CN106368814B - 内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，包括：(1)进行内燃机气缸盖的温度测量实验，以及气缸盖温度场数值模拟，获得气缸盖内最高温度、温度分布和热流分布；(2)进行内燃机的外流数值模拟，获得气缸盖上的一个外围温度测点位置；(3)利用最高温度、温度分布和热流分布结果，确定气缸盖内最高温度和所述外围测点处温度之间的关联模型；(4)在内燃机实际工作中，以所述外围测点作为测温点，通过实时测量气缸盖所述外围测点的温度，并利用标定后的所述热网络模型，即可实时反推出气缸盖内最高温度。本发明的方法可以实现无法直接测量或者不适合长时间直接测量的高温零部件的最高温度的实时监控，确保该零部件的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于内燃机技术领域，具体涉及一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法。
背景技术
内燃机作为运用最广泛的动力机械之一，被广泛运用于汽车、船舶、铁路、建筑、农业等领域，成为国家建设中必不可少的一部分。随着我国经济的发展与科技的进步，内燃机行业得到了蓬勃发展，内燃机在汽车、船舶、飞行器等移动机械内的装配量大幅增多。随着内燃机技术的发展和社会需求的提升，内燃机功率密度越来越高，这使得内燃机燃烧室的可靠性面临挑战。
气缸盖是内燃机中结构最为复杂的零部件之一，其火力面与活塞顶面及气缸内壁共同组成燃烧空间，受到高温高压燃气的冲击；同时，其内部冷却水腔和进气道内又分别有低温液体和气体的复杂流动与传热。在周期性的冷热冲刷下，气缸盖成为内燃机中故障率较高的零部件。此外，现阶段国防建设对高强化、高功率柴油机的需求越来越大，这意味着缸盖所承受的热负荷将不断增加，工作环境将更加恶劣，其产生热裂而失效的问题将更加突出。
内燃机气缸盖的材料一般为铸铁或铸铝。如果气缸盖在超过极限温度的环境下长时间工作，其金属会发生高温蠕变，导致气缸盖可靠性逐步降低，并最终失效和损坏。因此，进行气缸盖火力面最高温度的实时监测，并根据监测结果进行冷却系统的控制优化，确保气缸盖的最高工作温度不超过极限温度，这有利于延长气缸盖的寿命，进而拓宽整个内燃机的寿命。这对于提高高强化内燃机(尤其是军用高强化内燃机)的可靠性，具有非常重要的意义。
气缸盖内最高温度出现在气缸盖火力面中心位置，即“鼻梁区”，要想了解气缸盖的热负荷，就必须获得气缸盖内最高温度。发明人在先发表的博士论文《重载车用柴油机缸盖内冷却水流动分析及强化传热研究》中披露了一种获取气缸盖火力面最高温度的方法，一共分为两个步骤：1)在气缸盖内加工一些测温小孔，插入温度传感器，以此来测量缸盖内各点的温度；2)进行气缸盖的流固耦合数值模拟来反推气缸盖内最高温度。但是，上述方法无法直接测得火力面“鼻梁区”的最高温度，并且加工的测量小孔较多，会影响气缸盖温度场分布，并降低气缸盖的强度，进而加速气缸盖的损坏；另外，该流固耦合数值方法需要将步骤1实验测量的温度数据，离线进行数值模拟，无法在内燃机工作时实时地了解气缸盖内最高温度，故而无法对内燃机实际工作状态下的气缸盖最高温度进行实时监控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其通过气缸盖热网络模型确定气缸盖内最高温度和外围测点温度之间的关联模型，从而通过实时测量外围测点温度，来反推获得内燃机气缸盖内实时最高温度，该方法可以实现对任意工况下的内燃机气缸盖内最高温度的实时测量，且不会影响气缸盖温度场分布和降低气缸盖的强度，测量高效、准确可靠。
