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Chapter12发动机中的传热

12.1研究发动机内传热重要性

内燃机汽缸内的燃烧气体的温度峰值为2500 K。考虑到诸多因素，燃烧室内部的金属部件可耐受的最高温度被限制在很低的数值，因此必须考虑汽缸盖，汽缸和活塞的冷却。上述这些条件导致燃烧室壁面的热通量在燃烧期间可达到10兆瓦/平方米。然而，循环的其他冲程，热通量基本上为零。热通量在不同区域差异很大：接触快速移动的高温燃烧气体的燃烧室区域一般存在最高的热通量。在高热通量的区域，热应力必须控制在会导致疲劳开裂的许用热应力以下，因此对于铸铁，温度必须低于约400℃，铝合金须低于300℃。高温燃气侧的汽缸壁面必须保持在180℃以下，以防止润滑油膜变质。火花塞和阀门必须保持冷却以避免由过热的火花塞电极或过热的进排气门引起的爆震问题。解决这些发动机传热问题显然是一个重要的设计任务。

传热会影响发动机的性能，效率和排放。对给定汽缸内的燃料质量，若更高的热量传递给燃烧室壁，将降低燃烧气体的平均温度和压力，并减少每个工作循环传递到活塞的做功值。因此发动机的热传递情况对于发动机的输出功率及热效率有相当大的影响。在火花点火发动机中，在新鲜混合气与燃烧室壁面之间的热传递会影响爆震的发生，通过限制压缩比，也会影响输出功率和热效率。最关键的是高温废气的出口排气阀门和活塞部分的热传递。由于传热引起的气体温度的变化对排放过程的影响很大，发动机的汽缸和排气系统中的CO和HC的后燃均取决于此。排气温度也决定了可以由废气能量回收装置获得的功率，用于例如涡轮增压器涡轮机。摩擦受到发动机热传递的影响并且增加了冷却剂的热负荷。缸套温度控制活塞和环形润滑油膜温度，并因此影响润滑油的粘度。由于温度的不均匀性导致的活塞和缸套的变形，对发动机活塞部件的摩擦性能有很大的影响。由于摩擦而耗散的一些机械能必须被冷却系统排除到大气中。风机和水泵的功率要求是由需要排出的热量的大小决定的。综上所述，发动机传热的重要性是显而易见的。

为了更全面地研究热传导，将发动机分为子系统是很有帮助的。进气系统由进气歧管、进气口和阀门组成。向进气管道的传热降低了体积效率(见第6.2.1节)。然而，在火花点火发动机中，进气混合气通过化油器和单点喷射发动机加热，以帮助燃料汽化(见第7.6.3节)。在发动机汽缸内，相对于壁面温度和流场温度，进排气口的温度在整个循环中变化很大。这两个变量对传热都有重要影响。在进气过程中，进气门通常比壁面温度低，气体流速高。压缩过程中，进排气门的温度高于壁面温度，气体速度下降(见第8.2.2节)。热传递现在从气缸气体传至燃烧室壁面。在燃烧过程中，气体温度大幅度升高，在燃烧过程中发生的气体膨胀使气体运动效应增加，这是向壁面传热速率最高的时间。此外，随着气缸压力的升高，气缸内的一小部分气体被强制压入缝隙区域，从而产生额外的传热(见第8.6节)。膨胀过程中，气体温度降低，传热速率降低。然而，当排气阀打开时，排气过程(第6.5节)在气缸内产生高速，并通过排气阀进入排气口。在排气过程中，大量的热量从排气口转移到排气门、端口和(较小程度上)歧管。图14-9通过一个例子显示了火花点火发动机在整个四冲程工作循环中向总燃烧室壁的传热速率如何变化。假设气体速度与活塞平均速度成比例，则通过气缸压力、未燃和已燃气体温度、燃烧室表面积和壁面温度来估算传热速率。能够预测工作流体、进气系统、燃烧室和排气系统的壁面之间以及冷却剂之间的传热情况，对发动机设计者来说是非常重要的。

12.2热传递的方式

接下来的热传递的方式都非常重要。

12.2.1热传导

由于温度梯度，热量通过分子运动，通过固体和静止的流体传递。稳态下单位面积单位时间的导热换热由傅里叶定律给出:

其中k是导热系数。对于一个稳定的一维温度变化有

热量通过气缸盖、气缸壁和活塞的传导传递;通过活塞环到达气缸壁上;通过发动机缸体和歧管。

12.2.2热对流

热通过运动中的流体和相对运动中的流体与固体表面之间传递。当运动是由重力以外的力产生时，就用强迫对流这个术语。在发动机中，流体运动是湍流(见第八章)。

在进气、压缩、膨胀做功和排气过程中，气缸内气体、气缸盖、气门、气缸壁和活塞之间的强制对流传递热量。热量通过强制对流从气缸壁和缸盖转移到冷却剂(可能是液体或气体)，并从活塞转移到润滑油或其他活塞冷却剂。在排气过程中，排气阀、排气口和排气歧管发生了大量的对流换热。进气系统的对流换热是用来提高进气温度的。热量也通过对流从发动机传递到环境中。

