轿车发动机活塞冷却方法研究_第一部分实现高传热系数的基础试验_K_Matsumo
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图1 0 高速往复运动时热管的效果
T A1 +λ A2) Ae Δ λ λ q= ( 1 2 e L
( ) 2
其中 , A1 λ λ 1为 铝 导 热 系 数 ; 2 为 热 管 导 热 系 数; 为铝块横截面积 ; A2 为热管横截面积 。 图1 0 为高速往复运动时热管的效果 。 在静止状 / ( 。 态下 , 商用热管的导热系数约为 3 0 0 0W m·K)
Ae q =λ e
T Δ L
( ) 1
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国 外 内 燃 机 2 0 1 6 年第 4 期
其中 , Ae 为 横 截 面 λ q 为 热 流 量; e为 导 热 系 数; 积; L 为长度 。 4 讨论 虽然 , 液体的 传 输 主 要 依 靠 热 管 中 吸 液 带 的 表 面张力实现的 , 但传输量 有 一 定 限 度 。 此 外 , 在往复 运行条件下 , 吸 液 带 表 面 的 液 体 会 破 碎 成 液 滴。 因 液体传输量会减少 , 传热也会降低 。 此, 在本研究中 , 管壁上的斜面节流口能促使新颖 热管传输液体 。 低温端的冷 凝 液 体 依 靠 高 速 往 复 运 随 后 流 入 热 管。 在 流 入 热 管 动能很好地 飞 溅 流 出 , 过程中 , 当液滴与节流口接 触 时 , 它就会朝恒定的方 向产生驱动力 。 显然 , 在高速往复运动 状 态 下 , 通过安装回流通 道就能使液体从冷凝端传输到蒸发端 。 对于试验数据来说 , 虽 然 在 静 止 状 态 时, 新颖热 但 是 在 往 复 运 动 时, 新 管的传热量比铝制试件的 小 , 颖热管的性 能 却 得 以 改 善 。 此 外 , 通过增加往复运 动速度 , 新颖 热 管 的 传 热 系 数 能 超 过 铝 块 试 件 的 传
热系数 。 虽然 , 没有测量热 管 内 液 体 的 流 动 状 态 , 但 设想它与上述工作原理是一致的 。 5 小结 在静止状态 下 , 有热管试件的导热系数比无热 管的纯铝块试件的小 。 这是 由 于 热 管 中 的 气 相 使 横 截面积减少 , 从而降低了导热系数 。 当往复运动 速 度 增 加 时 , 新开发的热管的导热 / 系数会急剧升高 。 虽然水 汽 比 为 7 0 3 0的热管及横 截面比为 1 0% 的热管在静止状态下的导热系数大于 / ( , / 但直到滑动速度为 2m 1 1 0W m·K) s时其导热 / , 系数 才 略 有 增 加 , 速度为3m 时 导 热 系数达到 s / ( 。 6 2 0W m·K) 与商用热管相比 , 在静 止 状 态 下 , 商品化热管产 / ( , 品的导 热 系 数 约 为 3 而在速度为 0 0 0W m· K) / / ( 。 新颖热管的导热系数为 4 3m s时 , 9 0 0W m·K) 因此 , 高速往复运动时 , 热管 的 传 热 性 能 比 静 止 状 态 时提高了 1. 6倍。 研究发现 , 增加振动惯性力是改善热传输的有 效方式 。 因而 , 本田公司技术中心将这一方法应用
图 5 密封过程图
热管密封后 , 将包含热管的整个铝制试件加热 到试验温度 , 确 定 饱 和 蒸 气 压 力 状 态。 图 6 为 饱 和 蒸气压力曲线 。
图 8 高速往复试验装置的驱动件
பைடு நூலகம்
图 9 为试验中拍摄的热 管 试 件 及 其 周 围 环 境 的 照片 。
图 6 饱和蒸气压力曲线图
图 7 为试件中的热流状态 。
图 9 高速试验中的试件 ( 往复 / ) 运动速度 3m s
3 试验结果 假设热辐射相同 , 计算了 2 个 横 截 面 ( 带有热管
图 7 试件中的热流
的铝制试件和不带热管的铝制试件 ) 的热平衡 。 根据下列公式计算热平衡 。
利用图 7 中左侧的陶瓷加热器进行加热 , 由散热 翅片进行散热 。 图中所示的热流方向为从左到右 。