为实现上述目的，按照本发明，提供一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其包括：
(1)进行内燃机气缸盖的温度测量实验，以及气缸盖温度场数值模拟，获得气缸盖内最高温度、温度分布和热流分布；
(2)进行内燃机的外流数值模拟，获得气缸盖外围受外部流动和传热影响较弱又便于布置测温孔的一个外围温度测点位置；
(3)利用温度场数值模拟得出的最高温度、温度分布和热流分布结果，进行气缸盖热网络模型的建立和标定，确定气缸盖内最高温度和所述外围测点处温度之间的关联模型；
(4)在内燃机实际工作中，以所述外围测点作为测温点，通过实时测量气缸盖所述外围测点的温度，并利用标定后的所述热网络模型，即可实时反推出气缸盖内最高温度，从而实现气缸盖内最高温度的实时监测。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中确定所述关联模型的具体过程包括：
根据内燃机气缸盖的具体结构，以及不同工况下的温度场分布和热流分布，选取节点划分，建立气缸盖内最高温度和外围测点温度之间的热网络模型初始框架；
对所述热网络模型进行参数化，计算出每个节点的热容以及节点与节点之间的等值热阻，进行热网络模型的参数化；
通过所述不同工况下的气缸盖温度分布数据，进行参数化后的热网络模型的数据回归和标定，验证在不同工况下气缸盖内最高温度点与外围测点之间的温度关系，即进行所述关联模型的工况标定，从而获得所述的关联模型。
作为本发明的进一步优选，步骤(1)中在气缸盖底部进行不少于三层温度平面的测量，每层温度平面的测量点不小于4个。
作为本发明的进一步优选，所述外围测点位置位于所述气缸盖侧面或者前后端面上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的方法可以实现无法直接测量或者不适合长时间直接测量的高温零部件的最高温度的实时监控，以确保该零部件的可靠性；
(2)本发明中，热网络模型一经建立和标定好，便可完成所有工况的实时监测，即只需建立和标定一次热网络模型。热网络模型的建立和标定不仅与气缸盖本身的受热和传热特性有关，还与内燃机运行工况相关联，对于同一型号的内燃机，标定好的热网络模型可以适用于内燃机的各个工况，具有较高的应用效率；
(3)本发明的热网络模型可以实现在同系列内燃机的气缸盖中通用，对不同结构的内燃机，需要重新进行标定。
(4)本发明的反推和实时监测内燃机气缸盖内最高温度的方法，可以实时监测气缸盖内最高温度，从而可以通过调整内燃机工况，或者调整内燃机冷却系统等方法，来控制气缸盖最高温度在许用温度极限之内，以确保内燃机气缸盖的长久热可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的利用热网络模型反推和监测内燃机气缸盖内最高温度方法的过程框架图；
图2为本发明实施例的方法中内燃机气缸盖测温点布置示例图(火力面上方3，6，9mm处)；
图3为本发明实施例的方法中内燃机气缸盖热负荷实验台架示例图；
图4为本发明实施例的方法中内燃机气缸盖温度分布数值模拟的实现过程示例图；
图5为本发明实施例的方法中内燃机气缸盖整体温度分布示例图；
图6为本发明实施例的方法中柴油机的气缸盖热网络模型示例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其实施过程如图1所示。本实施例以某款重型柴油机为例对气缸盖内最高温度的监测方法进行阐述，但本发明的方法并不限于上述柴油机，也可以是其他类型的柴油机、汽油机或燃气内燃机。
该方法具体包括如下过程：
