第六章-内燃机的热负荷

第六章内燃机的热负荷本章主要内容•内燃机的热平衡•内燃机热流量的实际测量和计算•各种运转因素对受热零件温度的影响•某些结构因素对零件温度的影响•绝热发动机内燃机的热负荷内燃机的经济性和可靠性零件承受温度高冷却带走热量少热效率高强度下降内燃机热负荷的含义•受热零件的温度•受热零件的温度差温度过高的危害：1、零件材料在高温下强度降低；2、零件产生热裂或局部烧熔；3、第一道环槽处滑油结胶，环卡死折断；4、破坏受热零件间的正常间隙，产生拉缸等；5、零件温差过大，热应力过大，产生热疲劳裂纹。表征内燃机热负荷的参数：•热流量：与换热系数和热传导条件有关。•零件上的每一点：该点的温度和周围的温度梯度。12()()g第一节内燃机的热平衡•热平衡：气缸中燃料燃烧放出的热量分配情况。例：柴油机•转化为有效功：35~45%•随废气排出：25~45%•润滑油带走：6~8.5%•冷却水带走：15~22%•辐射热损失及其他热损失：其余一、转化为有效功的热量63.610eQPe(/)Jh0021()pQGCtt二、润滑油带走的热量0:/)pGkghC润滑油的流量（，用重量法或体积法测定；:润滑油的比热容。三、废气带走的热量''21012'':::,::rTprmTpTpprmQMGCtMGCtMMGCCt空气的摩尔数；燃气的摩尔数；每小时燃料消耗量；分别为废气和燃气的平均摩尔比热容；废气按流量的平均温度。废气温度：排气过程中不断变化。排气过程中总的排气量的平均温度：00'''0''00'::::prrrmprrrCtGdtCGdtGd每循环周期废气的瞬时温度废气的瞬时流量单位时间废气按流量的平均温度≠用热电偶测得的废气平均温度用热电偶测得的废气平均温度：00'00:rrhtdthdh气体向热电偶的放热系数四、冷却水带走的热量''212212'2()()::,::cclchcpcpcpQQQGCttGCttGCttt冷却水的流量，用重量法或容积法测定；冷却水的比热容；分别为进、出水的温度；冷却水从缸套流进缸盖时的温度。Qch：通过缸盖传给冷却水的热量，占冷却水带走热量的50%。Qcl：通过缸套传给冷却水的热量，占冷却水带走热量的32~38%。1、Mackerle公式•对汽油机：1.730.5750.710.2660.095[11.5](1):D:S:cSQZDSnDZ气缸数缸径活塞行程•对柴油机：1.730.5750.710.0637[11.5]cSQZDSnD•缺点：未反映发动机结构因素和运转因素的影响。2、Kostin公式•结构常数不能正确确定。0.6'',:1[]288:::ckkakkaQKKAKKGTAZGT由发动机结构而定的常数；每小时空气耗量；进气温度；过量空气系数。Sitkei进行改进：•试验用机：柴油机，D=110mm，S=140mm，ε=2120.6311400717()100caDSQZZAD第二节内燃机热流量的实际测量和计算•燃烧室表面温度波动法•用热流量计法•利用工作过程计算法一、燃烧室表面温度波动法•原理：在一个循环中气体和燃烧室壁面的传热造成壁面温度的波动，通过测量温度的波动可解传热微分方程而求得局部热流量。0()wxTqx二、用热流量计法•原理：沿壁厚方向近似看作一维导热，通过测量温度梯度来计算局部热流量。•热流量计组成：测量电偶：NiCr-Ni热电偶，间距18mm；测量体：导热系数已知的非合金铸铁；尾部冷却室：调节法兰外电偶温度；薄法兰：实现绝热层空气和燃气之间的密封。•测量值：T1、T2、T3、T4、T5、T6•计算热流量：•通过法兰存在温度差，修正：12TTqq345614ffqKTTTTTTT热流量计使用注意：•热流量计在发动机上使用一段时间后，其表面就会积碳，影响测量效果。•积碳层先随时间而变厚，然后保持一定厚度。