清洁燃气客车发动机舱多场耦合强化散热原理研究及其应用

发布时间：2020-07-19 17:58

【摘要】：清洁燃气点燃式大缸径发动机火焰传播速度慢,当量比燃烧时发动机排温高、热负荷大、舱温高的问题,是当前制约节能环保清洁燃气发动机在城市公交客车上普及使用的瓶颈问题之一。本文以某款典型的后置式LPG城市公交客车发动机舱为研究对象,提出舱内多场耦合强化散热原理及其方法,这对于探索含多种热源、流道结构复杂的发动机舱内强化散热新方法具有重要的学术价值和实际意义。论文主要从舱内散热器总成区域VTGM强化散热、发动机工作区域TFH强化散热、舱内多场耦合强化散热结构设计、强化散热综合结构内流场红外成像实验分析等方面,完成研究工作、获得重要结论:散热器总成区域VTGM强化散热原理及其方法研究。为了解决舱内散热器传热有效度低的问题,提出散热器总成区域换热边界空气流动速度与温度梯度矢量最优匹配强化散热原理及其方法(简称VTGM强化散热原理及其方法),推导获得最佳的换热边界空气速度和温度梯度。基于该强化散热方法,从散热器总成方位、格栅倾斜角度等方面对散热器总成区域进行结构设计,低速大扭矩工况仿真结果表明,该结构中散热器换热边界空气速度和温度梯度矢量平均夹角相比于典型结构减小36.79%,空气平均流速提高约1.5倍,散热器传热有效度提高16.80%。发动机工作区域TFH强化散热原理及其方法研究。针对舱内发动机工作区域空气流道核心流区温度梯度大而降低舱内冷却空气散热能力的问题,提出空气流道核心流区温度场均匀化强化散热原理及其方法(简称TFH强化散热原理及其方法),以该区域空气流道核心流区温度梯度最小化为优化目标,获得最佳空气流道速度矢量场和流动路径,通过增加流道核心流区温度场均匀区的范围,使热边界层变薄、层内温度梯度增加、热阻减小,强化换热的同时使流道内热空气以理想路径散出舱外。依据流道温度梯度“核心流最小-热边界最大”强化散热原则,从进风口位置和舱顶结构进行结构设计,低速大扭矩工况仿真结果表明,该结构空气流道平均温度下降21.53%,核心流区平均温度梯度下降63.42%,发动机体及发动机盖散热系数分别提高到5.46倍和3.48倍。清洁燃气客车发动机舱多场耦合强化散热综合结构研究。根据清洁燃气客车发动机舱内高温部件与冷却空气间散热原理的不同,发动机舱可分为散热器总成区域和发动机工作区域两大区域。针对舱内两大区域的综合强化散热,进行强化散热综合结构设计,仿真结果表明,相比于典型结构,强化散热综合结构的散热器换热边界空气速度和温度梯度矢量平均夹角减小34.32%,散热器传热有效度提高14.52%,发动机工作区域流道空气平均温度下降23.20%,核心流区平均温度梯度下降67.26%,发动机体和发动机盖散热系数分别提高到5.46倍和4.04倍。基于红外成像技术的清洁燃气客车发动机舱温度场实验研究。针对发动机舱内单点温度传感器检测不能获得舱内空气连续温度场信息的问题,以LPG城市公交客车发动机舱典型结构和强化散热综合结构为研究对象,设计与开发了基于红外成像技术的LPGB发动机舱温度场实验系统。对发动机舱半封闭空间内温度场进行多工况、无干扰、可视化测量。分析五种工况中、舱内红外成像温度场时间序列,发现强化散热综合结构与典型结构相比,发动机工作区域空气流道换热边界的温度梯度大,核心流区温度梯度小,符合温度梯度“核心流最小-热边界最大”强化散热原则。实验结果表明,与典型结构相比,强化散热综合结构散热器进水温度最多下降10.8%,发动机高温部件温度最多降低25.4%。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464
【图文】：

进气温度,燃烧性能,当量比,压缩比

CO 与 HC 排放低，并且其高辛烷值有助于提升发动机压缩比，进而提高发动机的功率和热效率[1，2]。然而，LPG 着火温度高、火焰传播速度慢，相比于汽油-空气层流火焰39-47cm/s 的传播速度，LPG 最大火焰传播速度仅为 38 cm/s。LPG 城市公交客车发动机采用单点喷射、进气总管混合和缸内点火工作方式， LPG 燃气点燃式大缸径发动机功率大、行程长、燃烧持续期长，影响混合气的充分燃烧，当量比下容易引起发动机排温过高、爆震倾向增加，发动机热负荷大，对 LPG 燃气发动机舱内散热提出更高要求。再者，LPG 以气态进入气缸时必然占用部分气缸容积，如进气温度过高、会使发动机充气效率降低，进而影响 LPG 点燃式发动机的动力性和经济性。图 1-1(a)、(b)为 LPG发动机在不同进气温度、压缩比及当量比的燃烧性能比较[3，4]。如图 1-1 所示，混合气的正常燃烧界限随压缩比的增大而扩展，同时，随可燃混合气的进气温度增高，爆震范围也扩大，进而减弱燃烧的稳定性。因此，LPG 燃料特性决定舱温的有效控制对发动机动力性能的重要影响。

下舱,发动机冷却,模块设计,试验模型

速及热沉阶段中不同发动机冷却模块设计参数下舱内的散热情况（如图 1-4）。a）发动机舱简化模型 b）真实冷却模块和发动机体简化模型图1-3 不同发动机冷却模块设计参数下舱内的散热情况试验模型Fig.1-3 heat transfer experimental model at different engine cooling module design parameters图1-4 发动机体底部散热性能与空气速度场之间的关系（空气速度矢量场由 PIV 技术获得，风扇与发动机体距离 d=6cm，风扇转速 2800rpm）Fig.1-4 relationship between heat transfer performance and air velocity field of engine compartment

风扇,空气速度场,散热性能,发动机

图1-3 不同发动机冷却模块设计参数下舱内的散热情况试验模型Fig.1-3 heat transfer experimental model at different engine cooling module design parameters图1-4 发动机体底部散热性能与空气速度场之间的关系（空气速度矢量场由 PIV 技术获得，风扇与发动机体距离 d=6cm，风扇转速 2800rpm）Fig.1-4 relationship between heat transfer performance and air velocity field of engine compartment

【参考文献】