发动机瞬变工况性能与传热关联研究

【摘要】在现代日常生活中，汽车已成为不可或缺的交通工具之一。随着科学技术和经济的飞速发展，各行各业对物流和客运提出了更高的要求，汽车所起的作用越来越大。发动机作为汽车最关键的组成部分，其性能的优良对整车的性能起着巨大作用。然而，发动机热管理技术一直是提高发动机性能的瓶颈之一。长期以来，国内外的动力性能测试大多是按照稳态工作过程获得的数据进行计算和分析。但是，稳态工况下的数据结果尚无法真正地代表发动机的真实性能水平。因此对发动机瞬变工况性能诸多方面的研究就显得非常迫切。本文针对某涡轮增压汽油机进行瞬变工况性能和传热的研究。利用一维仿真和三维仿真耦合的方法求解整机瞬变温度场，总结瞬变工况传热性能的规律，评价冷却系统的响应特性。本文首先根据样机结构和发动机工作过程原理，利用一维GT-POWER软件搭建整机模型。其中，燃烧模型选用的是零维模型中的WIEBE模型，并采用WOSCHNI公式计算传热量。本文根据实际情况共建立了四种典型瞬变工况，分别是启动工况、高速变转速工况、低速变转速工况和变负荷工况。经过模拟，得到了上述四种瞬变工况下的缸内燃气温度和对流换热系数，然后以试验数据和缸内燃烧过程理论为主要依据，验证了性能仿真结果的准确性，为后续的三维传热模拟计算打下良好基础。在性能仿真分析过程中，发现原机的点火提前角设置不尽合理，使得缸内压力较低，造成了一定的动力损失。经过点火提前角的优化，发动机缸内压力提升明显，扭矩和功率明显改善。同时，燃烧室各个分区的换热条件也有较大幅度的变化。总体来说，点火提前角的增大，使得缸内燃烧重心向缸盖移动，燃烧室上部的换热条件改善，下部的换热系数有所降低。利用STAR-CCM+软件进行三维流动与传热分析。将整机分为缸盖、缸体和水套三部分分别划分网格，在水套近壁面处划分两层边界层以保证模拟计算精度。将一维得到的缸内换热条件输入三维软件中作为边界条件，并采用固-液耦合方式求解稳态流场和温度场。对比稳态计算数据和测温试验数据，差异均在7%以内。在上述基础上完成瞬变工况的仿真，得到了水套内瞬变流场分布和整机瞬变温度场分布及规律。本文在缸盖水套排气侧以及两缸之间鼻梁区设置若干温度监测点。在启动工况和变负荷工况下，冷却水入口流速恒定，测点温度的变化主要受缸内换热条件的影响。在高速变转速工况和低速变转速工况下，冷却水入口流速随着转速的降低而降低。由于热传递速率较流速变化滞后，使得当转速降低时，两缸之间的测点温度呈现先升高后降低的趋势。排气侧测点温度受冷却水影响较小，呈现单调上升或单调下降趋势。总体来说，不同瞬变工况下，监测点温度变化产生差异的主要原因在于缸内换热条件的变化以及冷却水入口流速的改变，但是在不同工况下两者对温度的影响贡献不同。本文的研究为发展高效、节能的发动机热管理系统提供了技术准备。
【作者】张硕；
【导师】陈海波；
【作者基本信息】吉林大学，工程热物理，2014，硕士
【关键词】发动机；热管理；动力性能；点火提前角；耦合仿真；

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