在稳态流强迫对流换热问题中，通过下面的关系式确定了从温度为的流动流体传至温度为的固体表面的热通量

其中为传热系数。对于许多流几何形状(如流经管道或流过板)，h由形式关系给出

其中L和v是特征长度和速度。从左到右括号中的项分别是Nusselt、Reynolds和Prandtl无量纲数。对于气体，普朗特数()变化不大，约为0.7(见第4.8节)。

当沸腾发生在表面时(即蒸汽在液体中形成)，在水冷发动机冷却剂侧的高热流密度区域可能是这样的情况，那么的表达式将有所不同。

12.2.3热辐射

辐射换热是通过电磁波的发射和吸收而发生的。能量转化为热能的波长为可见光(0.4 - 0.7 pm)和红外线(0.7 - 40 pm)。辐射传热发生在高温燃烧气体和火焰区域到燃烧室壁上(尽管这种辐射传热相对于对流传热的大小只在柴油发动机中显著)。热传导通过辐射到环境发生从所有热的外部表面的发动机。

辐射换热理论是从“黑体”的概念开始的。它的表面能很好地发射或吸收所有波长的辐射，而不反射任何落在其上的辐射。给出在不含吸收材料的空间中，从一个平面黑体到另一个平行于它的平面黑体在温度为T时的热通量：

其中为Stefan-Boltzmann常数。真实的表面不是“黑色”的，而是反射辐射的程度取决于波长。气体远非这种黑体理想化。它们吸收和发射辐射几乎完全在每种光特有的某些波长波段内。这些偏离黑体行为的现象通常通过对式(12.4)应用一个倍数因子(发射率，)来处理。同样，“形状因素”被用来解释辐射的入射角在任何实际表面上通常是变化的。这些因素可以在简单的情况下计算出来。

12.2.4整体传热过程

图12-1示意图显示了从气缸内气体通过燃烧室壁面到冷却剂流动的整体传热过程。进入壁面的热流通常同时具有对流和辐射两种成分。热流通过壁面传导，然后从壁面对流到冷却剂。图中显示了温度剖面，平均气体温度和冷却剂温度，和。

图12-1 燃烧室壁面温度分布和热流距离关系示意图

图中左侧为高温燃气，右侧为冷却液

在内燃机中,在每个发动机营业周期,不同的传热条件下发生气体压力和温度,并与当地速度的变化或多或少地迅速根据进气道和燃烧室配置(见第八章)。此外,燃烧室的表面积变化周期。进入包含壁面的热流在进气过程中不断地从一个小的负值变化到膨胀过程早期每平方米几兆瓦的正值。流量的变化滞后于气体温度的变化。热流和驱动温差之间的这种滞后是显而易见的，但迄今为止的测量精度只够粗略估计其大小。一般来说，研究人员已经得出结论，认为传热过程是准稳态的假设对于大多数计算目的来说是不够准确的。然而，整个燃烧室的气体温度和气体速度变化很大。因此，燃烧室壁面的热流分布是不均匀的。

对于图12-1所示的稳态一维壁面热流，热通量与温度关系式如下:

气体侧：

其中，是热辐射系数。对于SI发动机，辐射项一般可以忽略不计。

壁面：

冷却液侧：

如果已知和，则温度、、、可以相互关联。

12-2冷却剂热流量与功率之比是发动机转速的函数。

发动机的不同尺寸和类型:(a)小型汽车柴油;(b)较大的汽车柴油;

(c)各种柴油;(d)火花点燃式发动机。

12.3传热与发动机能量平衡

图12-2显示了在最大功率下，不同发动机类型和尺寸的冷却剂相对于制动功率的散热率大小。这个比率随着发动机转速和发动机尺寸的增大而减小。较小的柴油发动机设计使用较高的气速来达到所需的燃料-空气混合速率，并且具有较差的表面/体积比(见第10.2节)。发动机的总体第一定律能量平衡提供了关于初始燃料能量配置的有用信息。对于发动机周围的控制容积(见图3-8)，稳态流量能量守恒方程为

其中是制动能量，是向冷却介质的传热率，是传入机油的热量(如果单独冷却)加上发动机外部表面的对流和辐射。将排气焓分解为一个敏感部分，加上排气参考状态焓(见第4.5节)，证明是很方便的。则式(12.8)还可以写为:

其中，表示不完全燃烧引起的排气焓损失。

图12-3内燃发动机能量流图

发动机内部的能量平衡更为复杂，如图12-3的能量流图所示。指示能量为制动能量与摩擦能量之和。相当一部分(约一半)的摩擦能量在活塞、活塞环和气缸壁之间耗散，并以热能转移到冷却介质中。剩余的摩擦能量在轴承、气门机构或驱动辅助装置中耗散，并以热能转移到燃油或周围环境中(项)。废气中的焓最初可以细分为以下部分: 最初排放气体中的焓可以细分为以下几个部分:敏感焓(60%)、排气动能(7%)、不完全燃烧项(20%)和向排气系统的传热(12%)(其中一部分辐射到环境中，其余部分最终进入冷却介质)。因此，冷却介质带走的热量包括从汽缸缸内的气体转移到燃烧室壁上的热量，在排气过程中转移到排气阀和排气口的热量，以及相当大一部分的摩擦功。

