发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势
柴油机热平衡研究现状及分析
• 32 •内燃机与配件柴油机热平衡研究现状及分析Present Situation and Analysis of Diesel Engine Thermal Balance陈陆洋®;梁志峰®;周广猛于;刘瑞林于(①陆军军事交通学院研究生管理大队;②陆军军事交通学院军用车辆系）摘要：发动机热平衡是指燃烧产生的热量分布到发动机各个系统和部分，并使得各部件温度趋于稳定的平衡状态，进行柴油机热平衡研究可以分析在不同工况下燃油燃烧释放出的总热量在柴油机中的分配情况，从系统集成角度来统筹分析柴油机中的能量转 换与流动传热过程，本文对发动机热平衡研究内容及发展趋势进行了简要介绍和分析。
Abstract : The ther^nal balance of the engine is the distribution of the heat generated by the combustion to the various systems andparts of the engine and the equilibrium temperature of the components tends to be stable . The study of the ther^nal equilibrium of the diesel engine can analyze the total heat released by the combustion of the fuel in different conditions . The paper analyzes the energy conversion and flow heat transfer process in the diesel engine from the point of view of system integration . In this paper , the research content and development trend of the engine thermal balance are briefly introduced and analyzed .关键词：发动机;热平衡;传热；热流量Abstract : engine ； heat balance ； heat transfer ； heat flow〇引言提高发动机的热效率是设计发动机的追求目标之一， 发动机在工作时有自己的最佳工作区间，若发动机工作温 度过高，会导致发动机热负荷增加，若工作温度过低，会使 得热效率下降。
柴油机高原热平衡控制技术浅析
柴油机高原热平衡控制技术浅析邮编265200一、柴油机高原热平衡问题热平衡性能对柴油机的动力性、经济性、排放性能、可靠性及耐久性等有很大影响。
柴油机高原热平衡问题是影响柴油机高原性能发挥的重要制约因素之一。
在高原地区，由于柴油机热负荷增大以及冷却系统散热性能明显降低，使得在平原地区运行良好的柴油机，在高原地区使用时出现了一系列热平衡问题。
例如，柴油机的排温升高，冷却液和润滑油温度偏高。
出现这些问题的根本原因是设计冷却系统时未充分考虑高原环境对柴油机热平衡性能的影响，导致冷却系统的高原环境适应性差，柴油机的热平衡性能不能满足高原地区的使用要求。
二、柴油机高原热平衡研究现状目前，我国柴油机冷却系统普遍采用蜡式节温器、机械驱动冷却水泵和冷却风扇。
传统的冷却系统适应环境和工况变化能力较差，无法按柴油机的冷却需求调节冷却介质的流速和流量，很难保证柴油机在高原环境条件和全部工况范围内的最佳冷却性能，难以使柴油机在最佳的温度下工作，实现柴油机冷却水温的精确控制。
2000年以来，国内主流发动机企业及相关科研机构针对发动机高原热负荷大、水箱易“开锅”等问题，开展了降低发动机热负荷、强化冷却系统散热能力以及冷却系统控制技术等研究。
（一）发动机热负荷控制采用中冷技术可以降低增压发动机的热负荷，通过大幅度降低进入气缸的空气温度，从而降低柴油机涡轮前后排温。
上海柴油机股份有限公司对G6135ZG和D6114Z高原增压柴油机在海拔5800m进行高原实地台架试验时，加装中冷器后，额定工况和最大转矩工况下涡轮前排气温度下降40℃~60℃，其他性能亦有较大改善。
（二）强化冷却系统散热能力强化冷却系统散热能力的主要措施有：加大水泵和风扇的流量、增大散热器和水箱的散热面积、采用封闭加压冷却系统等。
徐州装载机厂在ZL50GH高原型装载机上采用全密闭加压水冷散热器，加大散热面积，确保了整机在高原地区的热平衡要求。
（三）冷却系统控制技术近几年随着电控技术的发展，国内外高校和汽车企业对发动机冷却系统智能控制技术进行了大量研究。
航空发动机转子动态平衡的仿真分析研究
航空发动机转子动态平衡的仿真分析研究航空发动机是现代飞行器必不可少的核心装备，发动机转子是发动机内最为重要的零部件之一。
由于长时间的高速旋转，转子的平衡状态一旦出现失调，就会对飞行器带来严重的安全隐患。
因此，保证发动机转子的平衡性能，是发动机研制和运行中必须重视的问题。
本文将通过仿真分析的方式，研究航空发动机转子动态平衡的相关问题。
1. 转子动态平衡的基本原理转子动态平衡是指在转子运转过程中，通过调整转子各部位的平衡质量，使转子保持稳定的旋转状态。
转子动态平衡的本质是控制旋转质量力矩和旋转惯量力矩之间的平衡关系，以达到使旋转中心与重心重合的目标。
转子动态平衡主要有两种方法：质量均衡法和振动分析法。
质量均衡法是通过添加或移除质量，来调整转子的质量分布情况，以达到平衡的目的。
具体来说，就是在转子上加装或减去适量的平衡质量，使得重心位置与转子轴心重合。
振动分析法是基于振动传感器的振动测量，利用模拟或数字信号处理技术，获得转子在运行过程中出现的不平衡情况，从而进行调整。
这种方法的优点是测量精度高、适用范围广，但需要较高的成本和技术支持。
2. 转子动态平衡的仿真模型建立为了进一步研究转子动态平衡的问题，需要建立转子动态平衡仿真模型。
在建立模型之前，需要考虑以下因素：(1) 转子的基本参数：转子的长度、直径、转速、材质等。
(2) 质量分布情况：转子上各部位质量分布情况。
(3) 平衡模式：通过质量均衡法或振动分析法进行平衡。
基于以上因素，可以建立转子动态平衡仿真模型。
通过有限元分析或者其他仿真软件进行仿真，获得转子在运行过程中的振动情况和旋转平衡状况。
3. 仿真分析与实验对比在得到转子动态平衡仿真模型后，需要进行仿真分析。
通过模拟转子在运行过程中的振动情况，得到转子在不同平衡条件下的振动幅值和相位差。
通过对比不同平衡条件下的振动数据，可以得到哪种平衡方式更为优越。
同时，在进行仿真分析的同时，也需要进行实验对比。
飞机发动机能源与热管理研究现状
飞机发动机能源与热管理研究现状以飞机发动机能源与热管理研究现状为题，本文将介绍当前飞机发动机能源和热管理研究的最新进展和挑战。
目前，随着航空业的快速发展和对环境保护的要求日益增加，飞机发动机能源和热管理成为了研究的热点领域。
本文将首先介绍飞机发动机能源的研究现状，然后探讨飞机发动机热管理的挑战和解决方案。
一、飞机发动机能源研究现状飞机发动机能源是指提供飞机动力的能源，目前主要以石油为燃料。
然而，石油资源有限，且燃烧石油会产生大量的二氧化碳排放，对环境造成严重影响。
因此，研究人员正在寻找替代燃料来减少对环境的影响。
1.1 生物燃料生物燃料是一种可再生能源，可通过生物质（如植物）转化而来。
