燃热引导：燃气通过气缸壁到冷却液的热传递

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：传导主要是顺从固体之间的热量传递特性。下标cv表示对流热传递。表8-2 平均对流热传递系数内燃机中燃烧气体通过气缸盖、气缸壁、活塞或气门传递到冷却液或周围空气中的热传递现象均依赖于强制对流。表8-4 多种物质的辐射率4.传热系数燃烧室燃烧室内高温燃烧气体通过气缸壁到冷却液的总热传递过程如图8-1所示。燃烧气体向冷却液传递的热流（或热量）通过式（8.9）可以看出，燃烧气体温度与冷却液温度之差ΔT和总热传递系数K成正比。

热量是只要有温度梯度或温度差就要进行传递。热量的传递过程分为传导、对流和辐射三种，实际的热量传递以这三种现象复合出现。

1.热传导

热传导是静态物质之间的热量传递现象。在进行传导的物理结构上，气体为分子间的碰撞，晶体为晶格震荡，金属为自由电子的移动等，具有多种多样的现象。

传导主要是顺从固体之间的热量传递特性。气缸主要由铸铁、铝合金或钢等材料制成，通过这些材料传导的热量和热流，根据傅里叶热传导法可以获得如下的正常状态热传导相关式：

式中，为z方向的热流；κ为热传导率[W/（m·K）]；L为材料厚度（m）；T₁、T₂分别为材料厚度为L的两表面温度（K），T₁>T₂，T₁-T₂为温度差；A为传热面积（m²）。下标cn表示传导。

燃烧室内高温气体的热量通过气缸盖、气缸壁、活塞头部和气门等传导到冷却液或周围。热传导率是每个物质的物理特性，表8-1列出了多种物质的热传导率。固体的热传导率为大，其次以液体、气体的顺序逐步降低。

表8-1 物质的热传导率（300℃时）

2.热传递

热传递又称为对流或对流热传递，是根据流体和固体表面之间的温度差，以流体的流动传递热量的现象。流体的运动根据密度差（或温度差）的浮力发生时，称为自然对流（自然通风、自由流动）；根据不是浮力的其他力量发生时，称为强制对流。通常，自然对流为层流形式，强制对流为湍流形式。

正常流动强制对流来说，从温度为T_c的流体向温度为T_w的固体表面传递的热量或热流，根据牛顿的冷却定律可以用下式进行计算：

式中，流体温度（燃烧气体、冷却液）大于壁表面温度，即T_c>T_w；h_c为对流热传递系数（或热传递系数、热传递率）；A为传热面积。下标cv表示对流热传递。

对流热传递系数h_c通常使用对于总热传递面积A的平均热传递系数。平均对流热传递系数见表8-2。

表8-2 平均对流热传递系数

内燃机中燃烧气体通过气缸盖、气缸壁、活塞或气门传递到冷却液或周围空气中的热传递现象均依赖于强制对流。此外，在排气系统中排放废气的冷却，在进气系统中进入空气（或混合气）温度的上升，均属于对流热传递。

3.热辐射

热辐射为物质（固体、液体、气体）所放射的能量。单位面积所放出的能量称为辐射能力E（W/m²），根据斯蒂芬-波兹曼定律可以用下式进行计算：

E_b=σT⁴₀ （8.3）

式中，E_b为理想黑体辐射能力；T₀为气体的绝对温度（K）；σ为斯蒂芬-波兹曼常数5.67×10^-8W/（m²·K⁴）。下标b表示黑体。辐射能力与温度的4乘方成正比，因此随温度的上升急速增大。多种温度下黑体的辐射能力见表8-3。

