第１７卷第２期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｂａｉｙｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 广 东 白云学院学报 Ｖ０ Ｊ＿１７ Ｎｏ．２ ２０１０年４月 Ａｐｒ．２０１０ 内燃机缸内传热研究进展综述 訾琨 ，黄永青 ，朱涛ｔ，龙志军 （１．广东白云学院机电工程系，广东广州５１０４５０； ２．宁波工程学院汽车系，浙江宁波３１５０１６） 摘 要：综述了国内外内燃机缸内传热的研究状况，分析了燃用含氧柴油ｆ碳酸二甲酯－５柴油混合油）后的 缸内辐射传热，对内燃机缸内传热未来的发展进行了展望。 关键词：柴油机；热平衡；传热；混合燃料 中图分类号：ＴＫ４文献标识码：Ａ 文章编号：粤０—１１０ｌ１（２０１０）０２—００４３—０５ 内燃机气缸中传热直接影响内燃机的动力 热研究已不再是采用纯实验归纳法，而是采用相 性，经济性，排放特性和可靠性，是内燃机发展及 似理论指导下的实验研究方法，其研究结果有相 研究中的一个重要方面。内燃机气缸中传热，具 对较广的适用性，代表性的有Ａｎｎａｎｄ．Ｗ，Ｗｏｓｃｈｎｉ． 备传热的三种基本方式，导热，对流和辐射，国外 Ｇ，等。 ３＿ 国内开展内燃机中的传热是近３０年开 在上世纪２０年代就已开始研究，［－ 代表性的有 始的，［ 有西安交通大学，大连理工大学，浙江 Ｎｕｓｓｅｌｔ．Ｗ．Ｅｉｃｈｅｌｂｅｒｇ，Ｇ等，主要是采用实验归纳 大学等。由于内燃机缸内的传热过程是极为复杂 法，研究结果较为局限。当时主要是研究缸内的 的一个多相的瞬变过程，涉及传热学，流体 对流换热（导热和对流的综合作用），由于内燃 力学，内燃机等领域，是一项难度很大的基础研 机缸内传热是一个极其复杂的瞬变过程，研究需 究，故虽然经过较长时期的研究，但至今对缸内 要深广的传热基本理论及极高的实验技术水平， 传热还没有一个完整清晰的认识，有一些缸内传 故受到当时传热学理论发展水平和实验技术条 热现象还无法阐述清楚。在以往的传热研究中， 件的，研究不能深入，一度处于停滞不前。直 由于难度大，未涉及缸内壁面边界层中的传热， 到上世纪５０年代后，随着传热理论的发展及实 而缸内壁面边界层中的传热对缸内总体传热起 验技术水平的不断提高，内燃机气缸中的传热又 着十分重要的影响，要深入了解缸内传热机理， 重新开始研究。 必须涉及热边界层中的传热。 一、内燃机缸内传热国内外研究现状 １．缸内壁面边界层中的传热 研究缸内热边界层的形成及其传热难度很 自上世纪６０年代以来，内燃机气缸中的传 大，至今国外虽有研究，但这方面的研究较少，且 收稿日期：２０１０—０３—０１ 作者简介：訾琨（１９４６一），男，山东淄博人，广东白云学院机电工程系，教授，研究方向为发动机Ｔ作过程，交通环境控制。 广还 够深入旧Ｉ』、Ｊ 安交通大学 东白云学院学报 家 然科学 第１７卷 以Ｌ所述的这些研究，主要是对缸内对流换 热的研究 Ｉ久】为在内燃机缸内传热研究中，开始 基金委的资助下。已ＪＩ：腮Ｊ 卡Ｈ火研究 ” 文献［９］分析Ｉｌ，缸内 面速度边界 卞¨热 边界层的形成过程，建立ｒ缸内近气缸盖 皿湍 流速度壁面 数和温度壁ｆ『ｊ 数，应Ｊ｛Ｊ建立的缸 内近气缸盖火力面湍流边界层的计箅模 ，研究 了边界层内的速度分布、温度分布及速度边界层 计缸内的辐射传热不太重视，认为缸内主要是对 流换热，辐射传热可以忽略＝随着研究的深入，通 过一・ 研究者的研究和实际测量，开始认识到缸 内辐射传热对柴油机不能忽视．特别是对大缸 住，高增压柴油机更是不能忽视，辐射传热通常 厚度和热边界层厚度，并将预测结果与拖动发动 机的实测值进行了比较，发现两者的趋势是一致 的。