生物燃料不仅可以减少二氧化碳排放，还能降低对石油的依赖。
目前，生物燃料已经在一些商用航班中开始使用，并取得了一定的成功。
然而，生物燃料的生产成本较高，且存在与粮食产量竞争的问题。
1.2 氢燃料氢燃料是一种零排放的能源，可通过水电解产生。
氢燃料在航空领域具有广阔的应用前景，但也面临着储存和运输的挑战。
目前，研究人员正在寻找高效的氢燃料储存和输送技术，以推动氢燃料在飞机发动机中的应用。
1.3 电动发动机电动发动机是另一种可替代燃油的技术。
电动飞机的研究已经取得了一定的进展，但目前电池技术的能量密度和充电时间仍然是制约电动飞机发展的主要因素。
因此，研究人员正在致力于改进电池技术，以提高电动飞机的续航能力和使用效率。
二、飞机发动机热管理的挑战和解决方案飞机发动机热管理是指对发动机产生的热量进行控制和管理，以保证发动机的正常运行。
由于飞机发动机在高温高压环境下工作，热管理成为了一个关键的技术挑战。
2.1 热防护材料热防护材料是保护发动机不受高温热量影响的关键技术。
目前，研究人员正在开发高温合金、陶瓷涂层和复合材料等新型热防护材料，以提高发动机的耐热性能。
2.2 冷却系统冷却系统是发动机热管理的重要组成部分。
目前，常用的冷却系统包括传统的液体冷却和新兴的气体冷却技术。
商用车发动机热平衡试验研究与分析
商用车发动机热平衡试验研究与分析作者：暂无来源：《专用汽车》 2015年第11期郭威田业光朱向洪湖北三环专用汽车有限公司湖北十堰442000摘要：通过对商用车进行发动机热平衡试验，阐述了冷却系统对于水温及发动机性能的影响。
分析了发动机与整车匹配的重要因素及影响原因，对冷却系统优化的测试数据为日后设计工作具有一定的借鉴意义。
关键词：商用车发动机热平衡冷却系统中图分类号：G232: TH242 文献标识码：B文章编号：1004-0226(2015)11-0106-04第一作者：郭威，男，1987年生，助理工程师，现从事商用车产品试验与技术研发。
在目前的汽车技术背景下，节能的技术手段越来越多，运用在发动机技术上主要有两个层面，一个是提高发动机的热效率；另一个是改善发动机排放。
发动机热平衡研究是发动机热效率研究的重要组成部分。
它是从系统集成的角度分析发动机中的能量转换与流动传热过程，使发动机的各个系统（如进排气系统、冷却系统、润滑系统）与发动机匹配最优化，最大程度地提高发动机的热效率。
研究发动机热平衡相对直接的方式就是通过热平衡试验以及相关的模拟计算。
1发动机热平衡试验方法发动机热平衡试验方法主要为两种：一种是台架试验，另一种是整车道路试验。
发动机台架试验边界条件相对较容易控制，试验操作也较为方便。
然而整车道路试验条件较为苛刻，车辆须满足发动机在最大扭矩或最大功率状态下上坡行驶。
一般采用拖车方式，前后车选择合适的变速器挡位控制样车一直能保持最大扭矩输出，要求速度控制在20 km/h以内，持续里程约5 km。
在这种工况下监测发动机冷却液温度、中冷后进气温度等参数变化趋于稳定后整车达到的热平衡状态。
发动机各系统传感器的测量点如图1所示。
发动机冷却系统水温对于发动机的性能产生重大影响。
发动机冷却系统水温过低，容易引起废气排放变差，零部件加剧磨损，输出功率减小，则会缩短发动机的使用寿命；然而水温过高同样能引起发动机的磨损，使可靠性能下降。
211089217_汽车发动机热平衡分析与优化
- 52 -工 业 技 术0 引言汽车发动机燃料燃烧产生的热转换是一种高效的能量，这些能量一部分被传递到发动机的冷却介质中，另一些则是通过废气中的热传递和抵消了摩擦力的损耗。
该文根据内燃机热能特性、不同损耗和不同的能量分布来研究燃料总热量的利用情况。
在整个车辆中，发动机的冷却和机油与周围温度之间的关系保持平稳的现象就是所谓的“汽车热平衡”。
为了保证汽车发动机的热平衡，一般期望有效功占据的比重较大，这样能改善发动机的热效率。
从汽车的角度来看，一般期望能够在最短时间内使发动机的冷却和润滑油与外界的温差保持在一个合适的温度区间内。
汽车热平衡是汽车热管理的重要内容，也是汽车重要的性能开发项目。
如果热量不均衡，会导致冷却水的温度不能保持在一个较高水平，则会引起发动机的热保护，造成发动机的热阻，或者即使冷却水的温度是稳定的，但发动机的冷却液没有处于良好的工作温度，则会造成发动机的油耗和排放率均较差[1]。
1 汽车热平衡问题的根源车辆发动机冷却液所承载的能源转换的简化图如图1所示。
发动机水箱的冷却液体会从发动机中吸取热量，并通过散热回到发动机。
在散热装置中，热的冷却液经过散热片和冷气流进入热量交换。
一方面，当冷却液从发动机中排出后，由于其所带的热能不足，无法迅速排出，因此其温度会不断升高，无法得到控制。
即使从发动机中排出的冷却水能够携带大量的热，但是在散热器中的热交换很差，导致冷却液被风吸走得更多，更多的热会回到发动机中，导致发动机的冷却温度不断上升。
总之，如果不能通过高效的冷却液体将发动机的热带走并将其充分输送至大气中，则会产生大量的冷却液体，进而导致车辆无法达到热平衡。
2 发动机热平衡试验方法 发动机的热平衡测试分为台架测试和整车道路测试2种。
在发动机台架上进行试验时，边界条件比较好控制，测试和运行更方便。
但整车道路测试对汽车的性能要求很高，必须保证发动机在最大转矩和最大功率的情况下进行。
通常使用牵引模式，在前后车辆之间选取适当的档位来控制样车始终保持最大的转矩，并要求车速不超过20km/h ，续航里程大约5km 。
发动机零部件热负荷仿真分析的开题报告
发动机零部件热负荷仿真分析的开题报告一、选题背景随着发动机性能不断提升，为了满足汽车运行要求，在发动机设计中使用了越来越多的新材料和新技术，同时发动机的工作条件也变得越来越苛刻。
在这种情况下，发动机零部件的热负荷分析显得越来越重要。
热负荷是指零部件所承受的热载荷，它包括热流、温度和热应力等参数。
在发动机设计中，合理的热负荷分析可以揭示零部件在不同工况下的热负荷承受能力，为改进设计提供依据。
因此，本文将以发动机零部件热负荷仿真分析为研究对象，探讨相关方法和技术，以期为发动机设计提供一定的参考依据。
二、研究目的本文的研究目的是：1. 探究发动机零部件热负荷的分析方法和技术；2. 利用仿真软件对典型发动机零部件的热负荷进行仿真分析；3. 分析仿真结果，评估零部件的热负荷承受能力；4. 对研究结果进行总结和归纳，提出相关改进意见。
三、研究内容本文的研究内容主要包括以下几个方面：1. 发动机零部件热负荷的相关概念和研究现状；2. 发动机零部件热负荷仿真分析的方法和技术；3. 发动机零部件热负荷仿真分析的实验设计和实验结果分析；4. 对研究结果进行总结和归纳，提出相关改进意见。
四、研究方法本文的研究方法主要包括以下几个方面：1. 归纳分析发动机零部件热负荷的相关概念和研究现状；2. 研究发动机零部件热负荷仿真分析的方法和技术，包括建模、边界条件设定、求解和分析；3. 利用ANSYS Workbench等仿真软件对典型发动机零部件的热负荷进行仿真分析；4. 分析仿真结果，评估零部件的热负荷承受能力；5. 对研究结果进行总结和归纳，提出相关改进意见。
五、预期结果通过本文的研究，预期可以获得以下几个结果：1. 对发动机零部件热负荷的分析方法和技术有所了解；2. 可以用仿真软件对典型发动机零部件的热负荷进行仿真分析；3. 分析仿真结果，评估零部件的热负荷承受能力；4. 提出改进意见，为发动机设计提供一定的参考依据。
柴油机热平衡数值仿真与试验研究的开题报告
柴油机热平衡数值仿真与试验研究的开题报告
1.研究背景和意义
柴油机是一种重要的内燃机，应用广泛。
然而，其燃烧过程存在很多不确定因素，使得柴油机效率低下，污染排放高。
