内燃机的热负荷.ppt

第六章第六章 内燃机的热负荷内燃机的热负荷本章主要内容本章主要内容内燃机的热平衡内燃机的热平衡内燃机热流量的实际测量和计算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某些结构因素对零件温度的影响绝热发动机绝热发动机内燃机的热负荷内燃机的热负荷内燃机的经济性和可靠性内燃机的经济性和可靠性零件承受温度高零件承受温度高冷却带走热量少冷却带走热量少热效率高热效率高强度下降强度下降内燃机热负荷的含义内燃机热负荷的含义受热零件的温度受热零件的温度受热零件的温度差受热零件的温度差温度过高的危害温度过高的危害：1、零件材料在高温下强度降低；、零件材料在高温下强度降低；2、零件产生热裂或局部烧熔；、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；、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；、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。、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：表征内燃机热负荷的参数：热流量热流量：与换热系数和热传导条件有关。：与换热系数和热传导条件有关。零件上的每一点：零件上的每一点：该点的温度和周围的温度梯度该点的温度和周围的温度梯度。第一节第一节 内燃机的热平衡内燃机的热平衡热平衡热平衡：气缸中燃料燃烧放出的热量分配：气缸中燃料燃烧放出的热量分配情况。情况。例：例：柴油机柴油机转化为有效功：转化为有效功：3545%随废气排出：随废气排出：2545%润滑油带走：润滑油带走：68.5%冷却水带走：冷却水带走：1522%辐射热损失及其他热损失：其余辐射热损失及其他热损失：其余一、转化为有效功的热量一、转化为有效功的热量二、润滑油带走的热量二、润滑油带走的热量三、废气带走的热量三、废气带走的热量废气温度：排气过程中不断变化。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：排气过程中总的排气量的平均温度：废气按流量的平均温度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：四、冷却水带走的热量四、冷却水带走的热量Qch：通过缸盖传给冷却水的热量，占冷却水带走热量：通过缸盖传给冷却水的热量，占冷却水带走热量的的50%。Qcl：通过缸套传给冷却水的热量，占冷却水带走热量的：通过缸套传给冷却水的热量，占冷却水带走热量的3238%。1、Mackerle公式公式对对汽油机汽油机：对对柴油机柴油机：缺点缺点：未反映发动机结构因素和运转因素：未反映发动机结构因素和运转因素的影响。的影响。2、Kostin公式公式结构常数不能正确确定。结构常数不能正确确定。Sitkei进行改进：进行改进：试验用机：柴油机，试验用机：柴油机，D=110mm，S=140mm，=21第二节第二节 内燃机内燃机热流量热流量的实际测量和计算的实际测量和计算燃烧室表面温度波动法燃烧室表面温度波动法用热流量计法用热流量计法利用工作过程计算法利用工作过程计算法一、燃烧室表面温度波动法一、燃烧室表面温度波动法原理原理：在一个循环中气体和燃烧室壁面的：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的波动可解传热微分方程而求得局部热流量。量。二、用热流量计法二、用热流量计法原理原理：沿壁厚方向近似看作一维导热，：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。通过测量温度梯度来计算局部热流量。热流量计组成：热流量计组成：测量电偶测量电偶：NiCr-Ni热电偶，间距热电偶，间距18mm；测量体测量体：导热系数已知的非合金铸铁；：导热系数已知的非合金铸铁；尾部冷却室尾部冷却室：调节法兰外电偶温度；：调节法兰外电偶温度；薄法兰薄法兰：实现绝热层空气和燃气之间：实现绝热层空气和燃气之间的密封。的密封。测量值：测量值：T1、T2、T3、T4、T5、T6计算热流量：计算热流量：通过法兰存在温度差，修正：通过法兰存在温度差，修正：热流量计使用注意：热流量计使用注意：热流量计在发动机上使用一段时间后，其表面就热流量计在发动机上使用一段时间后，其表面就会会积碳，影响测量效果积碳，影响测量效果。