轎車發動機活塞冷卻方法研究
——第二部分　采用熱管冷卻活塞

【日】　K.Matsumoto　A.Takahashi　T.Inoue

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轎車發動機活塞冷卻方法研究
——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，研究人員發現在高速往復運動狀態下熱管的導熱系數有顯著改善。然而，由于商用熱管即使經受高速往復運動，其導熱系數也不易提高，因而這種冷卻方法很難應用到轎車發動機的活塞冷卻。鑒于第一部分報告中的數據，本田公司技術中心決定開展轎車發動機活塞冷卻用的熱管設計研究，提出了1種最佳設計方案，并對它進行了熱分析。結果發現，它可以將熱量從必需冷卻的活塞頭中心區域傳遞到活塞裙部，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，并且還存在因加裝熱管帶來的耐久性和質量增加等問題，但通過創新努力可以將其拓展成為1種高級的發動機冷卻系統。

活塞傳熱系數導熱系數熱管節流片

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濟性和環境兼容性。雖然在第一部分研究報告[1]中提出了提高熱管導熱系數的可能性，但是還沒有開發出1種使用熱管的活塞和氣缸蓋冷卻系統。

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。金屬圓管內表面可能附著金屬網、燒結金屬粉末或帶有凹槽。這些吸液層結構為工作液體回流起到了產生表面張力的作用。傳熱過程按以下4個步驟持續重復進行： (1) 工作液體吸收加熱區域的熱能并蒸發；(2) 蒸氣流經腔體并移動到冷卻區域；(3) 蒸氣在冷卻區域釋放熱能、凝結后被吸附在液層上；(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) 毛細極限；(5) 沸騰極限[2-3]。

吸液層式熱管受毛細極限的制約，很難應用于發動機部件。

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) 內徑極限；(2) 工作介質類型；(3) 工作介質充裝系數；(4) 循環流動次數；(5) 沸騰振蕩流的幅值；(6) 極限工作溫度[6-9]。其中，作為熱管的運行條件，沸騰振蕩流幅值是對冷卻和加熱區域內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動機上得到應用。

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的新型設計，并進行了試驗。

圖1　吸液層式熱管的傳熱極限

1　熱管設計

圖2為新設計的熱管(高速往復運動試驗的試件)。該熱管內部設有若干環形節流口，用以控制氣體和液體流動，并迫使其在往復運動過程中朝同一方向流動。圖3為試件中的熱流[10]。

圖2　新設計的熱管

圖3　試件中的熱流

利用圖3中左側的陶瓷加熱器進行加熱，用散熱片進行散熱。圖中所示的熱流方向為從左到右。圖4為高速往復試驗的測試結果。

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，有效傳熱系數提高了近6倍。

基于這些數據，研究人員進行了新型熱管用于發動機活塞的試驗研究，并進行熱分析。

圖4　　　　高速往復運動時的熱管效能(在靜止狀態時，　　　商用熱導管熱系數3000 W/(m·k))

2　配裝熱管活塞的結構

通過將熱管嵌入活塞裙部來驗證其效果，測得的導熱系數高達3980 W/(m·K)。然而，設計中由于圓管有1個傾斜角，使工作液體分布不均衡，因而可能會導致傳熱系數不均勻。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。該熱管的設計如圖2所示，管內設有防止回流的節流口，用以控制氣流(圖2)。裙部裝有1個銅合金活塞環，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(數值求解穩態3維熱傳導方程式)。

圖6為活塞不同區域的熱分析示例。

(a)

表1為不同區域的傳熱邊界條件。

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

計算中假設熱管嵌入區域的溫度是均勻的。設定溫度T=473 K為設計目標。

圖7為熱管在活塞內部的排列狀況。

(a)(b)

3　計算結果

圖8為不裝熱管的單個活塞的傳熱計算結果?；钊敳恐行膮^域的溫度高達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果

圖9為裝熱管導熱系數1000 W/(m·K)的單個活塞的傳熱計算結果。

活塞頂部中心區域的溫度高達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果

圖10為裝熱管(導熱系數2000 W/(m·K))的單個活塞的傳熱計算結果。

活塞頂部中心區域的溫度高達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℃)?；钊罡邷囟群妥畹蜏囟戎g的溫差為75 K。

研究人員同時還研究了活塞散熱增加產生的效果。假設燃燒室氣缸蓋側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　活塞不同區域的散熱變化

圖11　燃燒室氣缸蓋側的傳熱計算結果

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

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

當活塞中心區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

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域的溫度降低39 K(-234℃)，溫差從140 K(-133℃)降低到75 K(-198.16)。

假設燃燒室氣缸蓋側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，研究發現溫度僅降低3 K(-270℃)。

以上研究結果表明，即使活塞散熱量僅有小幅提高，通過改進設計也能使散熱量有所提高?；钊^部中心區域溫度的降低能夠抑制發動機出現敲缸現象。活塞溫度分布均衡能夠減小活塞熱應力。

最理想的是要使有環形節流口的流道軸線保持與往復運動方向一致。即使熱管回路中的流道與往復運動方向有垂直相交，由于與往復運動方向相同

的那部分壓力仍會驅動液體循環，因而從根本上是可以實現液體循環的。根據這一原理，它可以用于冷卻，類似往復式發動機活塞那樣的結構，即像活塞頂部與活塞裙部相互成直角的結構的零件。

另一方面，仍要面臨一些挑戰，例如，因安裝熱管造成的強度下降，開發1種能夠經受長期使用的結構設計，因布置熱管要增加活塞裙部壁厚而導致的質量增加。

然而，通過未來的創新性努力，有可能將這種方法開發成1種高級的發動機冷卻系統。

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2016-02-22)