发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势
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发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势
发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势
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& 原作者：俞小莉，李婷
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。
一、发动机热平衡的研究方法
燃料燃烧产生．的热量（Qf）一般分为以下几个部分：转化为发动机的有效功（Pe），排气带走的热量（Qex），传入冷却介质的热量（Qw），机油带走的热量（Qoil）和其他热量损失（Qu）。由此可以得到发动机的热平衡方程为
Qf=Pe+Qex+Qw+Qoil+Qu。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （1）
在试验研究中，通过测量燃油消耗可计算出Qf；测功机可测得Pe；通过测量进排气流量和温度可以计算出Qex；通过测量冷却水进出口温度和流量可以计算出Qw；通过测量机油进出口温度和流量可以计算出Qoil。余项损失难以测量，由式（2）计算，
Qu=Qf-(Pe＋Qex＋Qw＋Qoil)&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&（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）。
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人余项损失中，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，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：
1．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；
2．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；
3．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；
4．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.
二、发动机热平衡仿真卜相关研究现状
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Qf中分别转化为Pe，Qex，Qw和Qoil，其研究的相关内容如图2所示。
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。
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。
（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Pe和Qex。
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。
O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LosAlamos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LosAlamos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-11等。
（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。
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，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；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。
（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；1999年NgySrunAP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Cs）；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。
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QW。
（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；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；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。
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Qoil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．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。发动机热平衡的整机仿真是热平衡仿真研究发展的必然趋势，也是进一步完善计算模型，提高仿真精度的唯一方法，只有整机进行建模仿真才能更加接近实际发动机的热传递状况，达到零部件仿真所不能得到的精度。整机热平衡仿真在现阶段发展并不是很完善，它的基本思想是充分考虑发动机的相关结构（见图3），分别建立发动机各个子系统的仿真模块，最后将这些模块进行耦合，得到最终的整机仿真模型。
发动机整机仿真研究的一个重要方向首先是进行发动机缸、内部件传热的全仿真，即把缸内工质流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型与燃烧室部件整体导热（缸盖一缸套一活塞组）耦合起来。发动机缸内部件传热全仿真实施难度很大，它依赖于缸内工作过程和缸内部件传热模型的发展程度、数值计算和计算机技术的发展水平。它的基本思想是将内燃机的缸内气体和全体燃烧室部件作为一个整体进行计算机模拟。燃烧室部件的传热由4部分组成，即燃烧室内的对流和辐射传热、活塞组与缸套间摩擦热的传递、燃烧室内壁薄层内的循环瞬态导热和燃烧室部件内的稳态导热（见图4）。
首次提出内燃机缸内部件耦合传热仿真系统研究方法的是Morel，他在1985年将发动机的气缸内气体和全体燃烧室部件作为一个整体，进行了整体仿真。在国内，1987年陈国华等率先用传热仿真的设想建立了活塞组机油气缸套耦合系统的循环瞬态传热模型；1988年Assanis也用仿真的设想计算了一台低散热发动机活塞组一气缸套耦合系统的循环瞬态传热。陈国华和Assinis在模拟中都忽略了活塞环组摩擦热的影响。白敏丽等在2000年对燃烧室部件耦合系统循环瞬态传热模型进行了研究仁；又于2OO1年对燃烧室部件耦合系统过渡工况传热全仿真进行了研究；在此基础上，就活塞环摩擦热对燃烧室部件耦合系统的传热影响进行了仿真。2003年，杨万里．等对内燃机燃烧室耦合零件系统过渡工况的传热进行了仿真；2004年，波涛建立了发动机燃烧室部件与冷却通道之间的传热模型，并分析了泡核沸腾换热对冷却介质换热率和缸内部件温度场分布的影响。
要真正实现发动机热平衡整机仿真，除仿真计算出燃烧室部件传热全仿真之外，还有一些其他工作要做，包括发动机进排气管的流动与传热仿真、冷却液的流动与传热仿真、润滑系的流动与传热仿真、散热器的传热仿真以及内燃机内部的摩擦生热仿真研究。2004年，毕小平等发展了一个坦克柴油机的传热计算模型，考虑了柴油机燃烧产热、柴油机部件之间的传热、柴油机部件与冷却液的传热、柴油机部件与机油的传热、柴油机部件与动力舱空气的传热、冷却液的流动、机油的流动、动力舱内空气的流动。
从局部到整体，逐步深人地针对整机热平衡仿真开展了大量．研究工作，从仅仅对燃烧室部件进行耦合，发展到全面考虑冷却系、润滑系等子系统建立整机模型，最终得到的仿真结果已经能够反应出发动机工作过程中热量的传递趋势。
三、存在的问题及发展的方向
目前，对整机热平衡的仿真还处于不完善的阶段，不能在设计的初期确定发动机的热平衡状况，而只有确定发动机结构等具体参数后才能进行热平衡计算。数学模型要求尽可能的反映出发动机运行时的热平衡状态，而又不能过于复杂，超出现有的计算机硬件和软件的计算能力。所以，建立正确的数学物理模型，必须与试验研究相结合以验证计算方法的可靠性，并进一步改善。
随着计算机容量的增大和有限元分析软件的不断开发，可以建立更精确更详细的发动机整机或者零部件模型，为发动机热平衡的研究提供更可靠的理论依据。当热平衡仿真计算发展成熟后，便可以前瞻性地对发动机性能进行评价，对发动机的集成匹配进行优化，对发动机的设计进行指导。并最终建立发动机整机热平衡的诊断及自动控制系统，这也是今后此课题的研究重点和发展方向。
信息来源：
车用发动机
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欲用20℃的冷水和90℃的热水混合，制得温度为50℃的温水56kg，问需用热水和冷水各多少kg？（不计热量散失
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提问者采纳
则冷水的质量为m2=m-m1=56kg-m1.2×103J/（kg?℃）×m1×（90℃-50℃）=4，4，热水放出的热量?℃）×（56kg-m1）×（50℃-20℃）.2×103J/（kg，m2=56kg-24kg=32kg．答：用热水24kg，∴Q吸=Q放：Q放=cm1（t-t01）=4.2×103J/（kg?℃）×m2×（50℃-20℃）=4?℃）×m1×（90℃-50℃）?℃）×（56kg-m1）×（50℃-20℃）：m1=24kg，Q吸=cm2（t02-t）=4.2×103J/（kg.2×103J/（kg，∵不计热量损失，解得设热水的质量为m1
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