积碳层先随时间而变厚，然后保持一定厚度。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：直喷式柴油机试验结果对比：三、利用工作过程计算三、利用工作过程计算发动机气缸中的传热是发动机气缸中的传热是不稳定传热不稳定传热过程：过程：简化计算，通常当做简化计算，通常当做稳定传热稳定传热过程来计算：过程来计算：1、根据示功图的压力曲线，用热力学方程求出温度、根据示功图的压力曲线，用热力学方程求出温度曲线。曲线。2、用放热系数的、用放热系数的计算公式，求计算公式，求h。右图为用右图为用Woschni公式公式求出的求出的h3、分别求、分别求hgm,(hgTg)m,Tres,q。第三节第三节 各种运转因素对受热零件温度的影响各种运转因素对受热零件温度的影响平均有效压力平均有效压力转速转速冷却水温度冷却水温度进气压力和进气温度进气压力和进气温度供油提前角或点火提前角供油提前角或点火提前角爆震爆震扫气压力和排气背压扫气压力和排气背压一、平均有效压力的影响一、平均有效压力的影响主要因素：循环供油量的变化。主要因素：循环供油量的变化。柴油机柴油机：负荷：负荷，循环供油量，循环供油量，总燃烧量，总燃烧量，零，零件温度件温度。公式公式非增压柴油机非增压柴油机：温度在标定值下线性上升，超过：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；标定值后上升加剧，曲线上翘；增压柴油机增压柴油机：过量空气系数变化不大，线性上升。：过量空气系数变化不大，线性上升。风冷柴油机风冷柴油机：随：随pme增加没有增加冷却空气增加没有增加冷却空气量，所以温度上升急剧。量，所以温度上升急剧。汽油机汽油机：节气门调节负荷，单位质量的热：节气门调节负荷，单位质量的热容量基本保持不变，零件温度随容量基本保持不变，零件温度随pme变化比变化比较平缓。较平缓。1、pme对活塞温度的影响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。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式2、pme对缸盖温度的影响对缸盖温度的影响缸盖温度随缸盖温度随pme变化比活塞变化比活塞急剧。急剧。3、pme对预燃室、涡流室及镶块温度的影响对预燃室、涡流室及镶块温度的影响非增压柴油机上呈线性关系。非增压柴油机上呈线性关系。不同位置上变化幅度不同。不同位置上变化幅度不同。4、对缸套温度的影响、对缸套温度的影响上部上部：受燃气冲击强烈，：受燃气冲击强烈，随随pme变化显著；变化显著；中下部中下部：受燃气冲击较：受燃气冲击较弱，冷却好，变化幅度弱，冷却好，变化幅度小。小。5、pme对排气门温度的影响对排气门温度的影响排气门温度随排气门温度随pme变化幅度最大。变化幅度最大。二、转速的影响二、转速的影响主要因素主要因素：单位时间的燃料变化量和放热系数。：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；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。气体的流动速度上升，放热系数增大。柴油机柴油机：非增压非增压：转速和单位时间内燃烧次数成正比，和过量空：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，气系数成反比，零件温度变化急剧零件温度变化急剧。增压增压：燃烧次数正比，过量空气系数正比，二者影响抵：燃烧次数正比，过量空气系数正比，二者影响抵消，消，零件温度变化平缓零件温度变化平缓。汽油机汽油机：零件的温度变化与转速呈：零件的温度变化与转速呈线性关系线性关系。1、n对活塞温度的影响对活塞温度的影响2、n对缸盖温度的影响对缸盖温度的影响3、n对缸套温度的影响对缸套温度的影响缸套温度随转速变化缸套温度随转速变化比活塞、缸盖平缓；比活塞、缸盖平缓；不同位置温度变化有不同位置温度变化有差异：上部变化比下差异：上部变化比下部显著。部显著。4、n对排气门温度的影响对排气门温度的影响排气门温度由排气门温度由过量空过量空气系数气系数决定。决定。增压机增压机，转速降低时，转速降低时，空气量下降更快，过空气量下降更快，过量空气系数下降，温量空气系数下降，温度升高。度升高。