1熱負(fù)荷與熱流量的關(guān)系
如前所述,受熱機(jī)件的工作溫度和溫差是衡量機(jī)件熱負(fù)荷大小的直接標(biāo)淮,但在許多情況下,機(jī)件的工作溫度和溫差與通過(guò)這些機(jī)件內(nèi)部的熱流量有密切關(guān)系。例如,對(duì)于最典型的受熱機(jī)件——缸筒上部來(lái)說(shuō),如果因發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況改變而使得通過(guò)缸壁的傳熱熱流量值增大。則必然造成壁面的最高工作溫度Tw1值升高,缸壁內(nèi)外兩側(cè)的溫差Tw1—Tw2增大;這時(shí),熱流量的增加直接代表了熱負(fù)荷的增大。又如,對(duì)于兩臺(tái)類型相同并且尺寸相近的發(fā)動(dòng)機(jī),如果其性能指標(biāo)強(qiáng)化程度不同,則平均有效壓力pe較高或轉(zhuǎn)速n較高的發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁通過(guò)的熱流量值必然較大,平均壁面溫度Tw1及壁內(nèi)外溫差?Tw也必然較大;這表明平均熱流量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)工作熱負(fù)荷也較大。
但是,這種關(guān)系并非是永遠(yuǎn)正確的。例如,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不變而增大缸壁厚度時(shí),通過(guò)缸壁的傳熱熱流量值將下降,同時(shí)壁面溫度Tw1將上升,溫差?Tw將加大;這時(shí),熱流量雖然減少,但熱負(fù)荷卻是增大。因此,利用傳熱熱流量作為指標(biāo)來(lái)分析受熱機(jī)件的熱負(fù)荷大小只適用于一定的條件。
總結(jié)起來(lái)、熱流量的大小可以代表熱負(fù)荷的悄況有:
內(nèi)燃機(jī)類型、尺寸相近而性能指標(biāo)(強(qiáng)化程度)不同時(shí),用熱流量比較各發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的平均熱負(fù)荷;在具體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下,分析比較各運(yùn)行調(diào)整參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空燃比、點(diǎn)火或噴油角度以及壓縮比等)對(duì)整機(jī)熱負(fù)荷的影響;針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的某些局部缸壁表面或燃燒室壁表面,利用劈面的局部熱流量分析機(jī)件的局部熱負(fù)荷及其可能造成的過(guò)熱。
熱流量的大小不能代表熱負(fù)荷大小的情況有:
對(duì)于型式、結(jié)構(gòu)、尺寸差異很大的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱負(fù)荷比較;當(dāng)改變發(fā)動(dòng)機(jī)某些受熱機(jī)件的尺寸(例如厚度)或材料(導(dǎo)熱系數(shù))時(shí),希望預(yù)測(cè)該機(jī)件的熱負(fù)荷變化。
總之,應(yīng)用傳熱熱流量分析發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷必須十分注意這種方法的適用場(chǎng)合。
為了在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中進(jìn)行熱負(fù)荷分析,一些研究者需試圖找出某些綜合指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同尺寸內(nèi)燃機(jī)機(jī)型的熱負(fù)荷大小,其中最常用的幾種指標(biāo)是:
(1)額定功率工況的單位活塞回積功率(Ne/D2)
由內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)的表達(dá)式可知
Ne/D2∝penVh/D2τ∝pecm/τ (9-24)式中 D——缸徑(m);
Vh——單缸工作容積(m3);
cm——額定工況的活寒平均速度(m/s);
τ——行程數(shù)。
其物理含義是缸壁表面的平均熱流密度。因?yàn)椋艏僭O(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體散熱量Q大致與其有效功率Ne成正比,而發(fā)動(dòng)機(jī)的行程、缸徑比S/D值又大致呈一定比例,則D2就可以代表整個(gè)氣缸的散熱表面積,結(jié)果,Ne/D2就可以近似代表缸壁表面的平均熱流密度q。此外,由燃?xì)鈱?duì)壁面的換熱過(guò)程看,pe可以近似地代表燃?xì)獾钠骄鶞囟萒g,cm可以反映換熱系數(shù)αk的大小,結(jié)果pecm就在一定程度上表征了機(jī)件受熱的程度。
這一指標(biāo)一般用來(lái)比較類型和尺寸相近的發(fā)動(dòng)機(jī),類型和尺寸相差過(guò)大時(shí)不宣應(yīng)用。
(2)竿位缸徑的功率(Ne/D)
由內(nèi)燃機(jī)的性能表達(dá)式知 Ne/D∝pecmD/τ (9-25)其物理含義是壁面的溫度及溫差,因?yàn)? Ne/D∝Neb/D2此處,b:缸壁或燃燒室壁的厚度。
如前所述,Ne/D2巳可代表缸壁表面的平均熱流密度q,如果進(jìn)一步假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)各部分尺寸均成一定比例,如S/D、b/D等,則可得到Ne/D∝qb (9-26)其數(shù)值就代表了傳熱過(guò)程中壁面的溫度Tw1和溫差?Tw。
