辐射热传递在柴油机中的作用及相关分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：向气缸壁的辐射热传递有高温燃烧气体的辐射和炭烟颗粒的辐射。柴油机的辐射传热量占全部传热量的20%～30%。另外，与气体辐射能量T4g成正比，辐射热流比对流热流更快降低。在前面所讲述的气体热传递经验式中，对于辐射热传递项有努塞尔和阿南德分析式。此外，辐射热传递系数相关研究有Sitgei和弗林等的研究结果。阿南德的研究阿南德提出如下与热辐射式（8.4）相似的辐射热流式，并与对流热流式一起使用。

向气缸壁的辐射热传递有高温燃烧气体的辐射和炭烟颗粒（黄色光焰）的辐射。汽油机或气体燃料（LPG、CNG）发动机因不发生光焰，因此不存在光焰的辐射热传递，仅有气体辐射热传递，但其量与对流热传递相比仅占几个百分比，因此也可以忽略不计。对于炭烟产生量较多的柴油机来说，因炭烟颗粒的光焰辐射传热量较大，因此不可能忽略。柴油机的辐射传热量占全部传热量的20%～30%。

1.气体辐射

燃烧气体包含氢气、氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气等。这些气体吸收和放射较小波长带的辐射能量。如氢气、氧气、氮气等气体辐射较透明，但一氧化碳、二氧化碳和水蒸气会放射相当量的辐射能量。气体辐射的放射和吸收通过气体体积表现，与气体温度T_g、各化学物种的分压p_i和光程长度l成正比。因此，气体辐射率ε_g可以表示为

ε_g=f（T_g，p₁l，…p_nl）（8.35）

如果体积V的表面积为A，气体的平均光程长度l可以用下式进行计算。

式中，4V/A为半球表面的平均光程长度。气体辐射率与温度、气体体积、压力的组成相关，远小于炭烟颗粒光焰辐射量。霍特尔（Hottel）等把CO₂、H₂O气体相关的气体辐射率、以实验数据为根据，表现为T_g，p_i，l的函数，并适用在燃烧气体中。他曾发表过，燃烧最高温度下的气体辐射率为ε_g≈0.1，气体辐射的最大热流为0.2MW/m²。此量为对流最高热流的5%以下。另外，与气体辐射能量T⁴_g成正比，辐射热流比对流热流更快降低。

2.光焰辐射

柴油机中燃料与高温空气相互扩散混合，以湍流扩散火焰进行燃烧。炭烟（大部分为碳气）在燃烧中间阶段生成，产生很高的光焰，直到燃烧末期完全燃烧。炭烟颗粒通过燃烧产生的火焰向气缸壁传递辐射能量的现象称为光焰辐射。

光焰辐射到目前为止还没有很明确的定论，主要通过实验直接测量并以经验式的方式提出。在前面所讲述的气体热传递经验式中，对于辐射热传递项有努塞尔和阿南德分析式。此外，辐射热传递系数相关研究有Sitgei和弗林（Flynn）等的研究结果。

（1）Sitgei的研究 Sitgei从辐射率式中求出了辐射热流q_r，即

ε=ε_i（1-e^-kpl）（8.37）

q_r=εσ（T⁴_f-T⁴_w）（8.38）

式中，ε_i为辐射层厚度为无限大时的辐射率；p为气体压力；l为平均光程长度（或火焰厚度）；k为吸收系数。温度以火焰温度T_f代替了气体瞬间平均温度T；σ为斯蒂芬-波兹曼常数。

（2）阿南德的研究阿南德提出如下与热辐射式（8.4）相似的辐射热流式，并与对流热流式一起使用。

式中，σ为斯蒂芬-波兹曼常数；T_g为平均气体温度；T_w为壁表面温度。式（8.39）与热辐射式（8.4）不同点是，温度为不是透明火焰温度的平均气体温度；β不是辐射率ε，而是从实验中获得的系数β=0.6。但是，有报告提出根据发动机的种类此值过小的异议。

（3）弗林的研究弗林以柴油机的实验数据为根据，提出了同期辐射热流的经验式：

式中，θ_s为辐射开始的曲轴转角。实验系数和θ_s根据发动机转速、进气系统压力、燃料喷射时间和当量比的不同而不同。此关系如图8-12所示。

图8-12 弗林的研究

他指出，吸收系数k_a与压力成正比，比例常数仅为平衡比、曲轴转角的函数。但是，即使k_a依赖于气体辐射相关压力p，但相同的比例关系能否适用于炭烟辐射中还不明确。

辐射热传递在柴油机中的作用及相关分析

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