为了提高柴油机效率，降低污染排放，热平衡数值仿真技术成为了解决该问题的一种有效方法。
通过热平衡数值仿真，可以研究柴油机各个部件之间的热传递和能量
转化情况，进而优化其结构和工况参数。
同时，热平衡数值仿真还可以用于预测柴油
机的性能和寿命，提高柴油机的可靠性和安全性。
因此，对柴油机热平衡数值仿真技术的研究和应用具有重要意义。
2.研究内容和方法
本文主要研究柴油机热平衡数值仿真和试验研究，并结合实际应用情况开展相关研究。
具体研究内容包括：
（1）建立柴油机的热平衡数值仿真模型，深入分析柴油机各个部件之间的热传
递和能量转化情况。
（2）设计柴油机试验台并开展试验。
利用试验所得数据验证数值仿真模型的准
确性和可靠性。
（3）通过对热平衡数值仿真模型和试验数据的深入分析，确定优化柴油机结构
和工况参数的方向和途径，提高柴油机效率和降低污染排放。
本文采用数值仿真和试验相结合的方法进行研究和分析。
3.预期研究结果和意义
本文预期通过研究柴油机热平衡数值仿真和试验，得出柴油机各个部件之间的热传递和能量转化情况，并确定最优化的结构和工况参数，提高柴油机的效率和降低污
染排放。
同时，本文还将对柴油机试验台的设计和试验方法进行总结和归纳，为柴油机试验研究提供参考和借鉴。
本文的研究成果将对柴油机领域的科学研究和实际应用具有重要的推动和促进作用。
航空发动机仿真平台的研发与应用研究
航空发动机仿真平台的研发与应用研究航空发动机作为飞机的核心部件之一，其性能的好坏直接影响着飞机的安全、经济和舒适度。
因此，航空发动机仿真平台的研发和应用成为了当今航空领域中一个热门的话题。
一、为什么需要航空发动机仿真平台在航空发动机研发过程中，大量的实验是有必要的，但是实验的费用昂贵、周期长、操作复杂，而且有时候会面临一些不可避免的安全隐患。
因此，航空发动机仿真平台的出现，可以大大缩短研发周期，降低成本，提高安全性，同时还可以检测出一些实验中难以发现的问题。
二、航空发动机仿真平台的应用研究航空发动机仿真平台是一个复杂而庞大的系统，需要对多个不同的因素进行分析和仿真，主要包括以下几个方面：1.气动分析。
对风道、叶轮、叶片和进、出口等不同部位进行气动分析，分析各种气流在航空发动机内的流动、速度、压力和温度等参数。
2.热力分析。
热力分析主要针对发动机的各种热学问题进行仿真，例如相关部件的温升变化、热失真和传热问题等。
3.结构分析。
航空发动机包括多个结构部件，例如叶轮、叶片、轴承、轴孔等，仿真分析这些部件在不同的受力条件下的变形、应力、位移等参数。
4.振动分析。
振动分析主要是分析航空发动机在运转时的振动情况，例如叶轮轴承寿命、动、静态平衡控制等问题。
5.控制系统仿真。
将发动机控制系统的各个部分分开进行仿真，例如燃油控制、空气流量控制等，以检测控制系统的有效性。
三、航空发动机仿真平台的研发建立航空发动机仿真平台需要多方面的技术支持，需要借助于多种软件和硬件技术，包括虚拟仿真技术、计算机辅助工具、信息技术等等，同时需要专业的工程师和技术人员进行研发和维护。
航空发动机仿真平台的研发可分为以下几个步骤：1.需求分析。
需求分析是研发的第一步，需要对航空发动机仿真平台的需求进行明确，分析仿真平台的主要功能和优点，设定研发的目标和标准。
2.系统设计。
系统设计主要是根据需求分析的结果，对系统的各个部分进行细致的设计，包括系统架构设计、组件设计、数据存储和处理等。
车用发动机热平衡研究进展与展望
在传统的发动机热平衡研究中，是以试验为基础，
图1
随着计算机与信息技术快速发展，逐渐实现了以计算仿真的发动机热平衡研究。
这种发动机热平衡研究方法不仅能够实现预先研究，在设计初期阶段进行发动机性能预测与分析、优化实现，并且不受条件限制，能够在各种气候条件与发动机工况下对其性能进行仿真研究，具有信息丰富以及成本低、周期短等特点。
2车用发动机热平衡研究现状与进展分析
2.1发动机工作过程及零部件热行为研究
首先，在以发动机零部件为主的发动机热平衡研究中，是从各种不确定参数对整体性能的影响层面出发，通。
发动机热管理仿真与试验研究
1、废热回收：通过回收发动机排放的废热，将其引入朗肯循环中； 2、压缩过程：通过压缩作用将热能转化为机械能；
3、冷却过程：在冷却过程中，机械能以热能的形式释放； 4、膨胀过程：在膨胀过程中，机械能转化为电能。
仿真分析
利用专业仿真软件，我们可以对航空发动机燃油热管理系统进行模拟分析。 通过设置不同的输入条件，我们可以探讨各种条件下系统的响应特征，并对实验 结果进行对比验证。
在仿真过程中，我们需要注意以下几点：
1、参数设置：仿真软件的参数设置需要与实际系统保持一致，以确保仿真 结果的准确性。
2、模型简化：在不影响仿真结果的前提下，可以对模型进行适当简化，以 提高计算效率。
5、数据采集系统：用于实时监测和记录试验过程中的各种参数。
四、结果与讨论
通过试验研究，我们发现以下现象： 1、当废热回收温度提高时，朗肯循环的效率提高； 2、当压缩比增加时，朗肯循环的效率提高；
3、当冷却水流量增加时，朗肯循环的效率提高； 4、当膨胀功量增加时，朗肯循环的效率提高。
五、结论
本次演示对基于朗肯循环的发动机废热回收理论与试验进行了深入研究。通 过分析朗肯循环的工作原理和特点，探讨了发动机废热对循环的影响。在此基础 上，设计并制作了一套试验装置，研究了废热回收温度、压缩比、冷却水流量以 及膨胀功量等因素对朗肯循环效率的影响。试验结果表明，这些因素对朗肯循环 效率具有显著影响，为优化朗肯循环系统提供了指导。
3、动态分析：仿真软件需要具备动态分析功能，以便观察系统在不同时间 段的响应特征。
参考内容二
一、引言
航空发动机特性仿真技术的进展与展望
航空发动机特性仿真技术的进展与展望摘要：本文概述了航空发动机特性仿真技术的现状和未来发展趋势。
首先，文章介绍了航空发动机特性仿真技术的基本原理、类型和应用场景；其次，文章简要评价了当前仿真技术的优势与不足；最后，文章对航空发动机特性仿真技术的未来发展趋势做出了展望。
关键词：航空发动机特性仿真；基本原理；类型；应用场景；优势；不足；未来发展正文：在当今快速发展的航空工业中，航空发动机特性仿真技术具有重要作用。
航空发动机特性仿真技术是将航空发动机的实际特性数据和参数与仿真技术结合形成的一种技术手段，它能够模拟发动机在不同工况下的运行状态，可以减少发动机的试验开发时间和成本，同时还可以解决发动机在极端环境下的安全性问题。
目前，航空发动机特性仿真技术已广泛应用于飞机设计、制造和验证测试等方面，并在航空工程领域取得了一定的成绩。
同时，航空发动机特性仿真技术也存在一定的不足，例如仿真模型的精度较低、仿真过程较耗时、模型的收敛性和稳定性较差等。
为了解决这些问题，未来还需要提高仿真模型的准确性，引入新的仿真技术，优化仿真流程，并加强模型有效性验证等工作。
通过对航空发动机特性仿真技术的研究，从而更好地推动航空工业的发展，构建一个更环保，可持续发展的未来。
应用航空发动机特性仿真技术可以有效减少飞行器试验开发时间和成本，提升飞行器的安全性。
首先，航空发动机特性仿真技术可以准确地预测发动机各种工况下的运行状态，例如推力、转速、压力比和燃气特性等，从而能够有效帮助飞行器制造商优化发动机的设计，减少试验产品的数量，从而提高效率，降低成本。
此外，航空发动机特性仿真技术也可以用来解决发动机在一些极端环境下的安全性问题，例如极寒、极热和高原干燥等环境下的运行特性。
这些极端环境不易于直接实验，而仿真技术可以快速准确地模拟发动机在该环境下的运行特性，从而能够帮助飞行器制造商安全地应对这些环境的挑战。
