【摘要】：清潔燃?xì)恻c(diǎn)燃式大缸徑發(fā)動機(jī)火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?當(dāng)量比燃燒時(shí)發(fā)動機(jī)排溫高、熱負(fù)荷大、艙溫高的問題,是當(dāng)前制約節(jié)能環(huán)保清潔燃?xì)獍l(fā)動機(jī)在城市公交客車上普及使用的瓶頸問題之一。本文以某款典型的后置式LPG城市公交客車發(fā)動機(jī)艙為研究對象,提出艙內(nèi)多場耦合強(qiáng)化散熱原理及其方法,這對于探索含多種熱源、流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動機(jī)艙內(nèi)強(qiáng)化散熱新方法具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。論文主要從艙內(nèi)散熱器總成區(qū)域VTGM強(qiáng)化散熱、發(fā)動機(jī)工作區(qū)域TFH強(qiáng)化散熱、艙內(nèi)多場耦合強(qiáng)化散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)內(nèi)流場紅外成像實(shí)驗(yàn)分析等方面,完成研究工作、獲得重要結(jié)論:散熱器總成區(qū)域VTGM強(qiáng)化散熱原理及其方法研究。為了解決艙內(nèi)散熱器傳熱有效度低的問題,提出散熱器總成區(qū)域換熱邊界空氣流動速度與溫度梯度矢量最優(yōu)匹配強(qiáng)化散熱原理及其方法(簡稱VTGM強(qiáng)化散熱原理及其方法),推導(dǎo)獲得最佳的換熱邊界空氣速度和溫度梯度�；谠搹�(qiáng)化散熱方法,從散熱器總成方位、格柵傾斜角度等方面對散熱器總成區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),低速大扭矩工況仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)中散熱器換熱邊界空氣速度和溫度梯度矢量平均夾角相比于典型結(jié)構(gòu)減小36.79%,空氣平均流速提高約1.5倍,散熱器傳熱有效度提高16.80%。發(fā)動機(jī)工作區(qū)域TFH強(qiáng)化散熱原理及其方法研究。針對艙內(nèi)發(fā)動機(jī)工作區(qū)域空氣流道核心流區(qū)溫度梯度大而降低艙內(nèi)冷卻空氣散熱能力的問題,提出空氣流道核心流區(qū)溫度場均勻化強(qiáng)化散熱原理及其方法(簡稱TFH強(qiáng)化散熱原理及其方法),以該區(qū)域空氣流道核心流區(qū)溫度梯度最小化為優(yōu)化目標(biāo),獲得最佳空氣流道速度矢量場和流動路徑,通過增加流道核心流區(qū)溫度場均勻區(qū)的范圍,使熱邊界層變薄、層內(nèi)溫度梯度增加、熱阻減小,強(qiáng)化換熱的同時(shí)使流道內(nèi)熱空氣以理想路徑散出艙外。依據(jù)流道溫度梯度“核心流最小-熱邊界最大”強(qiáng)化散熱原則,從進(jìn)風(fēng)口位置和艙頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),低速大扭矩工況仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)空氣流道平均溫度下降21.53%,核心流區(qū)平均溫度梯度下降63.42%,發(fā)動機(jī)體及發(fā)動機(jī)蓋散熱系數(shù)分別提高到5.46倍和3.48倍。清潔燃?xì)饪蛙嚢l(fā)動機(jī)艙多場耦合強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)研究。根據(jù)清潔燃?xì)饪蛙嚢l(fā)動機(jī)艙內(nèi)高溫部件與冷卻空氣間散熱原理的不同,發(fā)動機(jī)艙可分為散熱器總成區(qū)域和發(fā)動機(jī)工作區(qū)域兩大區(qū)域。針對艙內(nèi)兩大區(qū)域的綜合強(qiáng)化散熱,進(jìn)行強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),仿真結(jié)果表明,相比于典型結(jié)構(gòu),強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)的散熱器換熱邊界空氣速度和溫度梯度矢量平均夾角減小34.32%,散熱器傳熱有效度提高14.52%,發(fā)動機(jī)工作區(qū)域流道空氣平均溫度下降23.20%,核心流區(qū)平均溫度梯度下降67.26%,發(fā)動機(jī)體和發(fā)動機(jī)蓋散熱系數(shù)分別提高到5.46倍和4.04倍�；诩t外成像技術(shù)的清潔燃?xì)饪蛙嚢l(fā)動機(jī)艙溫度場實(shí)驗(yàn)研究。針對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)單點(diǎn)溫度傳感器檢測不能獲得艙內(nèi)空氣連續(xù)溫度場信息的問題,以LPG城市公交客車發(fā)動機(jī)艙典型結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)為研究對象,設(shè)計(jì)與開發(fā)了基于紅外成像技術(shù)的LPGB發(fā)動機(jī)艙溫度場實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對發(fā)動機(jī)艙半封閉空間內(nèi)溫度場進(jìn)行多工況、無干擾、可視化測量。分析五種工況中、艙內(nèi)紅外成像溫度場時(shí)間序列,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)與典型結(jié)構(gòu)相比,發(fā)動機(jī)工作區(qū)域空氣流道換熱邊界的溫度梯度大,核心流區(qū)溫度梯度小,符合溫度梯度“核心流最小-熱邊界最大”強(qiáng)化散熱原則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與典型結(jié)構(gòu)相比,強(qiáng)化散熱綜合結(jié)構(gòu)散熱器進(jìn)水溫度最多下降10.8%,發(fā)動機(jī)高溫部件溫度最多降低25.4%。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U464
【圖文】：

