内燃机缸内燃气与缸盖传热机理研究

The heat transfer between the gas and the cylinder head, is the source of the thermal load of cylinder head, so it is the basic topic for the development of high power density of internal combustion engine.The heat transfer process between the gas and the cylinder head is very complex, the heat transfer model established based on the test results of the cylinder temperature field can provide effective support for the cylinder head thermal load analysis. The innovation of this study include: The transient temperature field distribution of the gas and wall at the working process were achieved using laser induced phosphorescence technique; The mathematical heat transfer model according to the actual temperature distribution results in the formation of the derived analysis, can more accurately reflect the characteristics of heat transfer during the whole working process; The heat transfer mechanism of the cylinder head will be revealed through the cylinder heat transfer simulation analysisi fo effect factors on heat transfer between the gas and the cylinder head.

关于燃气与缸盖间的传热的课题，是缸盖热负荷的源头问题，也是高功率密度内燃机技术发展绕不开的基础性课题。燃气与缸盖间的传热过程非常复杂，基于缸内温度场测试结果建立的传热模型，可以为缸盖热负荷分析提供有效的支持。本项目的特色体现在：利用激光诱导磷光技术开展发动机缸内温度场测试，能够获得发动机工作过程中燃气和壁面温度场的瞬态分布结果；建立针对实际温度场分布结果推演分析所形成的传热数学模型，能够更为准确的反映期间的传热特点；利用缸盖传热全仿真分析研究燃气与缸盖间传热的影响因素，揭示期间存在的规律。

发动机缸盖与缸内高温燃气直接接触，是工作条件最为恶劣的关键部件之一。本研究在零维模型Woschni 公式的基础上，提出了兼顾体传总体传热量和局部传热量的传热模型，并对其准确性进行了全面的评价。. 基于预测缸内总体传热量比较准确的Woschni公式，对特征参数进行重新选取，以体现空间特性；利用零维模型计算的总体传热量进行标定，从而实现在保证总体传热计算准确地前提下更加精确地得到局部传热特性。在此基础上，本研究提出了利用一维与三维耦合计算得到兼顾总体传热量与局部传热量的传热模型。为了探究所提出传热模型在局部传热特性方面预测的准确性，利用已有试验数据的ZS1100单缸柴油机进行试验验证。具体思路为：编写Python脚本取出三维CFD计算结果中传热系数公式里面近壁面第一层网格的参数值，利用Matlab编程得到火力面总传热量，之后，与一维热力学计算的总热量进行比较，得到每个曲轴转角下的系数；利用传热系数公式 计算5个测点位置的热流密度，并与试验值进行对比，发现5个测点最大绝对误差为1.26MW/m2，平均绝对误差为0.13 MW/m2，平均相对误差为4.33%。说明此传热模型在缸内局部传热方面计算精度较高，具有一定的可应用性。. 研究传热机理的最终目的是研究缸盖热负荷，将传热模型应用在有限元温度场计算上以探究其适应性。本研究将此传热模型应用在某车用柴油机缸盖机体全仿真计算上，利用其计算的传热系数和温度值作为燃气侧传热边界条件，并将传统一维计算以及CFD投影方式提供气侧边界条件分别利用添加沸腾传热模型的自动化流固耦和软件进行全仿真计算；同时，利用热电偶进行缸盖火力面测温试验。将三种计算方式得到的测点模拟结果与试验值进行比较，发现传统燃气侧边界条件计算误差最大，CFD投影方式居中，兼顾时空特性传热模型计算所得燃气侧边界条件计算误差最小，12个测点温度最大误差为5.16%，平均相对误差为1.99%。这充分说明了本文所构筑的兼顾总体传热量和局部传热量的传热模型较好地反映了缸内燃气与缸盖间的传热情况，具有较高的适用性。