轎車發動機活塞冷卻方法研究
——第一部分　實現高傳熱系數的基礎試驗

【日】　K.Matsumoto　H.Harada　H.Taniguchi　N.Ito

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試驗研究

轎車發動機活塞冷卻方法研究
——第一部分實現高傳熱系數的基礎試驗

【日】K.MatsumotoH.HaradaH.TaniguchiN.Ito

轎車發動機活塞的冷卻技術對于提高壓縮比和控制活塞變形十分重要。眾所周知，在計算機和空調器中采用熱管能夠明顯改善導熱率，然而，發動機冷卻不能采用常規的熱管，因為氣流和液流會受到振動的干擾，因而會使導熱率很低。開發了1種新穎的熱管，并進行了試驗，利用1臺高速往復試驗裝置確定了它的傳熱系數。試驗是在單熱管基礎上進行的，但成功地使高速往復運動下的傳熱系數比靜止狀態的傳熱系數提高了1.6倍。詳細介紹觀測到的特性及驗證方法。下一步計劃將這一方法應用在發動機活塞上。

活塞傳熱系數導熱系數熱管節流片

0　引言

為適應燃油經濟性和環境兼容性的發展趨勢，活塞冷卻方法是發動機開發過程中提高壓縮比和抑制變形的1項重要技術。

活塞通常利用活塞上的冷卻通道和活塞下方的機油噴束進行冷卻。由于冷卻液傳熱系數不夠高，因而冷卻有效性低于期望值。通常，計算機和空調器中采用的熱管其導熱率要比上述冷卻技術的導熱率高10倍。然而，由于熱管的結構特征，無法避免氣流和液流受到振動干擾，因而導熱率很低。至今，熱管還沒有應用于冷卻發動機。

本田公司技術中心對熱管應用于發動機活塞冷卻的可能性進行了研究，通過改變熱管內部的μ值，以及利用高速往復運動引起的自激振蕩振動來控制氣體和液體的雙層流動，并確保在不降低熱傳輸量的情況下達到高傳熱系數。雖然試驗是在單熱管基礎上進行的，但成功地使高速往復運動下的傳熱系數，比靜止狀態下的傳熱系數提高了1.6倍。本文詳細介紹觀測到的特性及驗證方法。

1　熱管設計

圖1為商用熱管試件在高速往復試驗裝置上的安裝結構圖。

圖1　采用商用熱管的試件結構圖

圖2為新開發的熱管，其內部裝有若干節流口，用以控制往復運動時氣體和液體的流動。熱管布局采用閉環形式。

圖2　新穎熱管試件的結構

(a)　　　　　　(b)圖3　熱管結構

圖3為熱管結構。圖3(a)為內部有網狀吸液帶的商用熱管。圖3(b)為新穎熱管，其內部設有固定間距布置的用以控制往復運動時氣流和液流的節流口。

圖4為圖1和圖2中所示試件的結構剖面圖。該試件包括用鋁材料覆蓋的熱管和外部隔熱材料。在試件的3個位置上安裝了熱電偶，以測量熱流。

圖4　試件剖面圖

熱管的制備方法如下： 在室溫下將冷卻液加注到熱管內(本案例中為純水)，采用加熱器從底部加熱鋁制試件，測量壓力及溫度，當冷卻液達到規定的質量時封閉熱管。圖5為封裝過程圖。

圖5　密封過程圖

熱管密封后，將包含熱管的整個鋁制試件加熱到試驗溫度，確定飽和蒸氣壓力狀態。圖6為飽和蒸氣壓力曲線。

圖6　飽和蒸氣壓力曲線圖

圖7為試件中的熱流狀態。

圖7　試件中的熱流

利用圖7中左側的陶瓷加熱器進行加熱，由散熱翅片進行散熱。圖中所示的熱流方向為從左到右。

2　往復運動試驗

表1為往復運動試驗的條件。

表1　試驗條件

為試驗準備了4種新穎熱管。為確定最佳水汽比，將3根熱管的水汽比分別設定為50/50，70/30及80/20。為了進行對比，還用另外1種形狀相同但內部無熱管的試件進行了試驗。

