双燃料发动机活塞热负荷预测研究
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活塞表面的最高温度和活塞第一环槽间的平均 温 度 难 以 测 量 ，而 且 发 动 机 台 架 试 验 周 期 长 、花 费 大 ，还 可 能 对 发 动 机 造 成 损 坏 ，采 用 数 值 模 拟 ，不 仅 可 以 观 察 到 很 多 台 架 试 验 无 法 测 量 的 参 数 ，还 可 以 缩短研究周期。为得到活塞表面的最高温度和活塞 第 一 环 槽 间 的 平 均 温 度 ，需 要 对 活 塞 的 热 负 荷 进 行 模 拟 ，首 先 要 知 道 缸 内 的 平 均 温 度 和 平 均 换 热 系 数 ， 即要 求 得 到 缸 内 各 个 时 刻 的 瞬 时 温 度 和 换 热 系 数 。 ［４－５］ 本 文 借 助 ＧＴ－ｐｏｗｅｒ软 件 来 模 拟 发 动 机 工 作 过 程［６－７］，以 中 国 重 汽 的 ＷＤ６１５－９３ 高 压 共 轨 柴 油
柴油 机 在 原 柴 油 燃 烧 条 件 下 ，热 负 荷 不 会 超 过 允 许 值 ，改 装 之 后 ，燃 烧 过 程 发 生 变 化 ，热 传 递 规 律 也 发 生 变 化 ，同 时 发 动 机 各 部 件 的 热 负 荷 也 发 生 相 应 变 化 ，尤 其 是 发 动 机 活 塞 ，活 塞 直 接 与 高 温 、高 压 燃 气 相 接 触 ，最 易 受 到 影 响［１－３］，在 汽 车 运 行 过 程 中 ，活 塞 表 面 温 度 不 能 进 行 在 线 测 量 ，希 望 能 够 找 到 一 个 简 单 模 型 来 预 测 活 塞 的 热 负 荷 ，为 柴 油 机 的 改 装 提 供理论依据。
张承维，梁议化，唐文勇，郭华华，张生梅
（贵 州 理 工 学 院 ，贵 阳 市 ，５５０００３）
摘要：建立柴油—天然气双燃料发动机工作过程仿真模型，将仿真得到的环境温度和换热系数作为热负荷加 载 到 活 塞 上， 计算得到活塞温度场分布情 况，活 塞 仿 真 温 度 值 与 实 测 值 误 差 在 工 程 允 许 范 围 内，以 喷 油 提 前 角、替 代 率、功 率、转 速、 ＮＯＸ 排放和过量空气系数为自变量，活塞表面最高温度和活塞 第 一 环 间 平 均 温 度 作 为 因 变 量，用 偏 最 小 二 乘 回 归 法 建 立 活塞表面最高温度以及活塞环间平均温度模型 。结果表明：ＮＯＸ 对 活 塞 表 面 最 高 温 度 及 活 塞 环 间 平 均 温 度 影 响 最 大 ，影 响权重分别为 ０．３０和０．３１，活塞表面温度检验的最大误差值为５．７％，活塞环间平均温度的最大误差值为７．１％，基本满 足工程要求 ，为双燃料发动机改装提供依据。 关 键 词 ：双 燃 料 发 动 机 ；活 塞 ；温 度 ；偏 最 小 二 乘 算 法 中图分类号：ＴＫ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－５５５３ （２０１９）０５－０１０４－０７
１ 缸 内 温 度 和 换 热 系 数
目前，对发动机 活 塞 热 负 荷 进 行 实 时 测 量 的 方 法
Байду номын сангаас
未见报道，本文 通 过 测 量 发 动 机 工 作 过 程 中 的 几 个 关 键信息来表征发 动 机 活 塞 的 热 负 荷，测 量 发 动 机 燃 烧 过程的几个关键信息比测量完整的活塞热负荷难度降 低了一个数量 级。 在 发 动 机 运 行 过 程 中，只 需 要 知 道 活塞表面温度是大于３６０ ℃还是小于３６０ ℃以及活塞 第一环槽的平均温度 是 高 于 ２３０ ℃ 还 是 低 于 ２３０ ℃， 只需判断温度是 否 达 到 临 界 值，不 需 要 知 道 活 塞 表 面 所有温度的具体数值，把问题难度降低 了 一个数量 级。 本文只需知道活塞表面的最高温度和活塞第一环槽间 的平均 温 度 是 否 超 过 临 界 值，从 而 降 低 热 负 荷 判 断 难度。