在非全负荷工况下，燃料热值的更大一部分被吸收到冷却剂中。图12-4显示了一个六缸SI发动机在车辆行驶速度范围内的路载运行数据。在低速和负载下，冷却剂的换热率是制动功率的2到3倍。

虽然热损失是燃料能量输入中如此重要的一部分，但消除热损失只会使传递到燃烧室壁上的热量的一小部分转化为有用的功。剩下的将使发动机保持合理的排气焓。考虑一个汽车高速自然吸气式CI发动机的压缩比为15的例子。指示的效率是45%，25%的燃料能量被冷却水带走。在这25%中，大约2%是由于摩擦。在剩下的23%中，大约8%是燃烧时的热损失，6%是膨胀时的热损失，9%是排气时的热损失。在燃烧过程中损失的8%中，约有一半(或4%的燃料能量)可以转化为对活塞的有用功(见图5-9)。在膨胀过程中6%的热量损失中，大约有三分之一(或2%)可以被利用。因此，冷却系统占25%的能量消耗，只有大约6%的能量会被转化为有用功传至活塞，并将发动机的指示效率提升至45~51%.

图12-4 功率，冷却剂负荷，排气，焓，和能量转移

相对于燃料流量热值火花点火发动机在道路负荷工况。

对于电火花点燃的发动机，转化为有用功的部分会更少，因为压缩比更低。然而，正如图12-4所显示的，在非全负荷工况下（汽车使用场景种重要的运行工况）的能量损失是发动机能量占比的一大部分。通过对SI发动机的工作循环的计算机仿真研究，表明典型的部分负荷工况下，10%的燃烧室壁面热损失将导致成比例的制动燃亮转换效率提升3%。

12.7热负荷和零件温度

燃烧室壁面的热流密度随发动机的设计和工况而变化。同时，燃烧室各部分的热流密度也不相同。由于这种非均匀热流和燃烧室表面与冷却液位置之间的热阻抗不同，发动机部件内部的温度分布是不均匀的。本节回顾组成燃烧室的各部件的温度和热流密度的变化。

12.7.1发动机零件的温度分布

图12-5显示了在不同发动机部件中测量到的温度分布的说明性示例。通常情况下，热通量最高的是在气缸盖的中心，在排气阀座区域，和活塞的中心。它是最低的气缸壁。铸铁活塞比铝活塞的温度高40到80摄氏度。顶部为平面活塞(典型的火花点火发动机)，顶部中心温度最高，外层边缘温度较低，可达到20 ~ 50℃。柴油机活塞冠表面温度约为50℃高于SI发动机等效温度。如图12-5所示，DI柴油机活塞活塞的最大活塞温度位于燃烧室的边缘。在ID1型柴油发动机中，最大活塞温度分布在预燃烧室射流撞击活塞顶部的地方。

图12-5 温度等值面分布

图12-6显示了四缸SI发动机缸盖不同位置的温度。最高温度发生在热流密度高和冷却通道狭窄的地方，分布在进排气门的过渡区域和排气通道与邻近汽缸中间的区域。

图12-6 火花点火发动机工作在2000转，在95摄氏度

和2个大气压力的冷却水下，大开节流时缸盖温度随测量位置的变化

图12-7显示了DI柴油机缸套的平均热流密度和温度随缸套长度的变化情况。由于尾管下部区域在发生明显的气体膨胀后，只暴露在燃烧产物的部分循环中，热流密度和温度随与气缸盖距离的增大而显著降低。注意，活塞和衬套之间的摩擦产生的热量，，(气体对衬套的热流密度)和 (流入衬套的总热流密度)之间的差值，是衬套热负荷的重要组成部分。排气阀通过阀杆、导轨和阀座进行冷却。在小型阀门中，大部分的传热是通过阀杆进行的;对于大型阀门，阀座承受更高的热负荷。

图12-7 某高速Dl柴油机

1500rpm /min、11bar时缸套内的温度和热流密度分布。

发动机部件内部的温度分布可以通过使用有限元分析技术计算出整个部件表面的热通量。对于稳态发动机运行，非稳态温度波动(由循环中热流的变化引起)穿透部件的深度很小，因此准稳态解是令人满意的。对火花点火发动机活塞的计算结果说明了该方法。定义了从燃烧室气体到活塞冠的平均传热系数和平均室气温度。这些定义了进入活塞的时间平均热通量。计算了活塞不同表面(顶盖下侧、环形区域、环形区域、裙部内外表面、轴承等)的传热系数。实际的活塞形状近似于一个三维网格的一个象限的活塞。通过对活塞内部热流

资料编号：[5426]