研究结果表明，速度边界层厚度和温度边界 层厚度与缸内气流速度和几何位置有关？气流速 度增大，边界层变薄，边界层的梯度增大；缸内气 缸盖壁面的不同几何位置处边界层厚度不同，距 燃烧室中心较远的 域，边界层较厚；在燃烧室 中心附近，边界层不稳定，对于内燃机气缸内近 壁面的流动，该文积分得到无量纲速度分布与温 度分布为： Ｙ’≤５０时， “‘：３．７３５９＋ｌｎ［（２．６７８６＋）’ ）／（１１２．２８５一）’ ）】 Ｙ‘＞５０时． “’＝２．４３７８１ｎ（ｙ’一Ｏ．３３２）－５．５９２２ Ｙ ≤５Ｏ时。 Ｔ‘：３．４９９＋ｌｎｆ（１．９２２２＋ｙ ）／（６３．５８８９一ｙ ）】 ），‘＞５０时， Ｔ ＝２．０７２５１ｎ（ｙ 一３．１３８５）一２３．１３３８ 其中５０为过渡点，其物理意义是它代表着有、无 粘性应力存在的边界。 为了研究柴油机缸内燃烧火焰对壁面热边 界层的影响，文献［１０］根据光学原理，研制开发 了贯穿式火焰温度传感器，并进行了实际测量， 试验及分析表明：贯穿式光纤传感器可以移动地 测量缸内沿壁面法线方向任一位置处的火焰温 度，较好地用于研究柴油机气缸内燃烧火焰对缸 内壁面热边界层的影响。检测发现，柴油机缸内 壁面不同位置处热边界层的形成规律是相同的， 但形成的热边界层厚度有所不同。燃烧火焰对热 边界层的影响主要存在于压缩上止点附近到燃 烧上止点后４０。ＣＡ左右的范围内。 要 到缸内总传热量的２５％～４０％左右。［１１，ｎ ２．柴油机缸内辐射传热 近ｌ０年来，缸内辐射传热也逐步被重视，但 相对缸内对流换热而言，这方面的研究还是相对 较少。闰内两安交通大学、浙江大学、华中理工大 学等已逐步开展了这方面的研究。［１３－１ 对柴油机 缸内辐射传热建立了数值计算模型，进行了 较全面的研究，对柴油机缸内辐射传热各参数进 行了定量的预测。 文献［１３］针对缸内不规则的几何形状，将计 算 域分为１０个表面区和４个气体区，建立了燃 烧模型、几何分区模型、辐射温度模型、碳粒浓度 模型、碳粒吸收系数模型、辐射全交换面积的蒙 特卡罗方法计算模型。 该文计算出通过缸内区域的辐射净传热量为： Ｑｉ＝∑Ｓｆｌ，ｏ。 一 ）＋∑ ｏ。（ ～ ）， 』一ｌ 』－１ １０ 总辐射净传热量为：Ｑ＝∑Ｑｉ。 文献［１４］［１５］分别对‘Ｉ）型燃烧室火力面 辐射热流量分布，用蒙特卡洛法结合气缸内辐射 多区模型进行了计算。结果一致表明，蒙特 卡罗方法为内燃机气缸内较为复杂完善的多区 辐射热流量计算模型，提供了一种有效的计 算手段，进行了有益的尝试。 文献［１６］通过实验，实测了气缸内辐射和火 焰辐射热流量，在此基础上研究了气缸内气体辐射 第２期 訾琨，黄永青，朱涛，龙志军：内燃机缸内传热研究进展综述 ・４５・ 传热及其随负荷和转速变化的规律，分析了气体辐 射热流量占气缸内辐射热流量和总热流量的比例 随负荷和转速变化的规律。研究表明：气体辐射热流 量随负荷的增加而增大，随转速的升高而减小，气 体辐射热流量约占辐射热流量的１５％～３０％左右， 此比例随负荷的减小、转速的升高而增大。 西安交通大学开始进行研究，其主要研究内容为 柴油机燃用不同ＤＭＣ添加比例下的混合燃料 后，对缸内辐射传热的影响及其变化过程。＿】 近年来，作者与两安交通大学汽车系合作， 对使用柴油机燃用柴油和碳酸二甲脂（ＤＭＣ）混 合燃料后，柴油机缸内传热规律和热效率以及动 力性进行了研究。研究结果表明：燃用柴油和 二、柴油机燃用含氧柴油（碳酸二甲酯 与柴油混合油）缸内辐射传热研究 进入２０世纪９０年代以来，由于柴油机良好 的动力性和经济性，作为城市公交汽车和轿车的 动力应用越来越广泛，但柴油机的碳烟微粒排放 高，对城市污染带来较大的影响。