轎車發(fā)動機(jī)活塞冷卻方法研究
——第二部分　采用熱管冷卻活塞

【日】　K.Matsumoto　A.Takahashi　T.Inoue

?

轎車發(fā)動機(jī)活塞冷卻方法研究
——第二部分采用熱管冷卻活塞

【日】K.MatsumotoA.TakahashiT.Inoue

在第一部分研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在高速往復(fù)運(yùn)動狀態(tài)下熱管的導(dǎo)熱系數(shù)有顯著改善。然而，由于商用熱管即使經(jīng)受高速往復(fù)運(yùn)動，其導(dǎo)熱系數(shù)也不易提高，因而這種冷卻方法很難應(yīng)用到轎車發(fā)動機(jī)的活塞冷卻。鑒于第一部分報告中的數(shù)據(jù)，本田公司技術(shù)中心決定開展轎車發(fā)動機(jī)活塞冷卻用的熱管設(shè)計研究，提出了1種最佳設(shè)計方案，并對它進(jìn)行了熱分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它可以將熱量從必需冷卻的活塞頭中心區(qū)域傳遞到活塞裙部，顯示了其有效冷卻的可能性。雖然這種分析是基于一些假設(shè)，并且還存在因加裝熱管帶來的耐久性和質(zhì)量增加等問題，但通過創(chuàng)新努力可以將其拓展成為1種高級的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)。

活塞傳熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)熱管節(jié)流片

0　引言

對各種活塞有效冷卻方法的研究正在獲得研究人員的關(guān)注，這些方法能通過改善壓縮比和抑制活塞變形來提高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境兼容性。雖然在第一部分研究報告[1]中提出了提高熱管導(dǎo)熱系數(shù)的可能性，但是還沒有開發(fā)出1種使用熱管的活塞和氣缸蓋冷卻系統(tǒng)。

熱管大致可分為吸液層式熱管和振蕩式熱管這兩種類型。吸液層式熱管通常為由銅、鋁或其他金屬制成的圓管[1]。

在圓管抽真空后，將水、乙醇、水銀或其他工作液體以相同的工作溫度封裝在圓管內(nèi)。金屬圓管內(nèi)表面可能附著金屬網(wǎng)、燒結(jié)金屬粉末或帶有凹槽。這些吸液層結(jié)構(gòu)為工作液體回流起到了產(chǎn)生表面張力的作用。傳熱過程按以下4個步驟持續(xù)重復(fù)進(jìn)行： (1) 工作液體吸收加熱區(qū)域的熱能并蒸發(fā)；(2) 蒸氣流經(jīng)腔體并移動到冷卻區(qū)域；(3) 蒸氣在冷卻區(qū)域釋放熱能、凝結(jié)后被吸附在液層上；(4) 由于液層的表面張力，冷凝的液流回流到加熱區(qū)域。

吸液層式熱管的最大傳熱能力受以下5個因素的限制： (1) 黏度極限；(2) 聲速極限；(3) 溢流極限；(4) 毛細(xì)極限；(5) 沸騰極限[2-3]。

吸液層式熱管受毛細(xì)極限的制約，很難應(yīng)用于發(fā)動機(jī)部件。

振蕩式熱管的工作液體封閉在曲折管道中，液體能在其中循環(huán)流動。這種熱管的工作是基于壓力與空隙率之間相互作用的自激振蕩[4-5]。

振蕩式熱管的最大傳熱能力受以下6個因素的限制： (1) 內(nèi)徑極限；(2) 工作介質(zhì)類型；(3) 工作介質(zhì)充裝系數(shù)；(4) 循環(huán)流動次數(shù)；(5) 沸騰振蕩流的幅值；(6) 極限工作溫度[6-9]。其中，作為熱管的運(yùn)行條件，沸騰振蕩流幅值是對冷卻和加熱區(qū)域內(nèi)蒸氣和液相均勻分布的1個要求，這使振蕩式熱管因振動問題而很難在發(fā)動機(jī)上得到應(yīng)用。

因此，研究人員提出了1種能減少吸液層式熱管和振蕩式熱管缺點(diǎn)的新型設(shè)計，并進(jìn)行了試驗(yàn)。

圖1　吸液層式熱管的傳熱極限

1　熱管設(shè)計

圖2為新設(shè)計的熱管(高速往復(fù)運(yùn)動試驗(yàn)的試件)。該熱管內(nèi)部設(shè)有若干環(huán)形節(jié)流口，用以控制氣體和液體流動，并迫使其在往復(fù)運(yùn)動過程中朝同一方向流動。圖3為試件中的熱流[10]。