三、三、pme和和n影响的分析比较影响的分析比较pme和和n越高，发动机的热负荷也越高；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，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。处在有利条件。增压柴油机增压柴油机：在相同功率下，高：在相同功率下，高pme、低、低n比比低低pme、高、高n零件的温度高；零件的温度高；非增压柴油机非增压柴油机：在相同功率下，：在相同功率下，高高pme、低、低n热负荷较低。热负荷较低。四、冷却水温度的影响四、冷却水温度的影响影响：冷却水温上升，带走热量少，零件影响：冷却水温上升，带走热量少，零件温度上升。温度上升。活塞、缸盖活塞、缸盖：各个不同位置的温度随冷却：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。水温的变化幅度基本相同，并呈线性关系。缸套缸套：各部位变化幅度不同，但都呈线性：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。关系；上部影响小，下部影响大。排气门排气门：与冷却水状态有关，核状沸腾时：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。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、活塞、缸盖的温度变化2、缸套、排气门的温度变化、缸套、排气门的温度变化五、进气压力和进气温度的影响五、进气压力和进气温度的影响主要因素主要因素：影响过量空气：影响过量空气系数，进气压力对放热系系数，进气压力对放热系数有一定影响。数有一定影响。过量空气系数增加（一定过量空气系数增加（一定范围内），循环平均温度范围内），循环平均温度降低，燃烧速度加快，传降低，燃烧速度加快，传到壁面热量减少，零件温到壁面热量减少，零件温度下降。度下降。进气压力增加进气压力增加：过量空气系数增加，温度下降；：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。燃气对壁面的放热系数增大，温度上升。进气温度增加进气温度增加：过量空气系数减小，温度上升。：过量空气系数减小，温度上升。几点结论：几点结论：过量空气系数对零件温度有较显著的影响；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；不变；加强中冷对降低零件温度有较显著的影响。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六、供油提前角或点火提前角的影响的影响：1 1、着火燃烧时间提前，压缩负功、着火燃烧时间提前，压缩负功，功率，功率：为了保持功率：为了保持功率，GbGb。2 2、pzpz，h h。所以：受热零件温度所以：受热零件温度。柴油机受热零件温度随柴油机受热零件温度随变化规律视具体型式不同。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汽油机活塞温度随点火提前角的变化关系活塞温度随活塞温度随增加而线性增增加而线性增加，随负荷下加，随负荷下降，其斜率变降，其斜率变小。小。排气门的温度变化与其他零件不同排气门的温度变化与其他零件不同：1 1、燃烧过程传递给排气、燃烧过程传递给排气门热量门热量；2 2、排气开始时，燃气温、排气开始时，燃气温度压力比度压力比小时低，排小时低，排气过程中传给排气门热气过程中传给排气门热量量。综合：综合：排气门温度随排气门温度随变化不大或减小变化不大或减小。柴油机上试验柴油机上试验：供油提：供油提前角前角13231323，排气，排气门温度变化：门温度变化：540546540546。右图：汽油机实例。右图：汽油机实例。七、爆震对受热零件温度的影响七、爆震对受热零件温度的影响爆震：汽油机的异常燃烧，爆震：汽油机的异常燃烧，压力峰值特别高，伴随强烈压压力峰值特别高，伴随强烈压力波动力波动。压力压力压力波动压力波动放热系数放热系数零件温度零件温度危害区域危害区域：火花塞附近燃烧室壁面温度随爆震而：火花塞附近燃烧室壁面温度随爆震而，长期承，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。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八、扫气压力和排气背压的影响过量空气系数过量空气系数，扫气压力扫气压力：输出功：输出功率率，零件温度，零件温度。