随着对碳粒排 放的标准越来越严格，各国研究１二作者都在 做不懈的努力，寻找各种降低柴油机碳粒排放的 方法，在柴油机中使用柴油和含氧燃料的混合燃 料能有效降低碳粒排放，同ｆｔ寸也可以抑制ＮＯ、的 生成量，如：添加碳酸二甲脂（ＤＭＣ），二甲醚 （ＤＭＥ），二甲氧基甲烷（ＤＭＭ）等 柴油机缸内辐射主要足火焰中的悬浮碳粒 产生的火焰辐射。碳酸二甲酯（ＤＭＣ）是一种 氧量较高（５３．３％）的燃料，柴油中添加ＤＭＣ后， 缸内碳粒生成量大幅度降低，因此，将导致缸内 辐射传热量的减少，同时提高柴油机的热效率以 及使缸内传热规律发生变化。为了解柴油机燃用 柴油和ＤＭＣ混合燃料后的缸内传热规律，需开 展对柴油机燃用柴油和ＤＭＣ混合燃料后缸内辐 射传热的研究。 柴油中添加ＤＭＣ的研究，始于上世纪９０年 代后期，主要是研究柴油中添加ＤＭＣ后对柴油 机性能及排放的影响。国内在这方面的研究基本 上和国外同步，两安交通大学、上海交通大学、华 中理工大学都开展了这方面的研究。［１７，１８ 但对于 柴油机燃用柴油和ＤＭＣ混合燃料后，缸内辐射 传热的研究，国外至今尚未见研究报导，国内仅 ＤＭＣ混合燃料后，碳烟生成量减少约５０％左右， 从而导致缸内辐射传热量及传热损失减少，而缸 内辐射传热量的减少导致缸内传热损失减少。缸 内辐射传热减少，主要是ＤＭＣ中含氧量高，在雾 化核心等燃料浓度高的区域，减弱了燃料缺氧燃 烧的几率，使碳粒生成量减少，碳粒减少量约 ５０％左右，从而使火焰辐射传热减少，而气体辐 射的影响是很小的（如图ｌ，２，３所示）。在ＤＭＣ 添加比为１５％Ｈ￣，缸内辐射传热量下降２０％，而 辐射传热量约占缸内总传热量的１２％，故缸内辐 射传热量的下降幅度占缸内总传热量的２．４％。 Ｏ．５ 一 Ｏ．４５ ０．４ ０．３５ ０．３ 槎 Ｏ．２５ Ｏ ５ １０ ｌ５ ２０ ＤＭＣ添加比例（％） 图１不同ＤＭＯ添加比下的碳粒发射率 虚翻 卷一０．０３ 辞ｉ 姜 ０搴 ．０２ Ｏ ５ １０ １５ ２０ ＤＭＣ添加比例（％） 图２不同ＤＭＣ添加比下的火焰辐射传热量 广东白云崧 蒂霎 ＤＭＣ添加比例（％） 图３气体辐射传热量随ＤＭＣ添加比的变化 通过对柴油机燃用柴油和ＤＭＣ混合燃料后 缸内传热研究表明，燃用混合燃料后，含氧量的 增加使缸内燃烧改善及缸内辐射传热量减少，柴 油机的热效率提高，在添加比２０％范围内，热效 率随ＤＭＣ添加比增加而提高，在添加比１５％ｓ￣， 热效率提高最多，达３％左右，如图４所示。 ０ ５ １ ０ １ ５ ２０ ＤＭＣ舔加比例（％） 图４不同ＤＭＣ添加比下的柴油机有效 热效率曲线（８ｋＷ，２０００ｆｆｍｉｎ） 对于热效率提高的原因，长期以来一直认为 是燃用混合燃料后，含氧量的增加使缸内燃烧改 善，从而提高了柴ｆｌ￣ＪＬ的热效率。 作者进行的热平衡实验表明， 燃用混合燃 料后，在添加比ｌ５％时，冷却水带走的热量减少 占总热量的２．５２％，排气带走的热量减少占总热 量的０．５６％。排气带走的热量减少，主要是燃烧 改善转化为有效功的比例增加所致；冷却水带走 的热量减少，主要是缸内传热量的减少转化为有 效功的比例增加所致；冷却水带走的热量和排气 带走的热量减少的总和与热效率的提高相当。由 学院学报 第１７卷 此可得出结论：燃用混合燃料后，柴油机热效率 提高主要是由于碳粒生成量减少，导致缸内火焰 辐射传热量减少，使缸内传热损失减少所致，而 燃烧改善的影响较小。研究得出的这一结论纠正 了长期以来认为是缸内燃烧改善提高了柴油机 热效率的错误认识。 三、结束语 通过内燃机研究］二作者不断对缸内换热， 缸内壁面热边界层的形成及传热、缸内辐射传 热的研究，对内燃机缸内的传热逐步有了较完 整清晰的认识。