无热管的铝制试件的有效导热系数为 / ( , 它不会随往复运动速度变化而发 生 1 4 0W m·K) 改变 。 另一方面 , 受 热 管 内 空 气 的 影 响, 在静止状态下 / 水汽比为 7 0 3 0 的试件及横截面比为 1 0 %的热管的 导热系数都比无热管的铝试件的小 , 与无热管的铝制 / 试件相比 , 滑动速度为 2 m 导热系数略有增加, s时 , / / ( 。 当滑动速度为3m 导热系数达到 s时, 6 2 0W m·K) 利用以上结果计算热管本身的导热系数, 滑动速度为 / / ( 。 导热系数为 3m s时, 4 9 0 0W m·K) 图1 1 为热管不同充填比时的效果 。
图1 1 热管不同充填比时的效果
到轿车发动机的活塞冷却技术中 。
王晓滕 李研芳 译自 S A E P a e r 2 0 1 5 0 1 1 6 5 3 - - p 朱炳全 校 虞 展 编辑 ( ) 收稿日期 : 2 0 1 6 0 2 2 2 - -
/ 水汽 比 为 5 有效传热系数随速度增加 0 5 0 时, / 而增加 。 虽然 在 速 度 为 2 m 水汽比 s或 更 低 值 时, / / 为7 0 3 0 时的传热系数小 于 水 汽 比 为 5 0 5 0时的传 / 热系数 , 但是在速度为 3 m 传热系 数 急 剧 升 高 s时 , / ( 。 水汽比为 8 / , 到6 比值最高 ) 2 0W m·K) 0 2 0时( / / ( , 速度为1m 但是 s时的传热系数为 2 3 5W m·K) / / ( 。 在速度为 2m s时传热系数跌至 1 8 0W m·K)
【 日】 M a t s u m o t o H a r a d a T a n i u c h i I t o K. H. H. N. g 在计 摘要 :轿 车发动机活塞的冷却技术对于提高压缩比和控制活塞变形十分重要 。 众所周知 , 算机和空调器中采用热管能够明显改善导热率 , 然 而, 发 动 机 冷 却 不 能 采 用 常 规 的 热 管, 因为气流和 液流会受到振动的干扰 , 因而会使导热率很低 。 开 发 了 1 种 新 颖 的 热 管 , 并 进 行 了 试 验, 利用1台高 但成功地使高速往复运动下 速往复试验装置确定了它的传热系数 。 试验是在单 热 管 基 础 上 进 行 的 , 的传热系数比静止状态的传热系数提高了 1. 6 倍 。 详细介绍观测到的特性及验证方法 。 下一步计划 将这一方法应用在发动机活塞上 。 关键词 :活塞 传热系数 导热系数 热管 节流片
) ) a b ( ( 图 3 热管结构 图 2 新颖热管试件的结构 图 1 采用商用热管的试件结构图
间距布置 的 用 以 控 制 往 复 运 动 时 气 流 和 液 流 的 节
0 1 6 年第 4 期 国 外 内 燃 机 2
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2 往复运动试验 表 1 为往复运动试验的条件 。
表 1 试验条件
项目
-1) ( 往复运动速度范围/ m·s
参数 0~3. 0 5 0
图 4 试件剖面图
往复行程/ mm
热管的制备方法 如 下 :在 室 温 下 将 冷 却 液 加 注 , 本 案 例 中 为 纯 水) 采用加热器从底部加 到热管内 ( 热铝制试件 , 测量压力及温 度 , 当冷却液达到规定的 质量时封闭热管 。 图 5 为封装过程图 。
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国 外 内 燃 机 2 0 1 6 年第 4 期
试 验 研 究
轿车发动机活塞冷却方法研究
— — — 第一部分 实现高传热系数的基础试验
DOI:10.16776/ki.1000-3797.2016.04.008
