低散热发动机中射流火焰与活塞壁面相互作用过程中的瞬态传热机理研究

In principle, a heat-insulated diesel piston can significantly decrease the heat loss, accordingly improving the brake efficiency of a diesel engine. In practice, however, the engine test results are not ideal. The probable cause is the changed wall conditions of the heat-insulated piston exert an influence on the jet flame impingement heat transfer, but the influence mechanism is not completely clear. To this end, a wireless fidelity telemetry system is developed firstly for measuring the transient temperature of the piston crown. Based on the measured temperature data, the corresponding transient heat transfer is calculated. More specifically, the temporal/spatial distribution of the heat transfer, and its components including convection and radiation is discussed further. Secondly, based on a constant volume combustion bomb and advanced optical measurement technologies, some representative parameters of diesel fuel jet flame impingement heat transfer, such as the ignition delay, flame shape, luminous intensity, quenching distance and so on, are analyzed. Afterwards, the effects of the wall conditions on the diesel fuel jet flame impingement heat transfer are discussed, including convection and radiation, to elucidate the mechanism of the jet flame impingement heat transfer in the heat-insulated piston. These investigations will provide some theoretical supports for developing a heat transfer model of the heat-insulated piston.

从原理上讲，对柴油机活塞表面进行隔热处理，可以显著减少柴油机的散热损失，提高柴油机的有效效率。然而，实际发动机的试验效果却并不理想，甚至截然相反，其原因是低散热活塞的壁面条件会影响射流火焰与壁面之间的传热过程，但影响的规律、路径和机制还不完全清楚。为此，本申请首先基于一台单缸柴油机，研制活塞顶壁面瞬态温度遥测系统，建立活塞顶壁面瞬态传热量的测量方法与计算模型，明确低散热活塞顶壁面传热量在时间、空间、成分上的变化规律。其次，基于定容燃烧弹试验平台和先进的光学测试技术，测定低散热活塞壁面条件对射流火焰的滞燃期、火焰形态、发光强度、淬熄距离、热物性参数、边界层厚度及其内部温度梯度等参数的影响规律，分析低散热活塞的壁面条件对射流火焰撞壁过程中对流换热量和辐射换热量的影响路径和影响机制，阐明射流火焰与活塞壁面相互作用过程中的瞬态传热机理，为发展适用于低散热发动机的传热分析模型提供有效的理论支撑。

围绕低散热发动机活塞壁面的瞬态传热问题，从传感器件、测试设备、测试方法、计算模型、传热规律以及传热机制等方面开展了系列研究。首先，研制了第三代微秒级快速响应热电偶，基于油浴法、检定炉、油滴法以及脉冲激光试验台分别测试了热电偶的静态性能和动态性能，试验结果表明，热电偶的测温精度为Ⅰ级，动态响应时间小于10us。其次，开发了内燃机活塞温度无线实时测量核心器件及成套设备，具有快速性、实时性、准确性、可靠性，以及小型轻量化等特点，已在东风商用车技术中心、康明斯东亚研发中心、广州柴油机厂、711研究所等单位推广应用。再次，揭示了同轴薄膜热电偶接触式测温法引入误差的产生机理，量化分析了引入误差的大小及其对整体测量精度的影响，提出了一套消除同轴薄膜热电偶接触式测温误差的校准算法，可以显著降低引入误差，校准后瞬态温度的平均相对误差从13.1‰减小为0.08‰。然后，建立了高压柴油喷雾火焰撞壁试验台架，射流壁面瞬态温度测量装置和测量方法，以及壁面瞬态传热量的计算模型，并在空气氛围下和氮气氛围下分别测量了高压柴油喷雾撞壁过程中的瞬态传热分布规律，明确了壁面传热与喷雾撞壁、油膜蒸发以及近壁面区域燃烧特性之间的关联关系。最后，基于高压柴油喷雾火焰撞壁试验平台和数值分析模型，研究并揭示了壁面材料、壁面温度、环境压力、环境温度、喷油压力、喷油脉宽、以及湿壁程度对喷雾、油气混合、着火滞燃期、着火位置、火焰发展形态、火焰综合亮度、以及壁面传热量的影响规律和机制，明确了高压柴油喷雾火焰撞壁行为特征与壁面传热规律之间的关联关系。