内燃机缸内传热已成为内燃机 领域中一个重要分支学科，其对提高内燃机的 动力性、经济性、可靠性以及降低有害排放有 重要意义。但对学科的发展而言，对缸内壁面 热边界层中的传热及其对缸内整体传热的影 响以及缸内辐射传热的规律及传热所占的分 量，还需进一步深人研究，以进一步充实、完整 该分支学科。 参考文献： ［１］ＮＡＳＳＥＬＴ Ｗ Ｄｅｒ．ｗａｒｍｅ ｎ ｂｅｒｇａｎｇ ｉｎ ｄｅｒ ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇｓｋｒａｆｔ— ｍａｓｃｈｉｔ１ Ｊ．ＶＤＩ Ｆｏｒｓｅｈｕｎｇｓｈｅｆｔ， １．２６４，１９２３． ［２］ＥＩＣＨＬＢＥＲＹ Ｃ．Ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ【ｌｌ１ ｏｌｄ ｒｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｐｒｎｂｌｅｍｓ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １４３，１９３９ ｌ ３］ＡＮＮＡＮＤ Ｗ Ｈｅａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｆ －ｌｉｎｄｅｒｓ ｏｆ ｒｅｃｉｐｒｔｘ ｒａｔ— ｉＪ１ｇ １Ｃ㈣ｇｊ”Ｐｓ ｌＪ１．Ｐｒ＋￣：ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔ ｏｆ Ｍｅｃｈ Ｅｎｇ． １￣，ｎｄｏｎ．１７７．１９６３ ’［４］ＨＯＨＯＮＢＥＲＹ （；． Ｆ． Ａ ｒ】、’ａＤｃｐ（Ｉ Ａｐｌ￣ｒｏａｅｈｅｓ ｆｏｒ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒａＩ ｒ｜ｕｌａｌｉｏｎ［ｅ１．ＳＡＥ ｐａｐｅｒ，１ ９７９，７９０８５２． ［５ Ｊ乌居董．刘若南．内燃机关瞬间热传导的预测，［１本机械学 会汗文集Ｂ篇ｌ Ｊ１．１９９０—１９９１，５６（５２１）：８９—００２９Ａ ［６］潘克煜，郭七一，肖永宁．柴油机然烧室壁面瞬时温度的研究 【Ｊ】内燃机＿＝『：程，１９８８，９（２）：２２—３０ ［７］张慎良，陈宁内燃机燃烧室丧面温度对瞬间传热的影ｎＲ ＬＪ］． 内燃机学报１９８９，７（４）：３６９—３７５． ［８］白敏丽，沈胜强，陈家骅等０舌塞环摩擦热对燃烧室部件偶合 系统的传热影响模拟研究ｆＪ Ｊ．内燃机学报，２００１，ｌ９ｆ３）： 第２期 ２２９－２３４． 訾琨，黄永青，朱涛，龙志军：内燃机缸内传热研究进展综述 究 内燃机学报．２０００，ｌ ８（２）：１２８—１３２ ．４７． ［９］刘明安，潘克煜，陈硕．柴油机缸内近气缸壁面边界层预洲模 型的研究Ｉ Ｊｌｌ内燃机学报，２００１，１９（３）：２０４—２０８ ［１５］陈硕．刘明安，潘克煜．多参数对柴油机缸内局部瞬态火焰 温度及碳粒浓度的影响＿Ｊｌｌ内燃机学报，２００１，１９（２）： ｌ２８一ｌ３２． ［１Ｏ］李建国，潘克煜，刘明安．柴油机缸内壁面热边界层的测量 及燃烧火焰影响的实验研究［Ｊ１．内燃机学．２００４．２２ｌ５ｌ： ４３９－４４３． ［１６］高天．潘克煜．陈飞“喷式柴油机缸内气体辐射传热的研 究ｌＪ１．两安交通大学学报２００６，１４０（３）：３０２—３０６ ［１ １］ＳＩＴＫＥ１ Ｇ ａｎｄ ＲＡＭＡＮＡＩＡＨ Ｇ Ａｒａｌｉ（）ｈａｌ ａｌ Ｉ１ｌｔｍｆ・ｈ ｉ ［１７］姚波，潘克煜，石科峰．柴油与碳酸二甲酸脂混合燃料的燃 烧与排放特性研究ｌ Ｊ１ｌ内燃机学报，２００３．２１（２）：１０１＿＿１０５． ［Ｉ８］张煜盛．ＲＥＡＤＥＲ Ｇ．Ｔ． 