因此，航空发动机特性仿真技术不仅可以减少发动机试验开发时间和成本，而且还可以解决发动机在极端环境下的安全性问题，从而可以实现航空工业可持续发展。
航空发动机研究与发展现状分析
航空发动机研究与发展现状分析一、背景介绍航空发动机是飞机完整飞行的关键部件之一，直接关系到飞机的安全性和性能。
它是一些最复杂、最漂亮、最先进的机械制造品之一，同时也是机械工业领域内最有挑战性的任务之一。
从基础研究到产品制造、应用管理等全过程都需要高度技术精湛、团队合作协作等各方面素质的综合体现，因此，航空发动机的研究和发展一直是全球范围内工科领域中的重点和难点。
二、研究现状1. 燃烧室燃烧室是航空发动机中最关键的部件之一，其燃烧效率直接影响着发动机的性能和燃油消耗。
当前，我国在燃烧室的研究方面取得了不少的进展。
其中，高速、高温和寿命是我国燃烧室研究的重点，而研究成果更是优秀。
例如，近几年在我国研究得到的面积燃烧室，体积燃烧室和复合燃烧室等多种不同类型的燃烧室均有一定的成果。
2. 涡轮涡轮是用于驱动压气机和整个发动机的旋转机构，同样也是航空发动机不可或缺的部分。
在涡轮的研究方面，当前国内主要关注点是增加导叶等方面。
例如，我国的一些机构利用复合材料构件来制作铁氧体电磁管，形成了旋转电磁场，达到了涡轮旋转的效果，可以极大程度提高发动机的转速和功率。
3. 压气机压气机是将大气中的空气加压送入燃烧室进行燃烧的核心部件，生产高压气流以驱动整个发动机工作。
在目前的国内研究中，主要关注的是涡桨叶片的研究，这是压气机的关键组成部分。
涡桨叶片的研究分为两个方面：一是改善叶片的材料性能和制造工艺，以提高叶片的耐高温性、强度和刚度，二是优化叶片结构，使其在受到大气压力时能够更有效地实现加速。
4. 辅助系统辅助系统，因其所代表的航空发动机巨大设计挑战而备受关注。
这些系统包括激波强化器、燃气轮机和访问钵等等。
在目前的研究中，主要故障是围绕重要辅助系统的磨损和老化问题进行的。
三、发展现状1. 安全性和可靠性在快速、高效、经济的同时提供足够的保障，如安全性和可靠性等是飞机发动机发展的重中之重。
随着研发技术的不断进步，各种直接和间接的精度测试和监测系统被广泛应用，以确保连续80万小时以上的持续运行，以及对发动机最坏的“机型”和“设计点”进行测试和验证。
内燃机热平衡仿真研究现状与展望
１８ ９ ５年 ， 小 莉旧对 缸套 内表 面稳 态 传热 的边 俞
界 条件 进行 了理 论研 究 ，得 到缸套 边界 计算 的经 验 公式 。１ ９ ９ ４年 ， 兆大和俞 小莉『提 出 了一 种计算 小 严 １ ３ 】
１ 内燃 机 工 作 过 程仿 真 研 究 现 状 与 发
展 趋 势
内燃 机 工作 时 缸 内 的物 理化 学 现象 极 其 复杂 ， 涉及 多种 流体力 学及 化学 动力学 过程 。内燃 机 工作 过 程仿 真用 微 分方 程 对工 作 过程 进 行数 学 描 述 ， 通 过 数值计 算求 得热平 衡研 究 中转化 为有效 功 的热量 和 排气带 走 的热量 。但 内燃机 复杂 的几何 形状 导致 内部各 点 的不 稳定 边界条 件难 以确定 。这 就需 要建
张 云 飞 任 晓江 张 众 杰 ： 燃 机 热平 衡 仿 真研 究 现 状 与 展 望 内
３ １
上 考虑 喷雾 及火 焰 传 播等 物 理 过 程 的长 度 尺 度 ， 把
燃烧 室 按火 焰位 置 、 喷注 空 间分布 形态 ， 分成 两 个 以
ＦＲ Ｉ Ｅ：国内如北京 理工 大学 开发 的三维 内燃 机工 作 过程 的通 用模拟 程序 Ｒ Ｓ Ｃ １ 江苏 理工大 学 和 同 Ｅ ３ 一１ ，
为基 本 思 路 立 了直 喷式 柴 油机 准 维现 象 学 多 区 建 喷雾燃烧 模型 及碳粒 预测子模 型 。
机械性 能 降低 。 因此 ， 针对 活塞 、 气缸 盖 、 缸套 ， 冷却
系统 ， 滑系统 等 部件 的传 热模 拟受 到人 们 的重视 。 润 国 内外学 者在这 方面做 了大量 的研究工 作 。
我国发动机的设计发展现状及未来趋势分析
我国发动机的设计发展现状及未来趋势分析引言发动机作为现代工业的核心装备之一，在我国的经济发展和国家安全中起着至关重要的作用。
近年来，我国的发动机设计发展取得了重要的突破和进步，但与发达国家相比，仍存在一定差距。
本文将分析我国发动机设计的现状，探讨其未来的发展趋势。
一、我国发动机设计的现状1. 技术水平我国在发动机设计领域取得了长足的进步。
国内一些厂商已经具备了自主研发能力，一些核心技术已经开始走在世界前列。
例如，我国推出的CAE（计算机辅助工程）技术、超临界流动燃烧技术以及碳纳米管增强曲轴等技术在提升发动机性能和降低排放方面取得了显著成果。
2. 创新能力我国不断加强对发动机设计的研发和创新。
以国有企业为主导的研发项目取得了一定进展，创新成果在军事和航空航天等领域已经得到广泛应用。
同时，一些民营企业也在发动机设计中发挥了积极的作用，加大了技术创新和研发投入。
3. 市场竞争力我国在发动机设计领域的市场竞争力逐渐增强。
国内一些发动机制造企业已经形成一定的产业规模和竞争优势，产品质量和性能越来越受到市场认可。
此外，我国发动机设计的成本优势也在逐渐凸显，使得我国的发动机在国际市场上具有一定的竞争力。
二、未来发展趋势1. 绿色环保随着全球环境问题的日益凸显，绿色环保成为未来发动机设计的重要趋势。
我国应加大对发动机燃烧效率的改进，降低排放，提高能源利用率。
同时，积极推进新能源发动机的研发与应用，如电动发动机、氢能发动机等，以减少对化石燃料的依赖。
2. 高效节能高效节能将是未来发动机设计的核心目标。
我国应提高发动机功率密度，提升热能利用率，降低燃料消耗，实现更低的排放。
开发具有先进材料和新技术的发动机组件，如轻量化材料、可调节缸内直喷技术等，可以实现更高的能源利用效率。
3. 智能化发展随着人工智能技术的飞速发展，智能化将成为未来发动机设计的重要趋势。
我国应加强发动机传感器、控制器等关键部件的研发，实现发动机的智能控制和自动调节，提高发动机的可靠性和运行效率。
航空发动机热管理技术的研究进展
航空发动机热管理技术的研究进展航空发动机作为飞机的“心脏”，其性能的优劣直接决定了飞机的飞行能力和安全性。
在航空发动机的研发和运行过程中，热管理技术一直是一个关键且具有挑战性的问题。
随着航空技术的不断发展，对发动机的功率、效率和可靠性要求越来越高，热管理技术也在不断创新和进步。
热管理技术的重要性不言而喻。
航空发动机在工作时，会产生大量的热量，这些热量如果不能有效地散发和控制，将导致发动机部件的温度过高，从而影响其性能、寿命甚至引发故障。
高温环境会使材料的强度和耐久性下降，增加部件的磨损和腐蚀，严重时可能导致发动机熄火或损坏。
因此，良好的热管理技术对于保障发动机的正常运行、提高可靠性和延长使用寿命至关重要。
过去，传统的航空发动机热管理技术主要依靠空气冷却和简单的热防护措施。
通过在发动机内部设置风道，引导冷空气流过高温部件，带走热量。
然而，这种方法在面对日益提高的发动机功率和复杂的工作环境时，逐渐显得力不从心。
近年来，随着材料科学、计算流体力学（CFD）、传热学等相关领域的迅速发展，航空发动机热管理技术取得了显著的进展。
在材料方面，新型耐高温材料的研发为热管理提供了有力支持。
例如，陶瓷基复合材料（CMC）具有优异的高温性能，其耐高温、高强度和低密度的特点，使其成为制造发动机高温部件的理想材料。
使用CMC 材料可以降低部件的重量，提高发动机的推重比，同时更好地承受高温环境，减少热损伤。
在冷却技术方面，先进的气膜冷却技术得到了广泛应用。