收 稿 日 期 ：２０１８ 年 １２ 月 ２６ 日 修 回 日 期 ：２０１９ 年 ５ 月 ５ 日 ＊ 基 金 项 目 ：贵 州 省 科 学 技 术 基 金 项 目 （黔 科 合 Ｊ字 ［２０１４］２０８０ 号 ）；国 家 自 然 科 学 基 金 （６１５６３０１０） 第 一 作 者 ：张 承 维 ，女 ，１９７９ 年 生 ，贵 州 贵 阳 人 ，博 士 ，副 教 授 ；研 究 方 向 为 双 燃 料 发 动 机 可 靠 性 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｗｅｉ４３３４１０＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
张承 维，梁 议 化，唐 文 勇，郭 华 华，张 生 梅．双 燃 料 发 动 机 活 塞 热 负 荷 预 测 研 究 ［Ｊ］．中 国 农 机 化 学 报，２０１９，４０ （５）：１０４－１１０ Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇｗｅｉ，Ｌｉａｎｇ Ｙｉｈｕａ，Ｔａｎｇ Ｗｅｎｙｏｎｇ，Ｇｕｏ Ｈｕａｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｓｈｅｎｇｍｅｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｉｎ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１９，４０（５）：１０４－１１０
第 ４０ 卷 第 ５ 期 ２０１９ 年 ５ 月
中国农机化学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ
ＤＯＩ：１０．１３７３３／ｊ．ｊｃａｍ．ｉｓｓｎ．２０９５－５５５３．２０１９．０５．１９
双燃料发动机活塞热负荷预测研究＊
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．５ Ｍａｙ． ２０１９
０ 引 言
大功率柴油 机 改 装 成 柴 油—天 然 气 双 燃 料 发 动 机 之 后 ，相 比 原 柴 油 机 有 自 身 的 优 点 ，首 先 天 然 气 供 应 充 足 ，在 中 国 大 部 分 地 区 都 建 设 有 天 然 气 供 气 站 ； 其 次 天 然 气 价 格 比 柴 油 低 ，天 然 气 对 柴 油 的 替 代 率 越 高 ，其 经 济 性 越 好 ，因 此 很 多 厂 家 为 追 求 经 济 效 率 ，采 用 过 高 的 替 代 率 ，使 得 改 装 后 的 双 燃 料 发 动 机 发 生 发 动 机 热 裂 、烧 损 、熔 顶 、拉 缸 等 恶 性 事 故 的 概 率很高。
柴油 机 在 原 柴 油 燃 烧 条 件 下 ，热 负 荷 不 会 超 过 允 许 值 ，改 装 之 后 ，燃 烧 过 程 发 生 变 化 ，热 传 递 规 律 也 发 生 变 化 ，同 时 发 动 机 各 部 件 的 热 负 荷 也 发 生 相 应 变 化 ，尤 其 是 发 动 机 活 塞 ，活 塞 直 接 与 高 温 、高 压 燃 气 相 接 触 ，最 易 受 到 影 响［１－３］，在 汽 车 运 行 过 程 中 ，活 塞 表 面 温 度 不 能 进 行 在 线 测 量 ，希 望 能 够 找 到 一 个 简 单 模 型 来 预 测 活 塞 的 热 负 荷 ，为 柴 油 机 的 改 装 提 供理论依据。
张承维，梁议化，唐文勇，郭华华，张生梅
（贵 州 理 工 学 院 ，贵 阳 市 ，５５０００３）
摘要：建立柴油—天然气双燃料发动机工作过程仿真模型，将仿真得到的环境温度和换热系数作为热负荷加 载 到 活 塞 上， 计算得到活塞温度场分布情 况，活 塞 仿 真 温 度 值 与 实 测 值 误 差 在 工 程 允 许 范 围 内，以 喷 油 提 前 角、替 代 率、功 率、转 速、 ＮＯＸ 排放和过量空气系数为自变量，活塞表面最高温度和活塞 第 一 环 间 平 均 温 度 作 为 因 变 量，用 偏 最 小 二 乘 回 归 法 建 立 活塞表面最高温度以及活塞环间平均温度模型 。结果表明：ＮＯＸ 对 活 塞 表 面 最 高 温 度 及 活 塞 环 间 平 均 温 度 影 响 最 大 ，影 响权重分别为 ０．３０和０．３１，活塞表面温度检验的最大误差值为５．７％，活塞环间平均温度的最大误差值为７．１％，基本满 足工程要求 ，为双燃料发动机改装提供依据。 关 键 词 ：双 燃 料 发 动 机 ；活 塞 ；温 度 ；偏 最 小 二 乘 算 法 中图分类号：ＴＫ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－５５５３ （２０１９）０５－０１０４－０７