•直喷式柴油机试验结果对比：三、利用工作过程计算•发动机气缸中的传热是不稳定传热过程：•简化计算，通常当做稳定传热过程来计算：()ggwdqhTTd()mgmreswmqhTT1、根据示功图的压力曲线，用热力学方程求出温度曲线。200,::1:21cossin211:axaaxaaaacxxcTTpppTVVVAVCAC进气门关闭时压力、温度；实际压缩比；瞬时压缩比；几何压缩比。3:()(1)::::xcxxxecxe瞬时分子变更系数；燃烧终了的分子变更系数；着火开始时的曲轴转角；燃烧阶段的任一曲轴转角；燃烧终了时的曲轴转角。2、用放热系数的计算公式，求h。右图为用Woschni公式求出的h3、分别求hgm,(hgTg)m,Tres,q。第三节各种运转因素对受热零件温度的影响•平均有效压力•转速•冷却水温度•进气压力和进气温度•供油提前角或点火提前角•爆震•扫气压力和排气背压一、平均有效压力的影响•主要因素：循环供油量的变化。•柴油机：负荷↑，循环供油量↑，总燃烧量↑，零件温度↑。•公式•非增压柴油机：温度在标定值下线性上升，超过标定值后上升加剧，曲线上翘；•增压柴油机：过量空气系数变化不大，线性上升。meimbpCG•风冷柴油机：随pme增加没有增加冷却空气量，所以温度上升急剧。•汽油机：节气门调节负荷，单位质量的热容量基本保持不变，零件温度随pme变化比较平缓。1、pme对活塞温度的影响•不同燃烧室的活塞以及同一活塞上的不同位置的温度变化不同，受燃气冲击强烈区域，温度上升较快。增压预燃室式涡流室式ω式2、pme对缸盖温度的影响•缸盖温度随pme变化比活塞急剧。3、pme对预燃室、涡流室及镶块温度的影响•非增压柴油机上呈线性关系。•不同位置上变化幅度不同。4、对缸套温度的影响•上部：受燃气冲击强烈，随pme变化显著；•中下部：受燃气冲击较弱，冷却好，变化幅度小。5、pme对排气门温度的影响•排气门温度随pme变化幅度最大。二、转速的影响•主要因素：单位时间的燃料变化量和放热系数。•转速增加：单位时间内的燃烧次数增加，燃料量增加；气体的流动速度上升，放热系数增大。•柴油机：非增压：转速和单位时间内燃烧次数成正比，和过量空气系数成反比，零件温度变化急剧。增压：燃烧次数正比，过量空气系数正比，二者影响抵消，零件温度变化平缓。•汽油机：零件的温度变化与转速呈线性关系。1、n对活塞温度的影响2、n对缸盖温度的影响3、n对缸套温度的影响缸套温度随转速变化比活塞、缸盖平缓；不同位置温度变化有差异：上部变化比下部显著。4、n对排气门温度的影响•排气门温度由过量空气系数决定。•增压机，转速降低时，空气量下降更快，过量空气系数下降，温度升高。三、pme和n影响的分析比较•pme和n越高，发动机的热负荷也越高；•当发动机的功率一定时，增加其中一个，另一个将降低，需选择合适的值，使发动机受热零件的热负荷和机械负荷处在有利条件。•增压柴油机：在相同功率下，高pme、低n比低pme、高n零件的温度高；•非增压柴油机：在相同功率下，高pme、低n热负荷较低。四、冷却水温度的影响•影响：冷却水温上升，带走热量少，零件温度上升。•活塞、缸盖：各个不同位置的温度随冷却水温的变化幅度基本相同，并呈线性关系。•缸套：各部位变化幅度不同，但都呈线性关系；上部影响小，下部影响大。•排气门：与冷却水状态有关，核状沸腾时温度保持稳定，膜态沸腾时进一步上升。1、活塞、缸盖的温度变化2、缸套、排气门的温度变化五、进气压力和进气温度的影响•主要因素：影响过量空气系数，进气压力对放热系数有一定影响。•过量空气系数增加（一定范围内），循环平均温度降低，燃烧速度加快，传到壁面热量减少，零件温度下降。•进气压力增加：过量空气系数增加，温度下降；燃气对壁面的放热系数增大，温度上升。•进气温度增加：过量空气系数减小，温度上升。几点结论：•过量空气系数对零件温度有较显著的影响；•对于增压发动机应正确选择过量空气系数来保持其热负荷不变；•加强中冷对降低零件温度有较显著的影响。