0 引言 为适应燃油 经 济 性 和 环 境 兼 容 性 的 发 展 趋 势 , 活塞冷却方法是发动机开发过 程 中 提 高 压 缩 比 和 抑 制变形的 1 项重要技术 。 活塞通常利用活塞上的 冷 却 通 道 和 活 塞 下 方 的 机油喷束 进 行 冷 却 。 由 于 冷 却 液 传 热 系 数 不 够 高 , 因而冷却有 效 性 低 于 期 望 值 。 通 常 , 计算机和空调 器中采用的热管其导热率要比 上 述 冷 却 技 术 的 导 热 率高 1 由 于 热 管 的 结 构 特 征, 无法避免 0倍。然 而, 气流和液流受到振动干 扰 , 因 而 导 热 率 很 低。至 今, 热管还没有应用于冷却发动机 。 本田公司技术中心对热 管 应 用 于 发 动 机 活 塞 冷 通过改变热管内部 的 μ 值 , 却的可能性进行了研究 , 以及利用高速往复运动引起的 自 激 振 荡 振 动 来 控 制 气体和液体 的 双 层 流 动 , 并确保在不降低热传输量 的情况下达到高传热系数 。 虽 然 试 验 是 在 单 热 管 基 础上进行的 , 但成功地使高速往复运动下的传热系 数, 比静止状 态 下 的 传 热 系 数 提 高 了 1. 6 倍。 本 文 详细介绍观测到的特性及验证方法 。 1 热管设计 图 1 为商用热管试件在 高 速 往 复 试 验 装 置 上 的 安装结构图 。 图 2 为新开发的热管 , 其 内部 装 有若 干节 流口, 用以控制往复运动时气体 和 液 体 的 流 动 。 热 管 布 局 采用闭环形式 。 ( ) 图 3 为热管结构 。 图 3 为内部有网状吸液带 a ( 的商用热管 。 图 3 为 新 颖 热 管, 其内部设有固定 b) 流口 。 图 4 为图 1 和 图 2 中 所 示 试 件 的 结 构 剖 面 图 。 该试件包括 用 铝 材 料 覆 盖 的 热 管 和 外 部 隔 热 材 料 。 在试件的 3 个位置上安装了热电偶 , 以测量热流 。
为试验准备了 4 种新 颖 热 管 。 为 确 定 最 佳 水 汽 / / 比, 将3 根 热 管 的 水 汽 比 分 别 设 定 为 5 0 5 0, 7 0 3 0 / 及8 还用另外 1 种形状相同但 0 2 0。 为了进行对比 , 内部无热管的试件进行了试验 。 试验中 , 用安 装 在 试 件 2 个 位 置 上 的 热 电 偶 测 量温度 , 当达到某一稳定温 度 时 改 变 滑 动 速 度 , 达到 规定滑动速度时以相同方式再次测量温度 。 采用图 8 所示的试验装 置 进 行 高 速 往 复 运 动 试 验 。 陶瓷加热器的输入功率设定为 3 0 W。
T A1 +λ A2) Ae Δ λ λ q= ( 1 2 e L
( ) 2
其中 , A1 λ λ 1为 铝 导 热 系 数 ; 2 为 热 管 导 热 系 数; 为铝块横截面积 ; A2 为热管横截面积 。 图1 0 为高速往复运动时热管的效果 。 在静止状 / ( 。 态下 , 商用热管的导热系数约为 3 0 0 0W m·K)
Ae q =λ e
T Δ L
( ) 1
— 3 6 —
国 外 内 燃 机 2 0 1 6 年第 4 期
其中 , Ae 为 横 截 面 λ q 为 热 流 量; e为 导 热 系 数; 积; L 为长度 。 4 讨论 虽然 , 液体的 传 输 主 要 依 靠 热 管 中 吸 液 带 的 表 面张力实现的 , 但传输量 有 一 定 限 度 。 此 外 , 在往复 运行条件下 , 吸 液 带 表 面 的 液 体 会 破 碎 成 液 滴。 因 液体传输量会减少 , 传热也会降低 。 此, 在本研究中 , 管壁上的斜面节流口能促使新颖 热管传输液体 。 低温端的冷 凝 液 体 依 靠 高 速 往 复 运 随 后 流 入 热 管。 在 流 入 热 管 动能很好地 飞 溅 流 出 , 过程中 , 当液滴与节流口接 触 时 , 它就会朝恒定的方 向产生驱动力 。 显然 , 在高速往复运动 状 态 下 , 通过安装回流通 道就能使液体从冷凝端传输到蒸发端 。 对于试验数据来说 , 虽 然 在 静 止 状 态 时, 新颖热 但 是 在 往 复 运 动 时, 新 管的传热量比铝制试件的 小 , 颖热管的性 能 却 得 以 改 善 。 此 外 , 通过增加往复运 动速度 , 新颖 热 管 的 传 热 系 数 能 超 过 铝 块 试 件 的 传