(1)在内燃机设计阶段，进行该重型柴油机的气缸盖温度测量试验，以及温度场数值模拟，得出不同工况下的该重型柴油机气缸盖内的温度分布、热流分布以及最高温度等数据。
具体地，进行该柴油机气缸盖底部温度分布的测量实验时，需要根据该柴油机气缸盖底板的厚度和气门喷油器等布置的结构特点，找出容易加工，又对气缸盖温度场和结构强度影响不大，且具有代表性温度的测温点，如图2是一种柴油机中测点的布置位置。同时，为了提高热网络模型的反推精度，优选在气缸盖底部进行不少于三层温度平面的测量，每层温度平面的测量点例如不小于4个。在本实施例中，柴油机中测点为7个，包含了各个温度层次的测点。
在此基础上，进行气缸盖底板内温度分布的内燃机台架试验，如图3所示，为本实施例的柴油机中内燃机台架试验示意图，同时测量不同工况下的气缸盖底板内各测量孔的工作温度，得到气缸盖内特定测量位置处在不同工况下的温度数据。
气缸盖热负荷实验主要是通过测量各种工况下气缸盖各位置处的温度，来分析该柴油机缸盖内温度分布及温度梯度情况，便于与模拟得到的数据进行比较，互相验证准确性。
本实施例中的柴油机中气缸盖底板厚度大于12mm，鉴于火力面上方0～2.5mm范围内温度为瞬变温度，其温度值难以准确测量，故在火力面上方0～2.5mm范围内不设置测温点。本实施例中的温度测量从气缸盖火力面上方3mm开始，分别测量火力面上方3mm、6mm、9mm三个水平平面内的温度分布，在每个水平平面上具有代表性的区域内选取7处测温点，如图2所示。如果在气缸盖上同时加工21个测温小孔，过多的机械加工会对气缸盖的温度场分布与结构强度造成较大的影响。故本实施例中的优选柴油机采用三个相同的气缸盖，分别在每个气缸盖上只加工一层测温点，以保证机械加工对气缸盖的原有温度分布影响较小。试验中，同一工况下，分别进行三次试验，每次采用一个加工有测温孔(平面不同)的气缸盖，同时保证除气缸盖以外其他工作条件完全相同。采用上述方式，既可以得到较多的温度数据，同时也能减少机械加工对气缸盖原有温度分布的影响，提高测量数据的准确性。
为了确保热网络数学模型的完整性，将进行多个工况下的气缸盖热负荷实验,得到在不同工况下气缸盖的温度场分布。热负荷实验中，不仅需要测量气缸盖底板与外表面的温度，而且需要测量内燃机工况参数，冷却系统工作参数等，为后续的数值模拟以及热网络数学模型的参数化做准备。
完成了气缸盖热负荷实验后，可以获得在不同工况下的气缸盖内各测量点温度情况。要进一步获得气缸盖内温度分布和热流分布，就需要进行气缸盖的温度场数值模拟，本实施例的柴油机采用精度比较高的流固耦合数值模拟。按照图4所示的流程图，柴油机进行气缸盖固体和冷却水腔内的流体之间的流固耦合传热数值模拟，获得了不同工况下气缸盖内整体温度场分布、热流分布和最高温度等数据。进行气缸盖和冷却水腔的流固耦合传热数值模拟时，在每个工况下，都需要将实际台架试验测得的21个测量温度数据与模拟获得的对应测温点温度数据进行对比，若相对误差均小于3％，则证明数值模拟计算的结果是精准的。流固耦合数值模拟的结果能给出整个气缸盖的温度分布、热流分布和最高温度等数据如图5所示为本实施例的柴油机气缸盖内温度分布图，便于热网络模型的建立和标定。
关于缸盖底部温度测量方法以及流固耦合方法属于成熟技术，在此不再赘述。
(2)通过内燃机的外流场数值模拟，在气缸盖外围找到一个合适的外围温度测点。
外围温度测点用于监控内燃机缸盖的热负荷，主要加工在气缸盖侧面或者前后端面上，外围温度测点必须加工在受外部流动和传热影响较弱又便于测量布置的位置。测量孔的加工深度和大小，要求对气缸盖强度影响不大，同时对周围环境变化不很敏感。