排气系统背压排气系统背压：压：压缩初始温度缩初始温度，循环，循环平均温度平均温度，活塞温，活塞温度度。第四节第四节 某些结构因素对零件温度的影响某些结构因素对零件温度的影响一、压缩比一、压缩比 ，pz，h，零件温度，零件温度。实实例：柴油机缸盖、活塞温度随例：柴油机缸盖、活塞温度随变变化。化。缸盖缸盖：不同位置：不同位置变变化幅度不同。受燃气影化幅度不同。受燃气影响响剧剧烈区域烈区域变变化幅度大。化幅度大。活塞活塞：随：随，温度略有，温度略有。二、喷油器孔数和喷孔直径二、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：试验：柴油机上采用三种规格喷油器：40.37、40.40、50.35。试验结果试验结果：对改善热应力，喷油压力的影响大于燃料对改善热应力，喷油压力的影响大于燃料空间分布度的影响；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，涡流强度对燃烧室壁面温度有一定影响，涡流强时壁面温度涡流强时壁面温度。注意注意：喷油角度对缸盖火力面的影响：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油束与邻近燃烧室壁面接触会缸盖火力面缸盖火力面温度；温度；增加缸盖底面与油束距离可使缸盖火力面增加缸盖底面与油束距离可使缸盖火力面温度显著温度显著。第五节第五节 绝热发动机绝热发动机热力学意义热力学意义：无热损失的发动机。：无热损失的发动机。目前所指目前所指：无通常强制冷却系统，并尽量将热损失减至最：无通常强制冷却系统，并尽量将热损失减至最小。小。一、兴起与发展一、兴起与发展1、兴起：、兴起：1974年年，英国皇家海军工程学院。，英国皇家海军工程学院。反应烧结氮化硅反应烧结氮化硅活塞。活塞。试验用机：试验用机：4冲程水冷柴油机（冲程水冷柴油机（DS=108152.4mm）Pe=9kw/(1100r/min)，50小时满负荷试验。小时满负荷试验。2、发展、发展英国英国：发展缓慢。：发展缓慢。Ricardo公司：应用计算机技术对绝热发动机性能进公司：应用计算机技术对绝热发动机性能进行了预测和评价。行了预测和评价。巴斯大学：巴斯大学：a、进行燃烧分析计算、性能预测；、进行燃烧分析计算、性能预测；b、采用空气隔热层来隔热。、采用空气隔热层来隔热。美国：美国：Cummins公司：公司：1974年，技术论证；年，技术论证；1975年，与陆军坦克机动车辆局合作；年，与陆军坦克机动车辆局合作；1979年，直列年，直列6缸机改为涡轮复合增压绝热发动机。缸机改为涡轮复合增压绝热发动机。台架试验台架试验：节油：节油14.8%。将改装机将改装机应用在商用车上应用在商用车上，横跨美国，横跨美国80465km试车，试车，无停车故障，节油无停车故障，节油15.92%。1982年，年，改进改进多缸不冷却发动机：多缸不冷却发动机：体积体积0.5m，重量，重量126kg，零部件，零部件361个。个。绝热：燃烧系统用氧化锆基陶瓷材料喷涂覆盖。绝热：燃烧系统用氧化锆基陶瓷材料喷涂覆盖。试验：试验：5吨级军用卡车，吨级军用卡车，4828km，无故障。，无故障。日本日本：实用化政策，应用在小型车上。：实用化政策，应用在小型车上。小松制作所小松制作所：19761978年，绝热涡轮复合柴油机。年，绝热涡轮复合柴油机。机型：直机型：直6，四冲程水冷增压，四冲程水冷增压，DS=105125mm，技术：氧化锆涂层，技术：氧化锆涂层，0.51.0mm，试验：试验：500小时台架试验，无故障，小时台架试验，无故障，42%48%42%48%，Q Q散散40%40%。三菱重工三菱重工：1983年，年，T1.8发动机，在涡轮转子、缸套、活发动机，在涡轮转子、缸套、活塞顶、燃烧室顶、气门采用陶瓷材料绝热。塞顶、燃烧室顶、气门采用陶瓷材料绝热。京都陶瓷京都陶瓷：精细陶瓷业：工程陶瓷：精细陶瓷业：工程陶瓷发动机部件。发动机部件。二、研究的主导思想二、研究的主导思想绝热发动机有更高的热效率绝热发动机有更高的热效率。1、研究的主导思想：、研究的主导思想：军用动力军用动力为主：为主：1）、）、be，储油量，储油量，行程，行程，作战时间，作战时间；2）、结构简化：维修量）、结构简化：维修量；体积、重量；体积、重量，作战，作战性能性能；设计时不受冷却系统限制。；设计时不受冷却系统限制。一般民用动力一般民用动力为主：为主：1）、）、be；2）、陶瓷零件代替合金材料，成本）、陶瓷零件代替合金材料，成本。