試驗中，用安裝在試件2個位置上的熱電偶測量溫度，當達到某一穩定溫度時改變滑動速度，達到規定滑動速度時以相同方式再次測量溫度。

采用圖8所示的試驗裝置進行高速往復運動試驗。陶瓷加熱器的輸入功率設定為30 W。

圖8　高速往復試驗裝置的驅動件

圖9為試驗中拍攝的熱管試件及其周圍環境的照片。

圖9　高速試驗中的試件(往復運動速度3 m/s)

3　試驗結果

假設熱輻射相同，計算了2個橫截面(帶有熱管的鋁制試件和不帶熱管的鋁制試件)的熱平衡。

根據下列公式計算熱平衡。

(1)

其中，q為熱流量;λe為導熱系數;Ae為橫截面積;L為長度。

(2)

其中，λ1為鋁導熱系數;λ2為熱管導熱系數;A1為鋁塊橫截面積;A2為熱管橫截面積。

圖10為高速往復運動時熱管的效果。在靜止狀態下，商用熱管的導熱系數約為3000 W/(m·K)。

圖10　高速往復運動時熱管的效果

無熱管的鋁制試件的有效導熱系數為140 W/(m·K)， 它不會隨往復運動速度變化而發生改變。

另一方面，受熱管內空氣的影響，在靜止狀態下水汽比為70/30的試件及橫截面比為10%的熱管的導熱系數都比無熱管的鋁試件的小，與無熱管的鋁制試件相比，滑動速度為2 m/s時，導熱系數略有增加，當滑動速度為3 m/s時，導熱系數達到620 W/(m·K)。 利用以上結果計算熱管本身的導熱系數，滑動速度為3 m/s 時，導熱系數為4900 W/(m·K)。

圖11為熱管不同充填比時的效果。

圖11　熱管不同充填比時的效果

水汽比為50/50時，有效傳熱系數隨速度增加而增加。雖然在速度為2 m/s或更低值時，水汽比為70/30時的傳熱系數小于水汽比為50/50時的傳熱系數，但是在速度為3 m/s時，傳熱系數急劇升高到620 W/(m·K)。水汽比為80/20時(比值最高)，速度為1 m/s時的傳熱系數為235 W/(m·K)，但是在速度為2 m/s時傳熱系數跌至180 W/(m·K)。

4　討論

雖然，液體的傳輸主要依靠熱管中吸液帶的表面張力實現的，但傳輸量有一定限度。此外，在往復運行條件下，吸液帶表面的液體會破碎成液滴。因此，液體傳輸量會減少，傳熱也會降低。

在本研究中，管壁上的斜面節流口能促使新穎熱管傳輸液體。低溫端的冷凝液體依靠高速往復運動能很好地飛濺流出，隨后流入熱管。在流入熱管過程中，當液滴與節流口接觸時，它就會朝恒定的方向產生驅動力。

顯然，在高速往復運動狀態下，通過安裝回流通道就能使液體從冷凝端傳輸到蒸發端。

對于試驗數據來說，雖然在靜止狀態時，新穎熱管的傳熱量比鋁制試件的小，但是在往復運動時，新穎熱管的性能卻得以改善。此外，通過增加往復運動速度，新穎熱管的傳熱系數能超過鋁塊試件的傳熱系數。雖然，沒有測量熱管內液體的流動狀態，但設想它與上述工作原理是一致的。

5　小結

在靜止狀態下，有熱管試件的導熱系數比無熱管的純鋁塊試件的小。這是由于熱管中的氣相使橫截面積減少，從而降低了導熱系數。

當往復運動速度增加時，新開發的熱管的導熱系數會急劇升高。雖然水汽比為70/30的熱管及橫截面比為10%的熱管在靜止狀態下的導熱系數大于110 W/(m·K)，但直到滑動速度為2 m/s時其導熱系數才略有增加，速度為3 m/s時，導熱系數達到620 W/(m·K)。

與商用熱管相比，在靜止狀態下，商品化熱管產品的導熱系數約為3000 W/(m·K)，而在速度為3 m/s 時，新穎熱管的導熱系數為4900 W/(m·K)。因此，高速往復運動時，熱管的傳熱性能比靜止狀態時提高了1.6倍。

研究發現，增加振動慣性力是改善熱傳輸的有效方式。因而，本田公司技術中心將這一方法應用到轎車發動機的活塞冷卻技術中。

2016-02-22)