气膜冷却通过在部件表面形成一层冷空气膜，有效地阻隔高温燃气的热传递，降低部件表面温度。
与传统冷却方式相比，气膜冷却能够提供更均匀、更有效的冷却效果，提高发动机的热效率和可靠性。
除此之外，喷油冷却技术也是近年来的研究热点之一。
通过向高温部件喷射冷却油，利用油的吸热和润滑特性，降低部件温度，减少摩擦和磨损。
在热管理系统的设计方面，基于 CFD 的数值模拟技术发挥了重要作用。
通过建立精确的发动机模型，模拟发动机内部的流动、传热和燃烧过程，可以优化热管理系统的结构和参数。
发动机热平衡试验研究
第42卷第7期2008年7月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.42No.7J ul.2008收稿日期:2007204222.浙江大学学报(工学版)网址:/eng作者简介:刘忠民(1977-),男,山东莱芜人,博士生,从事发动机性能研究.E 2mail :lzhm @通讯联系人:俞小莉,女,教授.E 2mail :yuxl @DOI :10.3785/j.issn.10082973X.2008.07.030发动机热平衡试验研究刘忠民1,2,俞小莉1,沈瑜铭1(1.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027;2.杭州电子科技大学机械工程学院,浙江杭州310018)摘 要:针对发动机热平衡问题,建立了发动机热平衡试验系统和机体集总参数传热模型,进行发动机稳定工况和暖机工况热平衡试验研究.稳定工况热平衡试验结果显示了燃烧放热在发动机各系统中的分配比例,分析了发动机冷却散热量需求,为发动机的设计提供了依据.机体集总参数传热模型中机体与空气间的平均换热系数可以由发动机热平衡试验确定.试验表明,机体平均换热系数随机体与环境间温差变化较小,在机体集总参数传热模型中作为定值.机体集总参数传热模型以机体平均温度参数表征机体受热情况,为暖机工况下发动机机体受热状况评估提供依据.关键词:发动机;热平衡;稳态;暖机中图分类号:T K406 文献标识码:A 文章编号:10082973X (2008)0721247204E ngine therm al balance testL IU Zhong 2min 1,2,YU Xiao 2li 1,S H EN Yu 2ming 1(1.College of Mechanical and Energy Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China;2.of Mechanical Engineering ,H angz hou Dianz i Universit y ,H angz hou 310018,China )Abstract :An engine body lumped parameter model for engine body heat t ransfer was int roduced to evaluate t he engine heat dissipation.The t hermal balance test s in stable state and warm 2up state were conducted ,which co uld determine t he engine coolant requirement and t he mean heat transfer coefficient used in t he lumped parameter model.The stable state result s showed t hat t he combustion heat distribution in subsys 2tems can be t he base of engine design.The mean heat t ransfer coefficient changes little wit h t he tempera 2t ure difference between engine body and air condition ,and can be assumed as a fixed value in t he warm 2up state.On t his account ,engine body mean temperat ure can indicate t he engine body t hermal state in t he lumped parameter model to evaluate t he engine body t hermal condition in t he warm 2up state.K ey w ords :engine ;t hermal balance ;stable state ;warm 2up state 提高发动机热效率,减少污染物排放一直是发动机研究的两大目标.发动机冷却散热和排气热量在燃烧放热中占据很大比重.合理降低冷却散热量和利用排气废热成为发动机热管理研究的重点.发动机热管理研究必须首先了解热量分配情况,确定发动机传热特性.发动机热平衡试验可以分析发动机各部分传热特性和热量分配,为改善燃烧热量利用,提高发动机热效率提供参考依据.本文进行稳态工况和暖机工况发动机热平衡试验研究.得到不同稳定工况下热量分配比例,并通过暖机工况试验得到发动机传热特性参数,为发动机冷却系统优化提供参考依据.1 试验装置将发动机作为开口系统,发动机热量流动如图1所示.燃料燃烧放热可分为几个部分:机械功P e 、冷却系统散热量P c 、排气带走热量P ex 和余项损失P u .润滑油热量一部分被冷却散热带走,其他可作为余项损失,机械损失也包含在冷却散热和余项损失中[1].发动机热平衡方程为Q f =P e +P c +P ex +P u .(1)式中:Q f 为燃料燃烧放热量,Q f = m f H u /3600,其中 m f 为发动机耗油量,H u 为燃料低热值;P e 为输出功率,P e =n T r /9549.3,其中n 为发动机转速,T r 为发动机输出扭矩;P c 为冷却散热功率,P c =q m _c ・c p_c (T c_out -T c_in ),其中q m _c 为冷却液质量流量,c p_c 为冷却液比热,T c_out 、T c_in 分别为冷却液出、入口热力学温度;P ex 为排气热损失,P ex =q m _ex c p_ex (T ex -T air ),其中q m _ex 为排气质量流量,c p_ex 为排气比,T ex 、T air 为排气、进气热力学温度;表1为试验系统测量参数和测量设备.表中,q m _air 为进气质量流量,T oil 为机油温度,I 、U 为电流、电压信号.试验系统示意图如图2所示.被试发动机采用直列6缸增压柴油机,额定功率160kW ,额定转速2200r/min.试验中发动机拆除风扇、发电机和空气压缩机等辅助系统,机体散热为自然对流换热.数据采集系统采用N I PXI 26229和N I PXI 26250数据采集卡,数据采样频率为2Hz.