圖2　新設(shè)計的熱管

圖3　試件中的熱流

利用圖3中左側(cè)的陶瓷加熱器進(jìn)行加熱，用散熱片進(jìn)行散熱。圖中所示的熱流方向?yàn)閺淖蟮接摇D4為高速往復(fù)試驗(yàn)的測試結(jié)果。

與不裝熱管的鋁制試件相比，安裝熱管與橫截面比為10%的新型熱管，在速度為3 m/s時，有效傳熱系數(shù)提高了近6倍。

基于這些數(shù)據(jù)，研究人員進(jìn)行了新型熱管用于發(fā)動機(jī)活塞的試驗(yàn)研究，并進(jìn)行熱分析。

圖4　　　　高速往復(fù)運(yùn)動時的熱管效能(在靜止?fàn)顟B(tài)時，　　　商用熱導(dǎo)管熱系數(shù)3000 W/(m·k))

2　配裝熱管活塞的結(jié)構(gòu)

通過將熱管嵌入活塞裙部來驗(yàn)證其效果，測得的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)3980 W/(m·K)。然而，設(shè)計中由于圓管有1個傾斜角，使工作液體分布不均衡，因而可能會導(dǎo)致傳熱系數(shù)不均勻。因此，采用了如圖5所示安裝新型熱管的活塞。

圖5　安裝新型熱管的活塞

熱管的布置是要將熱量從必需冷卻的活塞頂部傳送到活塞裙部。該熱管的設(shè)計如圖2所示，管內(nèi)設(shè)有防止回流的節(jié)流口，用以控制氣流(圖2)。裙部裝有1個銅合金活塞環(huán)，以使熱量從活塞傳到氣缸套管。

采用Abaqus軟件計算了在活塞頂部到裙部之間嵌裝熱管的活塞的傳熱情況，并估算了活塞的散熱特性(數(shù)值求解穩(wěn)態(tài)3維熱傳導(dǎo)方程式)。

圖6為活塞不同區(qū)域的熱分析示例。

(a)

表1為不同區(qū)域的傳熱邊界條件。

采用Woschni模型獲得的燃燒室壓力數(shù)據(jù)，確定圓管內(nèi)時間平均的傳熱系數(shù)和溫度。雖然應(yīng)該采用接觸熱阻模型進(jìn)行計算，但為了簡化起見，本研究中金屬接觸區(qū)域仍采用相同的傳熱方式進(jìn)行計算。

計算中假設(shè)熱管嵌入?yún)^(qū)域的溫度是均勻的。設(shè)定溫度T=473 K為設(shè)計目標(biāo)。

圖7為熱管在活塞內(nèi)部的排列狀況。

(a)(b)

3　計算結(jié)果

圖8為不裝熱管的單個活塞的傳熱計算結(jié)果?；钊敳恐行膮^(qū)域的溫度高達(dá)583 K(310℃)，活塞頂部邊緣溫度為523 K(250℃)。裙部溫度為443 K(170℃)?；钊罡邷囟群妥畹蜏囟戎g的溫差為140 K。

圖8　無熱管活塞的傳熱計算結(jié)果

圖9為裝熱管導(dǎo)熱系數(shù)1000 W/(m·K)的單個活塞的傳熱計算結(jié)果。

活塞頂部中心區(qū)域的溫度高達(dá)557 K(284℃)，活塞頂部邊緣溫度為518 K(245℃)。由于熱管的傳熱，裙部溫度升高到461 K(188℃)?；钊罡邷囟群妥畹蜏囟戎g的溫差為96 K。

圖10　裝熱管的活塞傳熱計算結(jié)果

圖10為裝熱管(導(dǎo)熱系數(shù)2000 W/(m·K))的單個活塞的傳熱計算結(jié)果。

活塞頂部中心區(qū)域的溫度高達(dá)544 K(271℃)，活塞頂部邊緣溫度為517 K(244℃)。由于熱管的傳熱，裙部溫度升高到469 K(196℃)。活塞最高溫度和最低溫度之間的溫差為75 K。

研究人員同時還研究了活塞散熱增加產(chǎn)生的效果。假設(shè)燃燒室氣缸蓋側(cè)的散熱加上活塞的散熱恒定不變，研究了如何通過改善活塞散熱來有效降低燃燒室壁的溫度。表2為不同情況下的散熱變化。