实际固体表面或气体并不是黑体，不能像黑体那样工作，辐射一部分并吸收一部分。

实际两个物体之间辐射传递的热流，通过在式（8.3）中乘以辐射率ε，并以两个物体相互辐射能量的比值得出，以下式进行计算。

表8-3多种温度下的黑体辐射能力

式中，ε为辐射率（0≤ε≤1）；T_g为气体温度；T_w为壁表面温度。多种物质的辐射率ε见表8-4。下标r表示辐射。

表8-4 多种物质的辐射率

4.传热系数

（1）燃烧室燃烧室内高温燃烧气体通过气缸壁到冷却液的总热传递过程如图8-1所示。为了便于说明，在这里气缸内燃烧气体和冷却液的温度使用平均温度，假设热传递面积A不变，仅考虑Z方向一维的正常状态。

图8-1 从燃烧气体到冷却液的热传递过程

首先，燃烧室内从高温气体到气缸壁的热传递通过强制对流和辐射进行，因此传递的热流为通过强制对流热传递的热流与通过辐射热传递的热流之和。其次，在气缸壁内部通过热传导进行热传递，在气缸外侧壁向冷却液（或空气）为通过强制对流进行热传递，因此热流以下述各自的式进行计算：

燃烧室内部：

气缸壁：

冷却液侧：

式中，h_c，g[W/（m²·K）]为燃烧室内燃烧气体的热传递系数；T_g（K）为燃烧气体的平均温度；T_w，c（K）为气缸内侧壁温度；σ[W/（m²·K⁴）]为斯蒂芬-波兹曼常数；ε为辐射率。另外，k[W/（m·K）]为气缸壁的热传导率；T_w，c（K）为气缸外侧壁温度；L（m）为气缸壁的厚度；为冷却液的平均温度；h_c，c[W/（m²·K）]为冷却液热传递系数，是冷却液流动速度的函数。

汽油机可以忽略燃烧气体的热辐射，即忽略式（8.5）中右侧第2项，可以用下式进行表示。

对燃烧室内部热量的传递过程（冷却过程）分别以燃烧室内部、气缸壁和冷却液侧3个区间进行分析，其结果为从高温燃烧气体向低温冷却液的热量传递。

正常状态下，各区间所传递的热流相同，因此通过式（8.6）～式（8.8）可以推导出

且有

式中，K[W/（m·K）]称为总热传递系数（传热系数）。燃烧气体向冷却液传递的热流（或热量）通过式（8.9）可以看出，燃烧气体温度与冷却液温度之差ΔT和总热传递系数K成正比。如要计算出此值，应知道值。

其中，最难求得的是燃烧室内燃烧气体的热传递系数h_c，g和气缸内侧壁表面的温度T_w，g。虽然很多研究学者发表有燃烧气体的热传递系数h_c，g多种经验计算式，但很难做到符合发动机的所有运行条件。另外，气缸内壁表面温度T_w，g不是正常温度，是随时间发生变化的非常规温度，因此在燃烧室壁上设置温度传感器直接进行检测。剩余的气体平均温度在示功图中求得，冷却液平均温度、气缸壁热传导系数k和冷却液侧热传递系数h_c就可以容易求得。

（2）散热器发动机的冷却系统使用散热器（放热器）。在散热器中高温冷却液向周围大气传递热量（或冷却）的过程与在燃烧室内高温燃烧气体向冷却液传递热量的过程相同。即，散热器内部的高温冷却液通过散热器壁表面向空气侧（散热器外部）传递热量Q（J/s或W），可以用下式进行表示。

散热器内部：

散热器壁：

散热器外部：

式中，为热流；A_c和A_a为散热器内部（冷却液侧）和外部（空气侧）的散热面积，这两个面积比为ζ=A_c/A_a；A_t、k、L分别为散热器的散热面积（m²）、热传导系数和厚度；h_c，r、h_a，r分别为冷却液侧和空气侧热传递系数；T_c、T_w，c、T_w，a、T_a分别为冷却液温度、散热器内壁温度、外壁温度和空气温度。虽然散热器的内部面积A_c与外部面积A_a因配置散热片等原因不尽相同，但可以看成内部面积A_c与面积A_t相同。