六、供油提前角或点火提前角θ的影响•θ↑：1、着火燃烧时间提前，压缩负功↑，功率↓：为了保持功率→，Gb↑。2、pz↑，h↑。•所以：受热零件温度↑。柴油机受热零件温度随θ变化规律视具体型式不同。汽油机活塞温度随点火提前角的变化关系•活塞温度随θ增加而线性增加，随负荷下降，其斜率变小。排气门的温度变化与其他零件不同•θ↑：1、燃烧过程传递给排气门热量↑；2、排气开始时，燃气温度压力比θ小时低，排气过程中传给排气门热量↓。•综合：排气门温度随θ变化不大或减小。•柴油机上试验：供油提前角13°↑23°，排气门温度变化：540~546℃。•右图：汽油机实例。七、爆震对受热零件温度的影响•爆震：汽油机的异常燃烧，压力峰值特别高，伴随强烈压力波动。压力↑压力波动↑放热系数↑零件温度↑•危害区域：火花塞附近燃烧室壁面温度随爆震而↑，长期承受强烈爆震，引起铝合金活塞和缸盖局部腐蚀以致烧损。八、扫气压力和排气背压的影响•过量空气系数→，扫气压力↑：输出功率↑，零件温度↑。•排气系统背压↑：压缩初始温度↑，循环平均温度↑，活塞温度↑。第四节某些结构因素对零件温度的影响一、压缩比ε↑，pz↑，h↑，零件温度↑。实例：柴油机缸盖、活塞温度随ε变化。缸盖：不同位置变化幅度不同。受燃气影响剧烈区域变化幅度大。活塞：随ε↑，温度略有↑。二、喷油器孔数和喷孔直径试验：柴油机上采用三种规格喷油器：4×0.37、4×0.40、5×0.35。试验结果：•对改善热应力，喷油压力的影响大于燃料空间分布度的影响；•涡流强度对燃烧室壁面温度有一定影响，涡流强时壁面温度↑。注意：喷油角度对缸盖火力面的影响•油束与邻近燃烧室壁面接触会↑缸盖火力面温度；•增加缸盖底面与油束距离可使缸盖火力面温度显著↓。第五节绝热发动机•热力学意义：无热损失的发动机。•目前所指：无通常强制冷却系统，并尽量将热损失减至最小。一、兴起与发展1、兴起：1974年，英国皇家海军工程学院。反应烧结氮化硅→活塞。试验用机：4冲程水冷柴油机（D×S=108×152.4mm）Pe=9kw/(1100r/min)，50小时满负荷试验。2、发展•英国：发展缓慢。Ricardo公司：应用计算机技术对绝热发动机性能进行了预测和评价。巴斯大学：a、进行燃烧分析计算、性能预测；b、采用空气隔热层来隔热。美国：•Cummins公司：1974年，技术论证；1975年，与陆军坦克机动车辆局合作；1979年，直列6缸机改为涡轮复合增压绝热发动机。台架试验：节油14.8%。将改装机应用在商用车上，横跨美国80465km试车，无停车故障，节油15.92%。1982年，改进多缸不冷却发动机：体积↓0.5m³，重量↓126kg，零部件↓361个。绝热：燃烧系统用氧化锆基陶瓷材料喷涂覆盖。试验：5吨级军用卡车，4828km，无故障。日本：实用化政策，应用在小型车上。•小松制作所：1976~1978年，绝热涡轮复合柴油机。机型：直6，四冲程水冷增压，D×S=105×125mm，技术：氧化锆涂层，0.5~1.0mm，试验：500小时台架试验，无故障，η42%↑48%，Q散↓40%。•三菱重工：1983年，T1.8发动机，在涡轮转子、缸套、活塞顶、燃烧室顶、气门采用陶瓷材料绝热。•京都陶瓷：精细陶瓷业：工程陶瓷→发动机部件。二、研究的主导思想•绝热发动机有更高的热效率。1、研究的主导思想：•军用动力为主：1）、be↓，储油量→，行程↑，作战时间↑；2）、结构简化：维修量↓；体积、重量↓，作战性能↑；设计时不受冷却系统限制。•一般民用动力为主：1）、be↓；2）、陶瓷零件代替合金材料，成本↓。2、分类•绝热燃烧式：优点：取消冷却系，节约了功率；缺点：无冷却系，tw↑，充气效率↓，废气带走能量↑。•绝热涡轮复合增压式：废气带走能量→增压器→涡轮→动力传给曲轴↓进