含氧清洁燃料ＤＭＣ在柴油机上 的应ｆ｝］研究ｌＪ１．华巾理【 大学学报，２０００，２８（７）：６８—７０． ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｌ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｉｔｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ【（ Ｊ． ＾Ｆ Ｐａｐｍ ７２００２７．Ｄｅｌｒｏｉｌ．１ ９７２． ［１２］ＥＢＥＲＳＯＩ Ｅ（ ． Ｍ、ｒｌ－ｓ，Ｐ．ａｎｆＩ Ｌ 、 ＥＨＡＲ （１． ｒｈｒ ｌ ｌｔＩｉａｎｌ ａｎｄ Ｐ０ｌＩＶｅｆ’ｍＰ（．ＯｌｌｌｐＯｌｌｅｌｌ｜Ｓ¨ｆ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ ｈｅａｌ ｆｒａｎ－ｔ￣ １ ［ｉ９ １， 科峰，潘克煜．柴油机燃用柴油～碳酸二甲酸脂（ＤＭＣ） 【Ｃｊ．ＳＡＥ，ｑｌｌｎｌｎｌｅｌ ＭｅｅｌｉｔＩｇ．Ｍｏｎｌｔｃａ］ Ｐａｐｅｌ ７０１Ｉ：． ］ｌｌｌｌｔ １９６３． 混合燃料时缸内辐射传热的变化ｆＪ１＿内燃机学报，２００４，２２ （３）：２２ｌ一２２６ ［１３］陈硕，潘范炮．刘明安．柴油机缸ｆ 辐射他热数值模 拟Ｉ ＪＩｌ燃烧科学 技术．１９９８．４（！）：ｌ１８一ｌ３６． ［１４］严兆人．陈红 Ａ啖 柴油机缸内热辐射模 的研 ｆ ２０］訾啦，黄永青．潘克煜．等．燃用含氧燃料对柴油机热量分配 影响的试验研究ｌＪ１．内燃机Ｔ程， ２００９（３０）：５． Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ＺＩ Ｋｕｎ ，ＨＵＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｑｉｎｇ：，ＺＨＵ Ｔａｎ ，ＬＯＮＧ ＺＨｉ－ｊｕｎ （１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｂａｉｙｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １ ０４５０，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ；２．Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎｉｎｇｂｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎｉｎｇｂｏ ３ １ ５０ １ ６，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｒｅｖｉｅｗｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ， Ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｏｆ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｎ ＤＭＣ／ｄｉｅｓｅｌ ｂｌｅｎｄ ｆｕｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｗａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｌａｎｃｅ；ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｂｌｅｎｄ ｆｕｅｌ （责任编辑：长河）
