基于耦合求解壁面溫度的柴油機熱平衡計算方法

馬 寧，李若亭，翟振東

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072)

基于耦合求解壁面溫度的柴油機熱平衡計算方法

馬 寧，李若亭，翟振東

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072)

針對以往柴油機熱平衡計算過程中壁面溫度采取經驗值處理的弊端，為提升柴油機熱平衡計算精度，分別應用GT-POWER和FLOWMASTER軟件搭建柴油機工作過程模型與熱網絡模型，將二者進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工作過程模型對柴油機熱平衡進行計算,最后與經驗壁面溫度法求解的柴油機熱平衡結果和試驗結果進行對比驗證。結果表明：基于耦合求解壁面溫度的柴油機熱平衡計算方法精度更高。

柴油機； 熱平衡； 壁面溫度； 熱網絡模型

柴油機熱平衡中各項熱流量的分配情況對柴油機性能和運行可靠性具有重要影響。通過熱平衡計算可了解柴油機的能量轉換、熱量傳遞以及柴油機各子系統之間的內在聯系，便于找出提高柴油機效率的有效途徑。同時，柴油機熱平衡也是設計和優化相關輔助設備(如冷卻系統)的重要依據，使各子系統與柴油機匹配達到最優[1]。

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

為此，筆者應用GT-POWER軟件建立包括氣缸、渦輪增壓器、中冷器以及進/排氣管路的增壓中冷柴油機工作過程模型，同時應用FLOWMASTER軟件建立柴油機熱網絡模型，進行柴油機的熱平衡計算，最后進行對比驗證。

1 模型的建立

1.1 柴油機工作過程模型

將由柴油機氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套內壁面圍成的空間作為一個熱力系統，采用零維燃燒模型對氣缸進行建模；將柴油機進/排氣系統分為若干控制體積，應用有限體積法進行一維非定常數值建模；將中冷器簡化成管模型進行建模；在渦輪增壓器的建模中，通過輸入渦輪增壓器的特性參數對增壓器的工作狀態進行定義；取環境大氣壓力為101.3 kPa，環境大氣溫度為25 ℃。柴油機基本參數如表1所示。考慮到所研究柴油機的對稱結構，為提高模型運行速度,將其簡化成3缸模型。基于GT-POWER軟件搭建的柴油機工作過程模型如圖1所示。

表1 柴油機基本參數

在柴油機工作過程模型中，采用韋伯燃燒模型[5-7]模擬燃燒過程，即

(1)

式中：x為燃燒分數；θz為燃燒開始角；φz為燃燒持續角；φ為瞬時曲軸轉角；m為燃燒品質數。

圖1 柴油機工作過程模型

為了精確描述缸內燃燒過程，將燃燒室內的燃燒過程分為預混合燃燒期、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為預混合燃燒期的燃燒分數；x2為主燃燒期的燃燒分數；x3為尾燃燒期的燃燒分數。

對于傳熱模型，采用胡希尼函數[8]進行模擬，則傳熱系數ag為

(3)

式中：p、T分別為氣缸內的氣體壓力和溫度；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，對于直噴式燃燒室，C2=3.24×10-3；C1為氣流速度系數，在柴油機工作過程中的進/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為風速計葉片在穩流吹風試驗時切向速度與活塞平均速度的比值。

1.2 柴油機熱網絡模型

圖2 柴油機熱網絡模型

1.3 柴油機平均壁面溫度耦合求解

氣缸壁面溫度分布并不均勻，各點溫度呈周期性波動，但表面溫度波動不大，在離表面深幾毫米的金屬內部，溫度波動會迅速下降到一個穩定值[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算。活塞、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算[10]。

柴油機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分別為燃氣向活塞頂面、氣缸蓋底面和氣缸套表面傳遞的熱流量。

圖3 柴油機平均壁面溫度求解流程

判斷是否收斂采用的準則為

(4)

式中：Tw為前一次迭代計算的平均壁面溫度求解結果；Tw′為本次迭代計算的平均壁面溫度求解結果。由式(4)可知：當迭代前后的計算結果相對差值不大于0.002時，即認為壁面溫度的計算結果收斂。

2 試驗驗證

2.1 標定工況

在標定工況下，對該柴油機熱平衡的計算結果與試驗結果進行對比，氣缸內壓力對比曲線如圖4所示，其他參數對比情況如表2所示。

圖4 標定工況下柴油機氣缸內壓力對比曲線

參數計算值試驗值相對誤差/%增壓器轉速/(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：標定工況下各項參數的相對誤差值不超過5%，滿足精度要求。

2.2 外特性工況

在對外特性工況進行試驗驗證的過程中，將耦合求解壁面溫度和經驗壁面溫度的柴油機熱平衡計算結果與試驗結果進行對比，如圖5所示。其中：仿真1為耦合求解壁面溫度的柴油機熱平衡計算結果；仿真2為經驗壁面溫度的柴油機熱平衡計算結果。

圖5 外特性工況下柴油機熱平衡結果對比

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驗壁面溫度計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熱平衡計算方法精度更高。

3 結論

筆者提出了種基于耦合求解壁面溫度的柴油機熱平衡計算方法，利用此法和經驗壁面溫度法對一臺6缸柴油機進行了熱平衡計算，并分別與試驗結果進行了對比。結果表明：基于耦合求解壁面溫度的柴油機熱平衡計算方法精度更高，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算誤差分別降至1.48%、2.39%和2.23%。

由于柴油機的傳熱過程復雜，要想精確計算熱平衡中各項熱流量的分配，還需要進行深入研究。下一步，要進行潤滑系統建模，通過潤滑系統模型與柴油機工作過程模型的耦合來精確計算冷卻液從機油冷卻器帶走的熱流量。

[1] 馬寧.柴油機熱平衡建模與計算研究[D].北京：裝甲兵工程學院，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柴油機熱平衡的仿真計算研究[J].湖南理工學院學報，2013，26(4)：31-35.

[5] 朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器[M].北京：機械工業出版社，1992：61-66.

[6] 蔣德明.內燃機的渦輪增壓[M].北京：機械工業出版社，1996：40-45.

[7] 王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004：45-50.

[8] 周松，王銀燕，明平劍，等.內燃機工作過程仿真技術[M].北京：航空航天大學出版社，2012：27-30.

[9] 楊俊杰，秦朝葵，徐吉浣.發動機冷卻余熱的計算[J].煤氣與熱力，2001，21(5)：10-25.

[10] 李艷紅.直噴式柴油機的特性預測及參數優化[D].鎮江：江蘇大學，2003.

(責任編輯: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”計劃資助項目(201697301)

馬 寧(1988-)，男,博士研究生。

TK421+.1

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.011