根据本实施例的柴油机的发动机舱结构，以及内燃机整体布置情况，本实施例中优选利用CFD软件进行该柴油机的外部流动数值模拟。根据内燃机周围的空气流动和散热状态，进行了两种不同通风量情况下的流动数值模拟，然后确定出柴油机气缸盖外表面对流换热系数较小的一些位置。再根据柴油机外部布置情况，确定适合的外部测温位置。本实施例中，外围温度测点最后选择在第六缸排气侧加工，加工深度为8mm，这样，即保证了外围温度测点受外部流动和传热影响较弱，便于测量布置，同时对气缸盖强度影响不大，对周围环境变化不很敏感，还确保了该点与最高温度点具有一定的热敏感相关性。
内燃机外流场的数值模拟方法属于业内成熟的技术，外围测温孔具体的布置则需根据热流分布状态、内燃机整体布置、结构强度和热敏感情况综合考虑。
(3)根据气缸盖数值模拟得出的温度分布和热流分布结果，建立外围温度测点温度与最高温度的关联模型---热网络模型，并进行模型的敏感性优化和准确性标定；
根据步骤(1)中试验和数值模拟得出的大量温度分布数据，以及相应工况数据，依据内燃机气缸盖具体结构，采用热网络法，通过对热网络模型参数的提取，和热网络模型的实验回归，选取具有代表性的、稳定的传热路径，建立火力面温度和多个外围测温点(步骤(2)中获得)温度之间的热网络模型。
热网络模型的建立，要符合稳定性原则和热敏感性原则。本实施例中，根据柴油机气缸盖的具体结构，以及不同工况下的温度场分布，建立了五个火力面最高温度和外围测量点温度之间的热网络模型，并根据模型精度，模型稳定性和模型热敏感性情况，选择了一个最优结果，最优方案的示意图如图6所示。
本实施例最优方案中，选取过气缸盖温度场最高点并且垂直于Z轴的平面作为热网络建模过程中温度选取的截面。在建模过程中，每个单元体的温度均从气缸盖的温度分布图中取出，并代入热网络模型进行处理计算。由气缸盖的温度分布可知，温度最高点附近温度梯度很大，尤其在正向上方向上温度梯度最大，故其热流主要流向正向上方向，即流向靠近冷却水一侧的方向。流向缸盖外侧方向的温度梯度虽然比正向上方向要小一些，但其温度梯度仍旧比较大，尤其在“鼻梁区”区域内，流向缸盖外侧负方向上的温度梯度也是相当大。
确定了需要选定的热流方向后，需进行柴油机热网络模型中各个单元体的选取。本实施例中，如图6所示，设定气缸盖温度最高点为点Ta1，以点Ta1为单元体下表面的中心点，截取4mm×4mm×2mm的单元体，点Ta1的温度就作为这个单元体的温度参与后续的计算。在点Ta1水平左侧4mm处选取点Ta2，以点Ta2作为下表面的中心点，截取4mm×4mm×2mm的单元体，以点Ta2的温度作为这个单元体的温度进行后续的计算。以此类推，分别选取点Ta3至点Ta17，并且截取相对应的单元体。在Y轴正方向上，在点Ta1正上方4mm处选取点Tb1，以Tb1作为正方体的体心截取4mm×4mm×4mm的单元体，点Tb1的温度作为这个单元体的温度参与后续的计算。在点Tb1水平左侧4mm处选取点Tb2，以Tb2为正方体的体心截取4mm×4mm×2mm的单元体，以点Tb2的温度作为这个单元体的温度进行后续的计算。以此类推，分别选取点Tb3至点Tb17，并且截取相对应的正方体作为其单元体。同理可以选择第三层网格，第三层网格位置的选取，需要考虑冷却水变化对模型稳定性的影响，因此，实施例中，第三层网格离冷却水套的距离为5mm。综述，以气缸盖温度最高点Ta1为初始点，在其左侧水平方向上共取16个点，每两个点之间的距离为4mm。在此17个点(点Ta1至点Ta17)正上方4mm处再各取一个点，也共17个点(点Tb1至点Tb17)。在点Tb1至点Tb17正上方，距离冷态水套5mm处再各取一个点，也共17个点(点Tc1至点Tc17)。在这三层网格点对应位置处的中心点，截取4mm×4mm×2mm的单元体，形成热网络模型的初始框架。具体如图6所示，如此，热网络单元体截取完毕。