這一指標(biāo)可用來(lái)比較類型相同而尺寸未必相同的發(fā)動(dòng)機(jī)。但由于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)尺寸按比例增大時(shí),其冷卻散熱量并不隨發(fā)動(dòng)機(jī)有效功成比例增加,而且結(jié)構(gòu)間的差別也可能很大,因此在實(shí)際應(yīng)用中也有局限性。
除以上指標(biāo)之外,一些研究者還曾分別提出過(guò)一些更符合實(shí)際的評(píng)估指標(biāo),但由于指標(biāo)形式比較復(fù)雜,在實(shí)用中推廣有困難。
2受熱機(jī)件表面的局部熱流量
發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零件表面的局部熱流量一般代表了這一零件表面在燃?xì)庾饔孟滦纬傻臒嶝?fù)荷,因此局部熱流量分析往往直接關(guān)系到零件的局部溫度及工作應(yīng)力。
在機(jī)件的穩(wěn)定熱負(fù)荷分析中,表面局部熱流量和熱流密度q可以由穩(wěn)態(tài)傳熱方程直接得到,即 q=αg(Tg-Tw1)或 q=λ/?b(Tw1-Tw)
式中 Tg——壁面附近的燃?xì)馄骄刃囟龋?br />
αg——壁面附近的平均等效換熱系數(shù);
Tw1——壁面的局部平均溫度;
Tw——沿壁面法線方向深入壁內(nèi)?b距離處的平均溫度。
如果利用實(shí)測(cè)的壁面溫度Tw1值結(jié)合示功圖計(jì)算得到的Tg,αg值代入式中,則可方便地得到缸壁的局部熱流密度q,但由于示功圖計(jì)算得到的Tg,αg值很難代表壁面附近的局部情況,因此計(jì)算結(jié)果精度較差。如果能利用微型熱偶同時(shí)測(cè)出壁面溫度Tw1及內(nèi)部深度?b處的溫度Tw,則也可按公式算出壁面的局部熱流密度q,由于所測(cè)數(shù)值可以直接代表壁面及壁內(nèi)的局部溫度,因此計(jì)算結(jié)果精度較高。但測(cè)量中要注意選取較小的?b值(例如?b=1—2mm),使熱流方向盡量保持壁面的法線方向,以便能利用上述的一維穩(wěn)定導(dǎo)熱方程。圖9—53示出用測(cè)量壁面和壁內(nèi)溫度的方法計(jì)算出的一柴油機(jī)缸蓋底板平面上的熱流密度分布,由圖可以看出,進(jìn)、排氣門與分隔燃燒室間的三角區(qū)是傳熱熱流量最高的區(qū)域,也是缸蓋底板熱負(fù)荷最高的區(qū)域。
在機(jī)件的高頻熱負(fù)荷分析中,為了求得壁畫(huà)局部的瞬態(tài)熱流密度變化,可以利用一維不穩(wěn)定傳熱微分方程,同時(shí)求解壁面、壁內(nèi)溫度Tw的變化情況以及通過(guò)劈面的瞬時(shí)熱流密度q的變化情況。但是為了使所得結(jié)果更加符合實(shí)際,常用的具體作法是先利用表面熱偶測(cè)出局部壁面的溫度波動(dòng)曲線,然后再以此作為邊界條件求解壁內(nèi)的溫度變化和熱流密度變化。利用這種方法求解的關(guān)鍵是要得到準(zhǔn)確的壁面溫度波動(dòng)測(cè)值。圖9—54示出用裝于活塞頂面的薄膜熱偶測(cè)出的活塞表面的溫度波動(dòng)曲線以及由此導(dǎo)出的活塞表面的局部熱流密度波動(dòng)曲線。對(duì)照(a)(b)兩圖可以看出,在熱流密度的峰值出現(xiàn)以后才出現(xiàn)表面溫度的峰值,而當(dāng)熱流數(shù)值已很快下降后溫度數(shù)值才緩慢下降;這說(shuō)明壁面溫度的升高是受到燃?xì)饧訜岬慕Y(jié)果,而當(dāng)壁面一旦受熱以后,由于向內(nèi)導(dǎo)熱需要一定時(shí)間,因而壁面溫度不可能很快下降。
此外,在實(shí)際工作中,有時(shí)也可近似地利用穩(wěn)態(tài)傳熱方程計(jì)算壁面的瞬時(shí)熱流密度變化,但這時(shí)的燃?xì)鉁囟、換熱系數(shù)以及壁面溫度都需采用瞬時(shí)測(cè)值。例如,可由實(shí)測(cè)示功圖算出Tg、αk的變化,再與實(shí)測(cè)的壁面溫度變化相對(duì)應(yīng),借用穩(wěn)態(tài)傳熱方程計(jì)算其瞬時(shí)熱流密度變化。這種方法的誤差一方面在于示功圖計(jì)算結(jié)果往往不能代表局部壁面附近的燃?xì)鈪?shù),另一方面由燃?xì)庀虮诿娴膿Q熱也非穩(wěn)態(tài)過(guò)程,因此所得結(jié)果只能是近似的。
3發(fā)動(dòng)機(jī)的整體散熱量
發(fā)動(dòng)機(jī)的整體散熱量即冷卻介質(zhì)的散熱量是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)各受熱機(jī)件熱流量的總和。它不但與發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的熱效率有關(guān),而且與發(fā)動(dòng)機(jī)整體機(jī)件的熱負(fù)荷有關(guān),因此需要同時(shí)由兩方面結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的熱平衡情況可知,為了保證各受熱機(jī)件的工作條件(溫度和溫差)不超過(guò)其可靠性和耐久性所能承受的極限,必須允許有一部分燃燒釋放的熱量經(jīng)過(guò)機(jī)件內(nèi)部傳遞給冷卻介質(zhì)。這一熱量的數(shù)值與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件有關(guān),也與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。
