柴油/CNG双燃料发动机缸内传热特性研究

论文摘要

随着内燃机不断向高速和强化方向发展，内燃机的传热和热负荷问题也就显得越来越突出，如何有效地解决内燃机的热负荷问题，提高内燃机受热零部件的可靠性及其使用寿命就变得日益重要和紧迫。由于热负荷的影响，内燃机受热零部件的非正常磨损，材料的腐蚀、烧蚀和热疲劳破坏等故障屡见不鲜，直接或间接地影响着内燃机的动力性能、经济性和可靠性。因此，在内燃机工程的研究中，传热和热负荷的研究是一个非常重要的研究方向。同时由于燃油的紧缺和对内燃机排放要求的不断提高，开发天然气等代用燃料内燃机越来越受到人们的重视。本文首先回顾了内燃机工程中传热与热负荷研究的发展和现状，进而对内燃机的热状态、热负荷和热负荷故障进行了定义和说明。接着阐述了求解内燃机受热零部件热负荷的基本原理和方法，介绍了热传导的偏微分方程、热弹性理论的基本方程和边界条件确定的原则以及用有限元法进行的数值求解。然后以一台四冲程、水冷、柴油／CNG双燃料发动机缸内表面的稳态传热边界为研究对象，对缸内传热开展试验研究。采用硬度塞法和热电偶法分别测量了改装前后双燃料发动机活塞温度和缸套特征点温度，考察活塞以及缸套热负荷状况，然后对测量的结果进行分析和研究，分析缸内瞬时放热系数的适用性，并且通过测量结果的对比，提出修正后缸内受热零件表面换热系数。采用ANSYS软件作为数值仿真的工具，对柴油／CNG双燃料发动机活塞进行了温度场、热变形的数值仿真，验证修正后换热系数的适用性。测量结果与修正后的传热公式计算得出的表面传热系数温度分布结果符合，特征点的温度计算值与实测值之间的相对误差不超过5％。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 柴油机缸内传热研究的发展和现状
• 1.2.1 试验研究的发展
• 1.2.2 理论模拟研究的发展
• 1.2.3 基于全面理论分析的流动分析模型研究
• 1.2.4 柴油机缸内传热研究的现状
• 1.3 柴油机受热零部件的温度测量
• 1.4 国内外对柴油机燃用CNG的研究现状
• 1.5 本文研究工作及意义
• 第2章 传热与热负荷研究的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 传热问题的基本方程及定解条件
• 2.2.1 导热问题的微分方程式
• 2.2.2 导热问题的定解条件
• 2.3 热应力问题的基本方程及定解条件
• 2.3.1 热弹性基本方程
• 2.3.2 热弹性问题的边界条件
• 2.4 传热与热应力问题的有限元分析方法
• 2.4.1 有限元方法简述
• 2.4.2 有限元方程
• 2.5 本章小结
• 第3章 受热零部件温度测量的试验研究
• 3.1 2135柴油机主要技术参数
• 3.2 实验台架的搭建
• 3.3 硬度塞法的温度测量
• 3.3.1 测温硬度塞的加工制作
• 3.3.2 HV-T标准曲线的制作
• 3.3.3 硬度塞的安装及使用注意事项
• 3.4 热电偶法的温度测量
• 3.5 示功图测量仪器的选取
• 3.6 硬度塞的测点布置
• 3.6.1 活塞上硬度塞的测点布置示意图
• 3.6.2 气缸套上热电偶测点布置示意图
• 3.7 实验结果
• 3.8 本章小结
• 第4章 双燃料发动机缸内传热分析
• 4.1 稳态传热的假设
• 4.2 影响缸内传热因素分析
• 4.3 边界条件的确定
• 4.3.1 燃气换热系数的确定
• 4.3.2 火力岸处换热系数的确定
• 4.3.3 活塞环槽、裙部和底部
• 4.3.4 活塞冷却油腔放热系数的确定
• 4.3.5 活塞销座
• 4.3.6 活塞载荷边界条件
• 4.4 本章小节
• 第5章 活塞部件的热负荷分析计算
• 5.1 ANSYS Workbench简介
• 5.2 2135柴油机活塞的实体建模
• 5.3 对实体模型的网格划分
• 5.4 发动机活塞温度场的数值仿真
• 5.5 双燃料发动机热负荷状况分析比较
• 5.6 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文
• I. 参加的科研项目
• II. 发表的论文