图1 发动机热量流动示意图Fig.1 Engine thermal balance sketch表1 发动机排气热量测量试验仪器技术参数Tab.1 Engine thermal balance test equipment parameters名称测量参数量程精度进气质量流量计q m _air ,kg ・h -1<30001%液体质量流量计q m _c ,kg ・min -115～9000.15%铂电阻T air ,K;T c ,K;T oil ,K273～4730.5%K 型热电偶T ex ,K 273～1173±3K水力测功机T r ,N ・m n ,r ・min-1±10000～60000.5%油耗仪 m f ,kg ・h -10～250.5%数据采集卡I ,mA ;U ,V4～20;0～50.1%12测功机;22机体;32油底壳;42机油换热器;52机油流量计;62机油泵;72水泵;82水流量计;92恒温水箱;102凸轮轴;11、122排气岐管;132进气管;142废气涡轮;152压气机;162进气流量计;172数据采集系统图2 发动机热平衡试验系统Fig.2 Engine thermal balance test system2 试验结果本文在发动机热平衡试验系统上进行了稳态工况热平衡试验和过渡工况热平衡试验,研究发动机工作工程热量分配.2.1 稳态工况稳态工况发动机热平衡试验是在发动机性能试验中,保持发动机工况稳定,当发动机冷却系统、润滑系统、进排气系统温度达到稳定时,测量各系统热量分配情况[2].本文的发动机热平衡在发动机外特性试验中进行.首先调整发动机工作状态稳定,然后将冷却水出口温度调节到(90±1)℃,当其他参数(如润滑油温度、排气温度、油耗量和循环水流量等)达到稳定时,测量各系统热量.试验中各参数的稳定控制是影响试验准确性的主要因素.图3为试验过程中各试验参数标准差e ,表征试验过程中各测量参数的波动.图3 试验参数标准差Fig.3 Standard deviation of test parameters发动机进气过程的波动导致进气流量存在较大偏差,而水泵运转过程也会引起循环水流量的波动,试验中采用时均处理的方法消除这两个参数波动带8421浙 江 大 学 学 报(工学版) 第42卷 来的试验误差.其他参数的稳定偏差小于0.5%.图4为发动机外特性稳态工况下热量分布,反映了燃烧放热在各系统中的分布比例p .在发动机外特性中,随发动机转速增加,冷却水散热量和排气热量增加.但冷却水流量不随转速升高线性增加,在1600～2000r/min 转速范围内增加缓慢,冷却水散热量比例略有减小.在1600r/min 发动机有效效率达到39.5%.图4 发动机稳定工况热量分配Fig.4 Engine thermal balance in stable state2.2 暖机过程发动机暖机过程需要控制冷却系统散热量,使各系统温度尽快达到最佳工作状态,因此是发动机热管理技术的研究重点.控制冷却系统散热量,就必须了解暖机过程中热量分配情况,即暖机过程热平衡试验.与稳定工况热平衡试验不同,暖机过程热平衡试验需要测量机体内能变化速度.发动机热平衡方程如下:Q f =P e +P c +P ex +P b +P u .(2)式中:P b 为机体吸收热量速度,P b =m b c pb d T b /d t ,其中,m b 为机体质量,c pb 为机体比热, T b 为机体平均热力学温度;P u 为机体散热量,P u = αu ( Tb -T air ),其中, αu 为机体换热系数.由于机体各部位温度分布和换热系数难以测量,采用集总参数法将机体简化为一个质点,以 T b 和 αu 计算机体的吸热和散热过程.因此, T b 和 αu 的选取和测量是决定发动机暖机过程热平衡试验准确性的关键因素.图5为暖机过程热量分配情况.暖机过程为20min ,发动机自冷态启动,迅速调整转速、功率至暖机工况,并保持不变,测量循环水、润滑油和排气的温度变化.暖机过程随着循环水和润滑油温度的提高,发动机机械损失减小,燃油消耗量减少,燃烧放热量逐渐降低.随着排气温度升高,排气热量迅速增加并趋于稳定.随冷却水温度升高,冷却水入口和出口温差变化很小,冷却水流量随温度升高而略有减低,因此冷却水散热量缓慢减小.由于 T b 和 αu 均未知,P b 和P u 无法计算.图5 暖机过程热量分配Fig.5 Engine thermal balance in warm 2up state2.3 机体散热模型将暖机过程中机体吸热与散热简化为图6所示的集总参数模型[324].燃烧放热对机体的加热功率为P b +P u ,其换热系数为 αb ,机体对环境的散热功率为P u ,其换热系数为 αu.图6 机体传热集总参数模型Fig.6 L umped parameter model for engine bodyheat transfer2.4 机体与环境换热系数的确定为研究机体散热规律,首先以T oil 代替T ,分析 αb 随T oil 的变化.图7为多次试验中 αb 与油底壳温度变化速度关系,表明随着润滑油温度变化速度减小,燃烧放热向机体散热的换热系数趋于定值.润滑油温度变化速度9421第7期刘忠民,等:发动机热平衡试验研究减小意味着机体温度逐渐稳定,接近热平衡状态,此时P b 已接近零,可以认为 αb = αu .考虑到试验中发动机风扇拆除,机体散热以自然对流散热为主, αu 与换热温差ΔT 关系较小(如图8),因此可以假定 αu 为定值[3,526].试验结果表明,暖机工况下 αb 趋近值与稳态热平衡状态下 αu 相同.因此,本试验中 αu =0.3kW/K.2.5 机体平均温度计算确定机体平均温度由润滑油温度迭代计算得到.设定:1)试验开始时, T b =T oil ;2)润滑油温度变化规律与机体平均温度变化规律一致,即将d T oil /d t 作为d T b /d t 初始值.迭代算法如下:①P b0=m b c pb d T b0/d t;②P u0=Q f -P e -P c -P ex -P b0;③d T b1d t =d (P u0/ αu +T air )d t.当d T b /d t 迭代趋于稳定时,得到d T b /d t 和 T b ,即求得P b 和P u .图9为暖机过程热量分配比例.当发动机冷启动时,大量热量被机体吸收,提高机体温度,而机体散热量很小.随机体温度升高,机体吸热量迅速降低,而机体散热量逐渐增加.当机体吸热量趋近于零时,发动机接近热平衡状态.但集总参数模型不能分析上机体、下机体和缸盖等机体不同部位的受热状况,需进一步细化机体传热模型.图9 暖机过程热量分配比例Fig.9 Engine thermal distribution in warm 2up state3 结 论(1)稳定工况下影响发动机热平衡试验结果准确性的主要因素是试验参数波动,尤其是进气流量波动和冷却水流量波动;(2)自然对流条件下机体换热系数随机体与环境间温差变化较小,可取定值;(3)暖机工况机体平均温度可由润滑油温度变化速度迭代求得;(4)机体吸热量随机体温度升高而迅速降低,当机体吸热量趋近于零时,发动机接近热平衡状态;(5)机体传热集总参数模型可分析暖机工况下机体热状态,为优化暖机过程发动机冷却提供依据.参考文献(R eferences):[1]周龙保,刘巽俊,高宗英.内燃机学[M ].北京:机械工业出版社,1999:27242.[2]俞小莉,李婷.发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势[J ].车用发动机,2005,159(5):125.YU Xiao 2li ,L I Ting.Research and development in ther 2mal balance simulation for the engine [J ].V ehicle E n 2gine ,2005,159(5):125.[3]杨世铭,陶文铨.传热学[M ].