１ 缸 内 温 度 和 换 热 系 数
目前，对发动机 活 塞 热 负 荷 进 行 实 时 测 量 的 方 法
Байду номын сангаас
未见报道，本文 通 过 测 量 发 动 机 工 作 过 程 中 的 几 个 关 键信息来表征发 动 机 活 塞 的 热 负 荷，测 量 发 动 机 燃 烧 过程的几个关键信息比测量完整的活塞热负荷难度降 低了一个数量 级。 在 发 动 机 运 行 过 程 中，只 需 要 知 道 活塞表面温度是大于３６０ ℃还是小于３６０ ℃以及活塞 第一环槽的平均温度 是 高 于 ２３０ ℃ 还 是 低 于 ２３０ ℃， 只需判断温度是 否 达 到 临 界 值，不 需 要 知 道 活 塞 表 面 所有温度的具体数值，把问题难度降低 了 一个数量 级。 本文只需知道活塞表面的最高温度和活塞第一环槽间 的平均 温 度 是 否 超 过 临 界 值，从 而 降 低 热 负 荷 判 断 难度。
收 稿 日 期 ：２０１８ 年 １２ 月 ２６ 日 修 回 日 期 ：２０１９ 年 ５ 月 ５ 日 ＊ 基 金 项 目 ：贵 州 省 科 学 技 术 基 金 项 目 （黔 科 合 Ｊ字 ［２０１４］２０８０ 号 ）；国 家 自 然 科 学 基 金 （６１５６３０１０） 第 一 作 者 ：张 承 维 ，女 ，１９７９ 年 生 ，贵 州 贵 阳 人 ，博 士 ，副 教 授 ；研 究 方 向 为 双 燃 料 发 动 机 可 靠 性 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｗｅｉ４３３４１０＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
张承 维，梁 议 化，唐 文 勇，郭 华 华，张 生 梅．双 燃 料 发 动 机 活 塞 热 负 荷 预 测 研 究 ［Ｊ］．中 国 农 机 化 学 报，２０１９，４０ （５）：１０４－１１０ Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇｗｅｉ，Ｌｉａｎｇ Ｙｉｈｕａ，Ｔａｎｇ Ｗｅｎｙｏｎｇ，Ｇｕｏ Ｈｕａｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｓｈｅｎｇｍｅｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄ ｏｆ ｐｉｓｔｏｎ ｉｎ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１９，４０（５）：１０４－１１０
第 ４０ 卷 第 ５ 期 ２０１９ 年 ５ 月
中国农机化学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ
ＤＯＩ：１０．１３７３３／ｊ．ｊｃａｍ．ｉｓｓｎ．２０９５－５５５３．２０１９．０５．１９
双燃料发动机活塞热负荷预测研究＊
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．５ Ｍａｙ． ２０１９
０ 引 言
大功率柴油 机 改 装 成 柴 油—天 然 气 双 燃 料 发 动 机 之 后 ，相 比 原 柴 油 机 有 自 身 的 优 点 ，首 先 天 然 气 供 应 充 足 ，在 中 国 大 部 分 地 区 都 建 设 有 天 然 气 供 气 站 ； 其 次 天 然 气 价 格 比 柴 油 低 ，天 然 气 对 柴 油 的 替 代 率 越 高 ，其 经 济 性 越 好 ，因 此 很 多 厂 家 为 追 求 经 济 效 率 ，采 用 过 高 的 替 代 率 ，使 得 改 装 后 的 双 燃 料 发 动 机 发 生 发 动 机 热 裂 、烧 损 、熔 顶 、拉 缸 等 恶 性 事 故 的 概 率很高。