热系数 。 虽然 , 没有测量热 管 内 液 体 的 流 动 状 态 , 但 设想它与上述工作原理是一致的 。 5 小结 在静止状态 下 , 有热管试件的导热系数比无热 管的纯铝块试件的小 。 这是 由 于 热 管 中 的 气 相 使 横 截面积减少 , 从而降低了导热系数 。 当往复运动 速 度 增 加 时 , 新开发的热管的导热 / 系数会急剧升高 。 虽然水 汽 比 为 7 0 3 0的热管及横 截面比为 1 0% 的热管在静止状态下的导热系数大于 / ( , / 但直到滑动速度为 2m 1 1 0W m·K) s时其导热 / , 系数 才 略 有 增 加 , 速度为3m 时 导 热 系数达到 s / ( 。 6 2 0W m·K) 与商用热管相比 , 在静 止 状 态 下 , 商品化热管产 / ( , 品的导 热 系 数 约 为 3 而在速度为 0 0 0W m· K) / / ( 。 新颖热管的导热系数为 4 3m s时 , 9 0 0W m·K) 因此 , 高速往复运动时 , 热管 的 传 热 性 能 比 静 止 状 态 时提高了 1. 6倍。 研究发现 , 增加振动惯性力是改善热传输的有 效方式 。 因而 , 本田公司技术中心将这一方法应用
图 5 密封过程图
热管密封后 , 将包含热管的整个铝制试件加热 到试验温度 , 确 定 饱 和 蒸 气 压 力 状 态。 图 6 为 饱 和 蒸气压力曲线 。
图 8 高速往复试验装置的驱动件
பைடு நூலகம்
图 9 为试验中拍摄的热 管 试 件 及 其 周 围 环 境 的 照片 。
图 6 饱和蒸气压力曲线图
图 7 为试件中的热流状态 。
图 9 高速试验中的试件 ( 往复 / ) 运动速度 3m s
3 试验结果 假设热辐射相同 , 计算了 2 个 横 截 面 ( 带有热管
图 7 试件中的热流
的铝制试件和不带热管的铝制试件 ) 的热平衡 。 根据下列公式计算热平衡 。
利用图 7 中左侧的陶瓷加热器进行加热 , 由散热 翅片进行散热 。 图中所示的热流方向为从左到右 。
无热管的铝制试件的有效导热系数为 / ( , 它不会随往复运动速度变化而发 生 1 4 0W m·K) 改变 。 另一方面 , 受 热 管 内 空 气 的 影 响, 在静止状态下 / 水汽比为 7 0 3 0 的试件及横截面比为 1 0 %的热管的 导热系数都比无热管的铝试件的小 , 与无热管的铝制 / 试件相比 , 滑动速度为 2 m 导热系数略有增加, s时 , / / ( 。 当滑动速度为3m 导热系数达到 s时, 6 2 0W m·K) 利用以上结果计算热管本身的导热系数, 滑动速度为 / / ( 。 导热系数为 3m s时, 4 9 0 0W m·K) 图1 1 为热管不同充填比时的效果 。
图1 1 热管不同充填比时的效果
到轿车发动机的活塞冷却技术中 。
王晓滕 李研芳 译自 S A E P a e r 2 0 1 5 0 1 1 6 5 3 - - p 朱炳全 校 虞 展 编辑 ( ) 收稿日期 : 2 0 1 6 0 2 2 2 - -
/ 水汽 比 为 5 有效传热系数随速度增加 0 5 0 时, / 而增加 。 虽然 在 速 度 为 2 m 水汽比 s或 更 低 值 时, / / 为7 0 3 0 时的传热系数小 于 水 汽 比 为 5 0 5 0时的传 / 热系数 , 但是在速度为 3 m 传热系 数 急 剧 升 高 s时 , / ( 。 水汽比为 8 / , 到6 比值最高 ) 2 0W m·K) 0 2 0时( / / ( , 速度为1m 但是 s时的传热系数为 2 3 5W m·K) / / ( 。 在速度为 2m s时传热系数跌至 1 8 0W m·K)
【 日】 M a t s u m o t o H a r a d a T a n i u c h i I t o K. H. H. N. g 在计 摘要 :轿 车发动机活塞的冷却技术对于提高压缩比和控制活塞变形十分重要 。 众所周知 , 算机和空调器中采用热管能够明显改善导热率 , 然 而, 发 动 机 冷 却 不 能 采 用 常 规 的 热 管, 因为气流和 液流会受到振动的干扰 , 因而会使导热率很低 。 开 发 了 1 种 新 颖 的 热 管 , 并 进 行 了 试 验, 利用1台高 但成功地使高速往复运动下 速往复试验装置确定了它的传热系数 。 试验是在单 热 管 基 础 上 进 行 的 , 的传热系数比静止状态的传热系数提高了 1. 6 倍 。 详细介绍观测到的特性及验证方法 。 下一步计划 将这一方法应用在发动机活塞上 。 关键词 :活塞 传热系数 导热系数 热管 节流片