北京:高等教育出版社,1998:66280.[4]MICH EL L ,RENAUD M ,L ION EL B P ,et al.Poly 2morphic modeling applied to vehicle thermal manage 2ment [J ].Society of Automobile E ngineers P aper ,2001.[5]赵以贤,毕小平,王普凯,等.车用内燃机冷却系的流动与传热仿真[J ].内燃机工程,2003,24(4):125.ZHAO Y i 2xian ,BI X iao 2ping ,W ANG Pu 2kai ,et al.S imula 2tion of heat transfer and coolant flow in cooling system of ve 2hicle internal combustion engine [J ].Chinese I nternal C om 2bustion E ngine E ngineering,2003,24(4):125.[6]翟昕,俞小莉,刘忠民.压缩空气2燃油混合动力的研究[J 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航空发动机热力学仿真的模型与方法研究
航空发动机热力学仿真的模型与方法研究航空发动机是现代航空业的关键装备之一，其性能与效率直接关系到航班的安全和航程。
为了提高航空发动机的性能和效率，航空发动机热力学仿真成为了一项不可或缺的技术手段。
在本文中，我们将探讨航空发动机热力学仿真的模型与方法研究。
一、航空发动机热力学仿真的意义航空发动机的工作过程中，能量转换和流动十分复杂。
为了更好地了解其工作原理和性能，热力学仿真技术成为了必要的手段。
借助热力学仿真技术，可以实现对航空发动机在不同工况下的性能、热特性、流动参数等方面进行定量分析和计算，从而为发动机的设计、优化和改进提供依据。
此外，热力学仿真还可以在发动机运行过程中实时监测发动机的状态和性能，有助于保障航班的安全和稳定。
二、航空发动机热力学仿真的模型1. 燃气轮机模型燃气轮机是航空发动机最常用的动力结构。
其热力学仿真模型主要包括以下几个方面：(1) 燃烧室模型：将燃烧室视为一个稳态热平衡系统，通过建立流场、燃料喷射、化学反应等模型，分析燃气轮机燃烧室的热特性和成分分布，进而确定燃场温度和压力等关键参数。
(2) 涡轮机模型：涡轮机是燃气轮机的关键部件，通过建立叶轮的速度、压力等模型，分析涡轮机的转速、功率和效率等性能参数。
(3) 进气系统模型：进气系统是燃气轮机的前置部件，通过建立进气管道、空气滤清器、泄压阀等模型，分析进气系统对燃气轮机性能的影响。
2. 涡喷发动机模型涡喷发动机是航空发动机的一种新型结构，其热力学仿真模型主要包括以下几个方面：(1) 喷气管模型：将喷气管视为受热气体的流动系统，通过建立流场、喷口形状、气流速度等模型，分析喷气管热特性和流场分布等参数。
(2) 涡轮模型：涡轮是涡喷发动机的关键部件，通过建立叶轮的速度、压力等模型，分析涡轮的转速、功率和效率等性能参数。
(3) 燃烧室模型：涡喷发动机的燃烧室也是一个重要的热力学模型，通过建立燃烧室的流场、燃料喷射、化学反应等模型，分析燃场温度和压力等关键参数。
车用发动机热平衡研究进展与展望
车用发动机热平衡研究进展与展望
杨春浩;刘瑞林;陈陆洋;张众杰;焦宇飞
【期刊名称】《装备环境工程》
【年(卷),期】2017(014)010
【摘要】以发动机热量分配、热负荷及冷却系统智能控制为切入点,综述了车用发动机热平衡研究的现状,并探讨了进一步的发展方向.指出针对我国特殊的高原环境,进行极端工作环境下热量分配变化规律的研究、发动机热平衡模拟试验技术研究、开展高原环境柴油机冷却系统智能控制研究,以最优化匹配散热需求是未来发动机热平衡研究的方向.
【总页数】6页(P63-68)
【作者】杨春浩;刘瑞林;陈陆洋;张众杰;焦宇飞
【作者单位】海军工程大学,武汉 430033;军事交通学院,天津 300161;军事交通学院,天津 300161;军事交通学院,天津 300161;军事交通学院,天津 300161
【正文语种】中文
【中图分类】TJ810.3+1
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收稿日期:2005206221;修回日期:2005208216作者简介:俞小莉(1963—),女,浙江省永康市人,教授,博士生导师,主要从事车辆测试技术和车辆传热与流动研究.・综合评述・发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势俞小莉,李 婷(浙江大学机能学院,浙江杭州 310027) 摘要:从发动机热平衡的研究方法、零部件仿真研究现状和整机热平衡仿真研究现状等方面,对国内外有关发动机热平衡研究方法的进展进行较全面的介绍,并指出建立发动机整机热平衡诊断及自动控制系统是今后此课题的研究重点和发展方向。
关键词:汽车发动机;热平衡;仿真中图分类号:T K401 文献标识码:A 文章编号:100122222(2005)0520001205 汽车发动机热平衡研究是发动机热管理技术研究的重要组成部分。
热管理技术从系统整体和集成的角度,通过研究发动机的能量转换、流动与传热等过程以及发动机各子系统之间的内在联系,使各子系统与发动机匹配最优化。
发动机热平衡研究必须同时考虑发动机结构、进排气系统、冷却系统和润滑系统的相互影响,是一项十分复杂的系统工程,仿真已成为一种非常有效并具有潜力的手段。
目前,对发动机整机热平衡的仿真研究尚不完善,为了从系统的高度介绍发动机热平衡仿真研究在国内外的发展现状,提高国内对发动机热平衡仿真计算的重要性的认识,本文从发动机热平衡研究方法、发动机零部件仿真研究发展现状、发动机整机仿真研究发展现状等方面对国内外有关发动机热平衡的研究进行较全面的介绍。
1 发动机热平衡的研究方法燃料燃烧产生的热量(Q f )一般分为以下几个部分:转化为发动机的有效功(P e ),排气带走的热量(Q ex ),传入冷却介质的热量(Q w ),机油带走的热量(Q oil )和其他热量损失(Q u )。
由此可以得到发动机的热平衡方程为 Q f =P e +Q ex +Q w +Q oil +Q u 。
(1) 在试验研究中,通过测量燃油消耗可计算出Q f ;测功机可测得P e ;通过测量进排气流量和温度可以计算出Q ex ;通过测量冷却水进出口温度和流量可以计算出Q w ;通过测量机油进出口温度和流量可以计算出Q oil 。
余项损失难以测量,由式(2)计算, Q u =Q f -(P e +Q ex +Q w +Q oil )。
(2) 传统的发动机热平衡研究以试验为基础,即通过测量上述各部分的散热量,做出发动机的热平衡图,找出提高发动机性能的研究方向(见图1)。
图1 发动机热平衡试验研究示意 基于试验的热平衡计算是在生产后进行的,对提高生产效率和降低成本来说是不利的。
更重要的是试验方法十分依赖仪器的精度,为保证数据的准确,对传感器等测试设备要求很高。
如果测量精度不够,将有过多的热量被归入余项损失中,而无法明确其去向,这就使发动机热平衡研究失去了意义。
甚至某些参数测量由于受到仪器限制尚难以实现,如排气温度高达500℃～600℃,而目前尚未有合适的耐高温流量计可供选用,所以排气流量测量较难实现。
此外,通过试验研究发动机全部工况的热平衡状况工作量过大,成本过高,且不能测量过渡工况,存在一定局限性。
随着计算机技术的飞速发展,对发动机热平衡的仿真计算研究越来越多。