過(guò)去一些研究者利用實(shí)驗(yàn)歸納的方法總結(jié)出了許多整機(jī)散熱量的經(jīng)驗(yàn)公式,其中使用較為方便的是以下的幾個(gè)公式。
對(duì)于汽油機(jī)
Q=1100D1.73s0.575n0.71(1+1.5·S/D)(ε-1) ˉ0.286 (W) (9—27)對(duì)于柴油機(jī)
Q=740D1.73s0.575n0.71(1十1.5·S/D) (w) (9-28)式中 Q:發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)每缸單位時(shí)間散給冷卻水的熱量;D:氣缸直徑(m);
S:活塞行程(m);
n:發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)運(yùn)(r/min);
ε:壓縮比;
公式反映了一些因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體散熱量的影響,但還不夠全面。一般講,發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸(D及s)增加時(shí),散熱量增加,但并非與工作容積成比例,因?yàn)樯岜砻媾c體積之比相對(duì)減;發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷pe及轉(zhuǎn)速n增加時(shí),由于缸內(nèi)燃?xì)鉁囟燃捌鋼Q熱系數(shù)增大而散熱量增加;壓縮比ε提高時(shí),缸內(nèi)燃?xì)鉁囟仍龈叩艢鉁囟冉档,結(jié)果使發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量變化不大;進(jìn)氣溫度及壓力增高時(shí),缸內(nèi)氣體溫度升高而且一般是循環(huán)放熱量加大,散熱量要增加。此外,發(fā)動(dòng)機(jī)的整體散熱量與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式有很大關(guān)系。例如,冷卻介質(zhì)溫度升高,必然使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體散熱量降低,風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量就少于水冷;燃燒室或排氣道的冷卻表面加大,也會(huì)使散熱量明顯增加。
圖9-55示出車用汽油機(jī)和柴油機(jī)熱平衡的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由圖中比例可以看出,發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻散熱量約占發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒放熱量總值的20%—30%,其數(shù)量是相當(dāng)可觀的。此外,由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻散熱量傳出途徑的統(tǒng)計(jì)資料看,由活塞頂通過(guò)環(huán)和缸壁等散出的熱量約占總散熱量的30%—40%;由缸蓋底面以及氣門座、排氣道表面直接散給冷卻介質(zhì)的熱量約占40%一50%;由缸壁直接散給冷卻介質(zhì)的熱量約占10—20%。由此看來(lái),活塞組件及缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)工作中熱負(fù)荷最高的兩個(gè)組件。
如前所述,發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱熱流量在一定條件下就代表了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷,因此,如果知道發(fā)動(dòng)機(jī)的整體散熱量Q以及發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和燃燒室全部表面積之和A,則可以用Q/A值來(lái)評(píng)估和比較發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷。
4絕熱、低散熱概念與熱負(fù)荷
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻散熱量的存在并非內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)的必要內(nèi)容,而是為了保證機(jī)件工作可靠所提出的要求;因此,多年來(lái)內(nèi)燃機(jī)的研究設(shè)計(jì)者們都希望在保證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件工作可靠的前提下盡量減少冷卻散熱量,以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。所謂絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)或低散熱發(fā)動(dòng)機(jī)的概念就是這種沒(méi)想的一種具體體現(xiàn)。但是需要注意的是,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)計(jì)算,即使將內(nèi)燃機(jī)的燃燒室及汽缸表面完全作成絕熱,使冷卻介質(zhì)的散熱量Q=0,這時(shí)節(jié)省下來(lái)的25%左右的熱量也不可能全部轉(zhuǎn)化為有效功。