2、分类、分类绝热燃烧式绝热燃烧式：优点：取消冷却优点：取消冷却系，节约了功率；系，节约了功率；缺点：无冷却系，缺点：无冷却系，tw，充气效率，充气效率，废气带走能量废气带走能量。绝热涡轮复合增压式绝热涡轮复合增压式：废气带走能量废气带走能量增压器增压器涡轮涡轮动力传给曲轴动力传给曲轴 进气增压进气增压三、性能预测三、性能预测预测模型预测模型：英国帝国理工学院：英国帝国理工学院Dr.Watson，控制容积模型控制容积模型。模型不同，预测结果不同：模型不同，预测结果不同：Watson：be极限为极限为20%；Kamo（Cummins）：）：23.4%；Zapf（原西德）：（原西德）：12.8%。预测不准的原因预测不准的原因：预测模型缺少充分的数据基础；预测模型缺少充分的数据基础；不冷却发动机散热量不好确定；不冷却发动机散热量不好确定；辐射传热不好确定。辐射传热不好确定。四、设计四、设计设计内容设计内容：绝热燃烧室：绝热燃烧室 涡轮复合增压系统涡轮复合增压系统隔热方法隔热方法：全陶瓷零件全陶瓷零件 部分陶瓷隔热层部分陶瓷隔热层 零件受热表面喷涂绝热材料零件受热表面喷涂绝热材料1、活塞、活塞整体陶瓷制作活塞少，多采用一个隔热顶。整体陶瓷制作活塞少，多采用一个隔热顶。关键关键：采用何种方式将隔热顶和基体连接。：采用何种方式将隔热顶和基体连接。螺栓连接螺栓连接 紧配合紧配合喷涂喷涂：技术简单，应考虑涂层厚度。：技术简单，应考虑涂层厚度。薄：隔热效果差；薄：隔热效果差；厚：易剥落；厚：易剥落；一般：一般：5mm。2、缸套、缸套复合缸套复合缸套：氧化锆：氧化锆-铁制成，两段式，中间铁制成，两段式，中间隔热板隔开；隔热板隔开；内衬缸套内衬缸套：整体嵌入：稳定氧化锆内衬；整体嵌入：稳定氧化锆内衬；内喷涂：厚度内喷涂：厚度2.54mm，氧化锆覆层。，氧化锆覆层。3、燃烧室顶部燃烧室顶部（缸盖）（缸盖）缸盖隔热板缸盖隔热板喷涂陶瓷层喷涂陶瓷层4、气门气门整体式（不太成功）整体式（不太成功）气门端面：喷涂陶瓷层气门端面：喷涂陶瓷层5、排气道、排气管排气道、排气管机械负荷小，热负荷高；机械负荷小，热负荷高；一般内嵌衬套。一般内嵌衬套。五、材料五、材料要求要求：耐高温：耐高温1800k，断裂韧性好，抗弯强度高，导热，断裂韧性好，抗弯强度高，导热率小，膨胀系数适当。率小，膨胀系数适当。1、碳化硅碳化硅：优点：硬度高，可作高温、高摩擦零件的绝热材料；优点：硬度高，可作高温、高摩擦零件的绝热材料；缺点：导热系数大，膨胀系数大，弯曲强度小，不适缺点：导热系数大，膨胀系数大，弯曲强度小，不适用于缸套、活塞。用于缸套、活塞。2、氮化硅氮化硅：反应烧结氮化硅、热压氮化硅（常用）、常压烧结氮反应烧结氮化硅、热压氮化硅（常用）、常压烧结氮化硅、高温等压烧结氮化硅。化硅、高温等压烧结氮化硅。3、氧化锆氧化锆：导热系数小，膨胀系数大，抗腐蚀性能好，但：导热系数小，膨胀系数大，抗腐蚀性能好，但随温度随温度，强度，强度。4、Syalon材料：硅、铝、氧、氮复合制成。材料：硅、铝、氧、氮复合制成。价格低，强度高。价格低，强度高。特点：优异的抗蠕变、抗氧化、抗高温性能；加工方法特点：优异的抗蠕变、抗氧化、抗高温性能；加工方法多，应用广泛。多，应用广泛。总结总结：陶瓷材料缺点：陶瓷材料缺点：1）易脆性：容易应力集中，出现裂纹；）易脆性：容易应力集中，出现裂纹；2）加工性能不好，易内部缺陷。）加工性能不好，易内部缺陷。需解决问题：需解决问题：1）改善其脆性，提高抗蠕变断裂特性；）改善其脆性，提高抗蠕变断裂特性；2）发展制造技术，使之批量化稳定生产。）发展制造技术，使之批量化稳定生产。六、绝热发动机面临的问题六、绝热发动机面临的问题高温摩擦高温摩擦：第一道环槽温度如何降低；第一道环槽温度如何降低；高温润滑高温润滑：润滑油工作温度润滑油工作温度600，一般润滑剂无，一般润滑剂无法使用。法使用。本章小结本章小结内燃机的热平衡内燃机的热平衡内燃机热流量的实际测量和计算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（各种运转因素对受热零件温度的影响（7个）个）某些结构因素对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的分类及型式，受热零件如何绝热绝热发动机的分类及型式，受热零件如何绝热作业作业各个运转因素对零件温度有何影响？各个运转因素对零件温度有何影响？绝热发动机的含义是什么？绝热发动机的含义是什么？内燃机热平衡的含义及热量分配情况？内燃机热平衡的含义及热量分配情况？