) ) a b ( ( 图 3 热管结构 图 2 新颖热管试件的结构 图 1 采用商用热管的试件结构图
间距布置 的 用 以 控 制 往 复 运 动 时 气 流 和 液 流 的 节
0 1 6 年第 4 期 国 外 内 燃 机 2
— 3 5 —
2 往复运动试验 表 1 为往复运动试验的条件 。
表 1 试验条件
项目
-1) ( 往复运动速度范围/ m·s
参数 0~3. 0 5 0
图 4 试件剖面图
往复行程/ mm
热管的制备方法 如 下 :在 室 温 下 将 冷 却 液 加 注 , 本 案 例 中 为 纯 水) 采用加热器从底部加 到热管内 ( 热铝制试件 , 测量压力及温 度 , 当冷却液达到规定的 质量时封闭热管 。 图 5 为封装过程图 。
— 3 4 —
国 外 内 燃 机 2 0 1 6 年第 4 期
试 验 研 究
轿车发动机活塞冷却方法研究
— — — 第一部分 实现高传热系数的基础试验
DOI:10.16776/ki.1000-3797.2016.04.008
0 引言 为适应燃油 经 济 性 和 环 境 兼 容 性 的 发 展 趋 势 , 活塞冷却方法是发动机开发过 程 中 提 高 压 缩 比 和 抑 制变形的 1 项重要技术 。 活塞通常利用活塞上的 冷 却 通 道 和 活 塞 下 方 的 机油喷束 进 行 冷 却 。 由 于 冷 却 液 传 热 系 数 不 够 高 , 因而冷却有 效 性 低 于 期 望 值 。 通 常 , 计算机和空调 器中采用的热管其导热率要比 上 述 冷 却 技 术 的 导 热 率高 1 由 于 热 管 的 结 构 特 征, 无法避免 0倍。然 而, 气流和液流受到振动干 扰 , 因 而 导 热 率 很 低。至 今, 热管还没有应用于冷却发动机 。 本田公司技术中心对热 管 应 用 于 发 动 机 活 塞 冷 通过改变热管内部 的 μ 值 , 却的可能性进行了研究 , 以及利用高速往复运动引起的 自 激 振 荡 振 动 来 控 制 气体和液体 的 双 层 流 动 , 并确保在不降低热传输量 的情况下达到高传热系数 。 虽 然 试 验 是 在 单 热 管 基 础上进行的 , 但成功地使高速往复运动下的传热系 数, 比静止状 态 下 的 传 热 系 数 提 高 了 1. 6 倍。 本 文 详细介绍观测到的特性及验证方法 。 1 热管设计 图 1 为商用热管试件在 高 速 往 复 试 验 装 置 上 的 安装结构图 。 图 2 为新开发的热管 , 其 内部 装 有若 干节 流口, 用以控制往复运动时气体 和 液 体 的 流 动 。 热 管 布 局 采用闭环形式 。 ( ) 图 3 为热管结构 。 图 3 为内部有网状吸液带 a ( 的商用热管 。 图 3 为 新 颖 热 管, 其内部设有固定 b) 流口 。 图 4 为图 1 和 图 2 中 所 示 试 件 的 结 构 剖 面 图 。 该试件包括 用 铝 材 料 覆 盖 的 热 管 和 外 部 隔 热 材 料 。 在试件的 3 个位置上安装了热电偶 , 以测量热流 。
为试验准备了 4 种新 颖 热 管 。 为 确 定 最 佳 水 汽 / / 比, 将3 根 热 管 的 水 汽 比 分 别 设 定 为 5 0 5 0, 7 0 3 0 / 及8 还用另外 1 种形状相同但 0 2 0。 为了进行对比 , 内部无热管的试件进行了试验 。 试验中 , 用安 装 在 试 件 2 个 位 置 上 的 热 电 偶 测 量温度 , 当达到某一稳定温 度 时 改 变 滑 动 速 度 , 达到 规定滑动速度时以相同方式再次测量温度 。 采用图 8 所示的试验装 置 进 行 高 速 往 复 运 动 试 验 。 陶瓷加热器的输入功率设定为 3 0 W。