考虑活塞二阶运动的柴油机内冷油腔换热分析

作     者：樊俊辉 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国兴

授予年度：2022年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：活塞冷却 内冷油腔振荡换热 可视化试验 活塞温度场 活塞二阶运动 瞬态动力学 

摘      要：内燃机有着高热效率、低碳排放生命周期的优点,成为应用最为广泛的动力机械,具有难以替代的主导力。随着内燃机热效率不断突破,燃气燃烧产生的热量冲击对活塞等部件提出了更高的要求,活塞的强制振荡冷却已经成为活塞冷却优化设计研究的重要一环。在对内冷油腔振荡换热的研究中,多数会将活塞运动简化为简单往复直线运动,同时认为油腔的边界温度为恒定值,忽略了发动机转速工况对油腔边界温度的影响,具有一定的局限性。为此,本文基于活塞的瞬态动力学分析,提取了燃气冲击作用下的活塞运动特性曲线,同时将不同转速下的发动机外特性考虑到活塞温度场中,建立了考虑活塞二阶运动的多转速工况下的内冷油腔振荡换热对比分析模型。本文首先搭建了内冷油腔振荡运动可视化试验台,对流体计算模型进行了流动相似性验证,通过试验与仿真结果的对比,对仿真模型进行修正。同时,基于某型四冲程柴油机活塞,对发动机外特性工况下的活塞温度场进行了分析,在活塞温度场与油腔振荡换热的迭代计算中,获得各工况下内冷油腔边界温度条件,以及在此环境下的内冷油腔冷却换热能力。随后,对活塞进行了瞬态动力学分析,将缸盖、活塞组件、机体等相关部件进行装配,并添加适当的阻尼、接触刚度,匹配合适的接触算法,通过施加缸内压力数据以及转速驱动,实现活塞的缸内运动模拟。配合软件的用户自定义函数对内冷油腔的运动进行控制,完成简单往复运动与活塞二阶运动影响下的内冷油腔振荡换热的对比仿真。比较两种运动模式下的油液流动、壁面换热以及周向换热的特征,最终得到各工况转速下的内冷油腔换热能力的变化特性,提出在内冷油腔振荡换热研究中引入活塞二阶运动的必要性,为相关研究提供了一种新的思路。