接着，进行热网络模型的参数化，根据本实施例柴油机的结构参数和冷却系统参数，进行数学模型的参数化，使该数学模拟具有通用性。并且通过柴油机的缸盖热负荷实验数据，进行参数化后的数学模型的校验。具体地，在柴油机气缸盖中，计算出每个节点的热容以及节点与节点之间的等效热阻，通过该等效热阻，进行热网络模型的参数化。随后，通过实验和模拟得出的大量气缸盖温度分布数据，进行参数化后的热网络模型的数据回归和标定(校验)，验证在不同工况下气缸盖火力面上的最高温度点与外侧特定测温点之间的温度关系，确定气缸盖底部最高温度与外围测点温度的反推模型。
(4)内燃机实际工作中，测量该外围测点温度，即可实时监控气缸盖最高温度。具体为：
在实际运行前，先按照外流分析结果，加工出外围测点温度测量孔，并安装温度传感器。在实例柴油机实际运行时，实时测量这个外围测点温度测量孔内的温度。随后，通过已经标定的热网络模型，反推出该气缸盖内部的最高温度值。
运用这种方法，就能通过实时监测柴油机气缸盖外围测点的温度，来实时监控柴油机气缸盖内最高温度，并根据监测结果实现柴油机冷却系统的优化，以便于保证气缸盖在合理的温度范围内工作，从而可以提高内燃机的可靠性，减少气缸盖因热裂而失效的情况。
本发明不局限于内燃机(包括柴油发动机，汽油发动机、天然气发动机、沼气发动机、煤气机等)；也适用于需要监控的温度不容易测量，但零部件外围温度容易测量，并且可以建立热网络模型的各种通用机械和部件，如高温炉膛内壁温度，核反应堆屏蔽层内壁温度，燃气轮机燃烧室内壁温度等等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其包括：
(1)进行内燃机气缸盖的温度测量实验，以及气缸盖温度场数值模拟，获得气缸盖内最高温度、温度分布和热流分布；
(2)进行内燃机的外流数值模拟，获得气缸盖外围受外部流动和传热影响较弱又便于布置测温孔的一个外围温度测点位置；
(3)利用温度场数值模拟得出的最高温度、温度分布和热流分布结果，进行气缸盖热网络模型的建立和标定，确定气缸盖内最高温度和所述外围测点处温度之间的关联模型；
(4)在内燃机实际工作中，以所述外围测点作为测温点，通过实时测量气缸盖所述外围测点的温度，并利用标定后的所述热网络模型，即可实时反推出气缸盖内最高温度，从而实现气缸盖内最高温度的实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其中，步骤(3)中确定所述关联模型的具体过程包括：
根据内燃机气缸盖的具体结构，以及不同工况下的温度场分布和热流分布，选取节点划分，建立气缸盖内最高温度和外围测点温度之间的热网络模型初始框架；
对所述热网络模型进行参数化，计算出每个节点的热容以及节点与节点之间的等值热阻，进行热网络模型的参数化；
通过所述不同工况下的气缸盖温度分布数据，进行参数化后的热网络模型的数据回归和标定，验证在不同工况下气缸盖内最高温度点与外围测点之间的温度关系，即进行所述关联模型的工况标定，从而获得所述的关联模型。
3.根据权利要求1或2所述的一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其中，步骤(1)中在气缸盖底部进行不少于三层温度平面的测量，每层温度平面的测量点不少于4个。
4.根据权利要求1或2所述的一种内燃机气缸盖内最高温度的实时监测方法，其中，所述外围测点位置位于所述气缸盖侧面或者前后端面上。
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