热平衡仿真计算是用数学模型计算上述各个部分的热量,第5期(总第159期)2005年10月车 用 发 动 机V EHICL E EN GIN E No.5(Serial No.159)Oct.2005从而描述发动机热量的分配状况。
理想的仿真计算是在已知发动机结构参数的前提下,用数学模型把发动机的整个状态(如缸内气体的流动、燃烧、零部件之间的传热及温度场等)描述出来,即建立一台虚拟的发动机,这也是仿真计算研究的最终目标。
与试验方法相比,热平衡仿真研究具有以下显著特点:a )可预先研究 可在系统开发中得到最佳的系统集成匹配,在设计初期阶段对发动机性能进行预测、分析和优化;b )无条件限制 可在广泛的气候条件和发动机工况范围内对其性能进行研究;c )信息丰富 可广泛设定条件,对发动机在各个工况下的系统性能进行模拟,获得比试验更加丰富的数据;d )成本低,周期短 试验热平衡研究相关实验设备投资大,试验周期长;仿真则成本低,周期短。
2 发动机热平衡仿真相关研究现状热平衡仿真研究的目的是通过计算得到发动机工作过程中热量的传递情况,求出Q f 中分别转化为P e ,Q ex ,Q w 和Q oil ,其研究的相关内容如图2所示。
图2 发动机热平衡仿真研究相关内容及其关系 从仿真模拟技术出现至今,这一方面的研究方兴未艾;发动机的数学模型也是从无到有,从粗糙到精细,从局部到整体,出现了多种多样的模型。
2.1 零部件仿真模型由于整机热平衡研究存在着不确定参数多和建模复杂等诸多难点,针对发动机热平衡仿真,研究人员较多地对各部分零部件的热行为进行了较为详细的研究。
2.1.1 工作过程的仿真计算发动机工作过程仿真从物理化学模型出发,用微分方程对有关工作过程进行数学描述,通过数值计算方法求得热平衡研究中所需要的P e 和Q ex 。
这方面的研究已经取得了很多成果,研究人员针对缸内燃烧过程先后建立了热力学(0维)模型、燃烧现象(一维)模型以及详细的多维模型。
在燃烧模型计算的基础上可对发动机有效功、进排气流量及传热量进行计算。
0维模型假定气缸内工质均匀分布,可预测放热率,了解燃烧室内宏观参数随时间的变化,如林慰梓的三角形法、Whitehouse 的单区模型等。
时至今日,0维模型已经被广泛应用于发动机的设计和研究中,许多厂家也开发出了各种计算分析设备,如AVL 公司的燃烧分析仪等。
一维模型在热力学基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺寸,可预测缸内不同区域的燃烧温度等主要性能参数,并可预测排放。
目前,国外已经提出了很多一维模型,以广安模型为主的喷注雾化模型,以Cummins 模型为代表的气态射流模型,以池上模型为主的概率过程模型。
国内,浙江大学、天津大学、上海交通大学和西安交通大学等都较早的进行了相关研究,提出了各具特色的一维燃烧模型。
对多维模型的研究,美国Los Alamos 国家实验室和英国帝国理工学院的工作处于领先地位。
美国Lo s Alamos 国家实验室的KIVA 系列软件经过逐步完善已比较成熟。
英国帝国理工学院在RPM 程序的基础上建立了缸内工作过程较为全面的模型。
国内的研究者在消化和吸收国外先进程序的基础上,开发出许多发动机工作过程数值模拟程序,如北京理工大学开发的三维内燃机工作过程通用模拟程序RES3C —Ⅱ;同济大学和江苏理工大学开发的涡流室式柴油机工作过程三维模拟程序Engine —Ⅱ等。
2.1.2 缸内部件的传热仿真缸内部件的传热仿真,首先是工质与燃烧室的对流和辐射传热计算。
浙江大学较早地开展了相关的研究,描述了缸内燃气与燃烧室部件之间热量的传递情况[123]。
作为缸内传热研究的另一部分,研究人员对燃烧室部件(包括活塞、气缸套和气缸盖等)的导热传热模拟进行了大量研究工作。
1991年,费少梅和严兆大等对高速风冷柴油机活塞的热负荷问题进行了研究;2001年,薛明德等应用MARC 有限元分析软件,采用三维有限元法计算大功率柴油机活塞在热载荷作用下的温度场和换热情况。
气缸套研究方面,早在1985年,俞小莉就对气缸体内表面稳态传热的边界条件进行了研究,并得到计算经验公式;1996年,杜建红等讨论了关于气缸套瞬态温度场两维有限元模型的建立及对应边界条件的求取方法,・2・ 车 用 发 动 机 2005年第5期为气缸套温度场的有限元分析提供了简捷有效的途径。
此外,研究者对气缸盖的传热也进行了模拟计算,1994年,严兆大和俞小莉提出了一种计算小型高速风冷柴油机气缸盖换热边界条件的方法,在设计阶段就能对气缸盖温度分布和热流状况进行预算[4];1999年,杜建红等分析了气缸盖不稳定工况的热负荷及测点在起动和突然加载工况的温度变化规律,进而得出边界条件的变化规律。
综上所述,研究人员对发动机缸内部件的传热以及热负荷已经进行了大量的研究,在以上研究的基础上建立整机仿真系统中的缸内部件子模块,计算出缸内部件的传热已经有了很多可以借鉴的方法,是可以实现的。
同时,这一模块的计算结果将为冷却系统子模块的计算提供边界条件。
2.1.3 发动机冷却系统的仿真冷却系统的仿真需要仿真冷却液的流动与传热过程,研究冷却液的流速、温度和热流密度。
这项工作国外进展得比较快,1997年,Siders等提出了车辆冷却系统仿真的集总参数法,研究了1.8L内燃机冷却系的动力学性能[5];1999年,Ngy Srun A P 等提出了一个简单的发动机冷却系统仿真模型,该模型允许单独研究每个部件和车辆参数对发动机冷却性能的影响[6];2004年,赵以贤和毕小平等提出了车用内燃机冷却系的流动与传热仿真方法,针对车用内燃机某些部件不能直接应用集总参数法研究传热的问题,根据集总参数法的限制条件提出了将集总参数法用于内燃机所有部件研究传热问题的方法;将车用内燃机的流动问题与传热问题耦合起来作为一个系统,建立了车用内燃机的流动与传热问题的综合模型[728]。
以上研究表明,对发动机整机进行仿真时,冷却系统子模块的流动以及传热计算已经可以实现。
其中冷却液流经发动机燃烧室部件时,与其发生的热交换可利用缸内部件子模块的结果作为边界条件进行计算,得到发动机热平衡概念中的Q w。
2.1.4 润滑系的仿真汽车发动机润滑系统的流动与传热仿真研究开始于20世纪90年代初期,但发展得相对较慢。
1997年,Mian等对发动机润滑系统的设计进行了研究,给出了轴承间隙内的流动模型[9];2001年, Zoz等研制了发动机润滑系统流动与传热模型,给出了预测油箱温度的模型[10];2003年,Arisawa等采用CFD方法模拟摩托车发动机油底壳内机油的流动[11]。
由于机油流动状态与流道壁面温度和本身温度有关,而机油温度不仅涉及到传热,还涉及到摩擦生热,所以在发动机整机仿真时,润滑系统子模块与缸内部件子模块是耦合在一起的。
润滑系统仿真研究的发展目前还不成熟,在很多计算中,机油的摩擦产热被忽略,国内也很少有关于循环油路准确模拟的研究,但对润滑油进行CFD模拟,并且将机油模块与燃烧室部件传热模块、冷却液模块结合在一起研究是润滑系统研究发展的必然趋势。
通过这方面研究的逐步深入,发动机整机仿真计算中的Q oil计算就可以实现了。
总之,无论是缸内部件,还是冷却系、润滑系的局部仿真模拟都为发动机整机仿真研究的开展奠定了必要的基础,为整机模拟中各个传热子模块的建立提供了方法,使发动机热平衡仿真的整机计算成为可能。
2.2 整机仿真零部件仿真研究是把发动机各个部分孤立出来进行计算,在计算其传热时未考虑相关部件流动和传热的耦合,比如在计算活塞的温度分布时,并没有考虑气缸壁和机油膜与活塞之间的热作用,这样的计算实际是不准确的。