CO 與 HC 排放低，并且其高辛烷值有助于提升發(fā)動機(jī)壓縮比，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的功率和熱效率[1，2]。然而，LPG 著火溫度高、火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷�，相比于汽�?空氣層流火焰39-47cm/s 的傳播速度，LPG 最大火焰?zhèn)鞑ニ俣葍H為 38 cm/s。LPG 城市公交客車發(fā)動機(jī)采用單點(diǎn)噴射、進(jìn)氣總管混合和缸內(nèi)點(diǎn)火工作方式， LPG 燃?xì)恻c(diǎn)燃式大缸徑發(fā)動機(jī)功率大、行程長、燃燒持續(xù)期長，影響混合氣的充分燃燒，當(dāng)量比下容易引起發(fā)動機(jī)排溫過高、爆震傾向增加，發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷大，對 LPG 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)艙內(nèi)散熱提出更高要求。再者，LPG 以氣態(tài)進(jìn)入氣缸時(shí)必然占用部分氣缸容積，如進(jìn)氣溫度過高、會使發(fā)動機(jī)充氣效率降低，進(jìn)而影響 LPG 點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。圖 1-1(a)、(b)為 LPG發(fā)動機(jī)在不同進(jìn)氣溫度、壓縮比及當(dāng)量比的燃燒性能比較[3，4]。如圖 1-1 所示，混合氣的正常燃燒界限隨壓縮比的增大而擴(kuò)展，同時(shí)，隨可燃混合氣的進(jìn)氣溫度增高，爆震范圍也擴(kuò)大，進(jìn)而減弱燃燒的穩(wěn)定性。因此，LPG 燃料特性決定艙溫的有效控制對發(fā)動機(jī)動力性能的重要影響。

速及熱沉階段中不同發(fā)動機(jī)冷卻模塊設(shè)計(jì)參數(shù)下艙內(nèi)的散熱情況（如圖 1-4）。a）發(fā)動機(jī)艙簡化模型 b）真實(shí)冷卻模塊和發(fā)動機(jī)體簡化模型圖1-3 不同發(fā)動機(jī)冷卻模塊設(shè)計(jì)參數(shù)下艙內(nèi)的散熱情況試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1-3 heat transfer experimental model at different engine cooling module design parameters圖1-4 發(fā)動機(jī)體底部散熱性能與空氣速度場之間的關(guān)系（空氣速度矢量場由 PIV 技術(shù)獲得，風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)體距離 d=6cm，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 2800rpm）Fig.1-4 relationship between heat transfer performance and air velocity field of engine compartment

圖1-3 不同發(fā)動機(jī)冷卻模塊設(shè)計(jì)參數(shù)下艙內(nèi)的散熱情況試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1-3 heat transfer experimental model at different engine cooling module design parameters圖1-4 發(fā)動機(jī)體底部散熱性能與空氣速度場之間的關(guān)系（空氣速度矢量場由 PIV 技術(shù)獲得，風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)體距離 d=6cm，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 2800rpm）Fig.1-4 relationship between heat transfer performance and air velocity field of engine compartment

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2762761