因?yàn),這部分熱量的利用也要遵從熱力學(xué)第二定律的規(guī)定,對(duì)于沒(méi)有其他附加裝置的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī),只有這部分熱量中的30%一40%,也就是相當(dāng)于燃燒總放熱量的9%左右,可以轉(zhuǎn)化為有用功?紤]到在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中,要想作到壁面絕熱,還存在許多目前還很難控制的因素,例如絕熱時(shí)可能出現(xiàn)的換熱系數(shù)αk增高的現(xiàn)象,以及其他結(jié)構(gòu)實(shí)施上的困難,對(duì)于沒(méi)有其他附加裝置的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī),實(shí)際得到的有效功增加大約只相當(dāng)于燃燒放熱量的3%—5%,其他由絕熱節(jié)省下來(lái)的熱量大多轉(zhuǎn)入到排氣帶走的熱量中。因此,要想利用絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的概念提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率,必須把發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣能量的利用結(jié)合起來(lái),也就是采用渦輪增壓、渦輪復(fù)合以及底循環(huán)熱利用等技術(shù)使轉(zhuǎn)入排氣中的熱量變?yōu)橛杏霉Α?br />
按照發(fā)動(dòng)機(jī)受熱機(jī)件熱負(fù)荷分析方法可以看出,在燃?xì)鉁囟萒g和冷卻介質(zhì)溫度Tc不變的情況下,采用導(dǎo)熱性能較差的陶瓷材料制造整個(gè)缸壁零件,將使缸壁燃?xì)鈧?cè)的溫度Tw1升高并且使缸壁內(nèi)外兩側(cè)的溫差?Tw加大(圖9—25(d));如果采用導(dǎo)熱性能較差的陶瓷噴涂在原有金屬壁的燃?xì)鈧?cè)表面上,則由于整個(gè)缸壁熱阻的加大,陶瓷表面的溫度T′w1c將升高而同時(shí)原有金屬壁的內(nèi)表面溫度T′w1將降低(圖9—57)。因此,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用絕熱或低散熱措施時(shí),缸壁內(nèi)表面的熱負(fù)荷將明顯加大,而解決這一問(wèn)題的辦法就是要求陶瓷材料能夠承受更高的工作溫度以及一定的工作應(yīng)力。就目前國(guó)內(nèi)外采用的內(nèi)燃機(jī)陶瓷零件(活塞頂、缸蓋底板、缸套上段鑲?cè)、進(jìn)排氣門、燃燒室鑲塊以及排氣道內(nèi)壁等)看,其工作可靠性問(wèn)題還沒(méi)有完全解決,最主要的問(wèn)題是有些陶瓷材料的抗熱沖擊性能較差,以及成批制造時(shí)質(zhì)量分散性太大。但是陶瓷材料的高硬度和高耐磨性早已證明是一種較理想的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦機(jī)件材料,因此,陶資材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的意義就不僅在于絕熱或低散熱概念的實(shí)施,而是有著更廣泛的應(yīng)用前景。
盡管絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的全面實(shí)現(xiàn)目前還是一個(gè)有爭(zhēng)議和有待努力的問(wèn)題,但是在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中力求減少冷卻散熱量以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性還是有現(xiàn)實(shí)意義的。因?yàn),如果能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁和燃燒室壁的散熱量,除掉有可能利用這部分熱量轉(zhuǎn)化為有用功外,還可以在一定程度上減少缸壁潤(rùn)滑的粘性摩擦損失,特別是減少冷卻系統(tǒng)部件消耗的機(jī)械摩擦損失,從而達(dá)到改善經(jīng)濟(jì)性的目的。一些發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究者用模擬的辦法預(yù)測(cè)了采用不同隔熱方案時(shí)可能達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性改善(圖9-58),圖中表明,采用較厚的陶瓷制造活塞頂和缸蓋底板有可能比單純采用陶瓷涂層效果更好。還有一些設(shè)計(jì)者在具體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中只用冷卻介質(zhì)冷卻缸蓋燃燒室附近的高溫部位。而不冷卻溫度較低的氣缸;還有一些發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)中取消水冷,而只對(duì)噴油器和缸筒上部高溫區(qū)用潤(rùn)滑油流冷卻,同時(shí)在活塞下部噴油冷卻(圖9-59)。這些措施都是為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻散熱量,以實(shí)現(xiàn)低散熱發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想。但是,不論是上述哪種措施,都必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與缸筒部分的工作溫度升高,熱負(fù)荷加大,因此必須配合相應(yīng)的措施解決由此引起的熱負(fù)荷問(wèn)題,否則就不可能達(dá)到預(yù)期的提高熱效率的目的。