣帶走熱流量和冷卻液帶走熱流量計(jì)算誤差分別降至1.48%、2.39%和2.23%。

由于柴油機(jī)的傳熱過程復(fù)雜，要想精確計(jì)算熱平衡中各項(xiàng)熱流量的分配，還需要進(jìn)行深入研究。下一步，要進(jìn)行潤滑系統(tǒng)建模，通過潤滑系統(tǒng)模型與柴油機(jī)工作過程模型的耦合來精確計(jì)算冷卻液從機(jī)油冷卻器帶走的熱流量。

[1] 馬寧.柴油機(jī)熱平衡建模與計(jì)算研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2011.

[2] TAYMAZ I，CAKIR K，GUT M，et al.Experimental investigation of heat losses in a ceramic coated diesel engine [J].Surface and coatings technology，2003，12(5)：168-170.

[3] YUKSEL F，CEVIZ M A.Thermal balance of a four stroke SI engine operating on hydrogen as a supplementary fuel [J].Energy，2003，28(11)：1069-1080.

[4] 張更云，馮帥，駱清國，等.針對某HPD柴油機(jī)熱平衡的仿真計(jì)算研究[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，26(4)：31-35.

[5] 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：61-66.

[6] 蔣德明.內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：40-45.

[7] 王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：45-50.

[8] 周松，王銀燕，明平劍，等.內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真技術(shù)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2012：27-30.

[9] 楊俊杰，秦朝葵，徐吉浣.發(fā)動機(jī)冷卻余熱的計(jì)算[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：10-25.

[10] 李艷紅.直噴式柴油機(jī)的特性預(yù)測及參數(shù)優(yōu)化[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2003.

(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Calculation of Diesel Engine Thermal Balance Based on Coupling Solution of Wall Temperature

MA Ning,LI Ruo-ting,ZHAI Zhen-dong

(Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China)

The old diesel engine thermal balance calculation which takes experienced wall temperature as result has its disadvantages.In order to improve the calculation accuracy of the thermal balance model,a diesel working process model and a diesel engine thermal network model are built by means of GT-POWER and FLOWMASTER,then the accurate wall temperature is calculated by the coupling of working process model and thermal network model.And this final accurate wall temperature is transferred into the working process model to calculate the thermal balance.Taking this method and the old experienced wall temperature method to calculate thermal balance separately,and comparing the calculating results with that of the experienced wall temperature,finding that new method improves the calculation accuracy by 1.48% at least.

diesel engine; thermal balance; wall temperature; thermal network model

1672-1497(2017)01-0051-04

2016-10-20

國家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(201697301)

馬 寧(1988-)，男,博士研究生。

TK421+.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.011