表2　活塞不同區(qū)域的散熱變化

圖11　燃燒室氣缸蓋側(cè)的傳熱計算結(jié)果

圖11為燃燒室氣缸蓋側(cè)的傳熱計算結(jié)果。在活塞不裝熱管的情況下，燃燒室氣缸蓋側(cè)中心區(qū)域的溫度為430 K(157℃)，邊緣區(qū)域溫度為407 K(134℃)。

在活塞裝熱管(導(dǎo)熱系數(shù)2000 W/(m·K))的情況下，燃燒室氣缸蓋側(cè)中心區(qū)域的溫度為427 K(154℃)，邊緣區(qū)域溫度為405 K(132℃)。

當(dāng)活塞中心區(qū)域的散熱增加量減小時，燃燒室壁面溫度降低約3 K(-270℃)。

4　小結(jié)

雖然在計算中采用水作為工作液體，但可以使活塞頭部中心區(qū)域的溫度降低39 K(-234℃)，溫差從140 K(-133℃)降低到75 K(-198.16)。

假設(shè)燃燒室氣缸蓋側(cè)的散熱加上活塞的散熱恒定不變，研究了如何通過改善活塞的散熱來有效降低燃燒室壁的溫度，研究發(fā)現(xiàn)溫度僅降低3 K(-270℃)。

以上研究結(jié)果表明，即使活塞散熱量僅有小幅提高，通過改進(jìn)設(shè)計也能使散熱量有所提高?；钊^部中心區(qū)域溫度的降低能夠抑制發(fā)動機(jī)出現(xiàn)敲缸現(xiàn)象?；钊麥囟确植季饽軌驕p小活塞熱應(yīng)力。

最理想的是要使有環(huán)形節(jié)流口的流道軸線保持與往復(fù)運(yùn)動方向一致。即使熱管回路中的流道與往復(fù)運(yùn)動方向有垂直相交，由于與往復(fù)運(yùn)動方向相同

的那部分壓力仍會驅(qū)動液體循環(huán)，因而從根本上是可以實(shí)現(xiàn)液體循環(huán)的。根據(jù)這一原理，它可以用于冷卻，類似往復(fù)式發(fā)動機(jī)活塞那樣的結(jié)構(gòu)，即像活塞頂部與活塞裙部相互成直角的結(jié)構(gòu)的零件。

另一方面，仍要面臨一些挑戰(zhàn)，例如，因安裝熱管造成的強(qiáng)度下降，開發(fā)1種能夠經(jīng)受長期使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因布置熱管要增加活塞裙部壁厚而導(dǎo)致的質(zhì)量增加。

然而，通過未來的創(chuàng)新性努力，有可能將這種方法開發(fā)成1種高級的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)。

[1] Matsumoto K， Harada H， Taniguchi H， et al. Study on the cooling method of car engine pistons — Part 1， basic test for achieving high heat transfer coefficient[C]. SAE Paper 2015-01-1653.

[2] Chen S W， Hsieh J C， Chou C T， et al. Experimental investigation and visualization on capillary and boiling limits of micro-grooves made by different processes[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 139(1-2)， 2007： 78-87.

[3] Garner S D. Heatpipes for electronics cooling applications[OL]. http：//www.electronics-cooling.com/1996/09/heat-pipes-for-electronics-cooling-applications/， accessed， 2014.

[4] Miyazaki Y. Oscillatingheat pipe[J]. the Japan Society of Mechanical Engineers， 106(1011)， 2003： 107-110.

[5] Miyazaki Y， Akachi H. Pressure oscillation in oscillating heat pipe[C]. Proceedings of thermal engineering conference， 1997： 97-25.

[6] Miyazaki Y. Oscillatingheat pipe with check valves[J]. Memoirs of Fukui University of Technology， 32， 2002： 389-392.

[7] Miyazaki Y. Operatinglimits of oscillating heat pipes[J]. Memoirs of Fukui University of Technology， 33， 2003： 375-380.

[8] Saeki S， Fujinaka S， Ogawara K. Study on characteristics of thermal flow-induced vibration in unlooped heat pipe[C]. ASME/JSME 4th Joint Fluids Summer Engineering Conference， 45462， 2003： 27-32.

[9] Charoensawan P， Khandekar S， Groll M， et al. Closed loop pulsating heat pipes Part A： parametric experimental investigations[C]. Thermal Engineering 23， 2003： 2009-2020.

[10] Wang Q， Cao Y， Wang R，et al. Studies of a heat-pipe cooled piston crown[J]. Engineering for Gas Turbines and Power， 122(1)： 99-105.

2016-02-22)