B. DENTON E. SMITH J. MIWA D.C. BITSIS

隨著柴油機排放法規(guī)的日趨嚴格，以及對提高發(fā)動機整體熱效率的期望，對各種燃燒方式進行了研究和研究。獲取更高效率的途徑之一是減少缸內(nèi)傳熱。探索了1種旨在通過提高活塞溫度來減少缸內(nèi)傳熱的概念。為了提高活塞溫度并理想地減少缸內(nèi)傳熱，對零油冷（ZOC）活塞進行了研究。為了研究這1技術(shù)，對測試發(fā)動機進行了修改，以使其停用活塞油冷，從而可以評估其對諸如有效熱效率（BTE）、活塞溫度和排放等參數(shù)的影響。該發(fā)動機配備了用于燃燒分析的缸內(nèi)壓力測量裝置，以及用于評估活塞頂溫度的活塞溫度遙測系統(tǒng)。研究討論了對發(fā)動機進行修改以實現(xiàn)ZOC并進行測試的過程。給出有/無油冷發(fā)動機和活塞的遙測數(shù)據(jù)，以驗證油冷對BTE和活塞溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機負荷受活塞金屬溫度的限制。在可能的情況下，停用活塞油冷卻，通過減少機油泵的功率需求來減少摩擦。在所測試的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，在未超過活塞溫度極限的一系列負荷下，BTE改善了1%。在本試驗條件下。分析損失減少途徑與燃油能量的關(guān)系，可知在整個測試負荷范圍內(nèi)，缸內(nèi)傳熱均降低了1%。未來研究可將ZOC概念與先進的活塞表面涂層相結(jié)合，以降低金屬溫度，從而擴大可實現(xiàn)高效率目標的轉(zhuǎn)速和負荷范圍。零油冷活塞;壓燃式發(fā)動機;有效熱效率;改善評估

0 前言

隨著重型發(fā)動機CO2排放法規(guī)的愈加嚴格[1]，研究人員研究了各種提高柴油機熱效率的方法。盡管有許多方法可以提高壓燃式發(fā)動機的效率，但減少缸內(nèi)傳熱仍然是提高柴油機熱效率的關(guān)鍵途徑。減少缸內(nèi)傳熱可以通過多種手段實現(xiàn)。其中1種方法是降低氣缸溫度，即通過使用廢氣再循環(huán)（EGR）來實現(xiàn)，通常被稱為冷燃燒。加裝EGR可用于降低排放和缸內(nèi)溫度，但這也會造成其他燃燒和硬件限制，從而無法提高熱效率。另1種方法是提高缸內(nèi)溫度，從而降低燃燒氣體與活塞表面之間的溫差，這被稱為熱燃燒策略。提高缸內(nèi)溫度可以通過多種方法實現(xiàn)。通過提前調(diào)整噴油正時來改善燃燒，并通過改善缸內(nèi)充量運動加快燃燒是較為有效的方法?？刂茻釗p失還有助于保持較高的缸內(nèi)溫度。這可以通過空燃比控制（即通過增壓系統(tǒng)）及主動控制方法來完成。這些措施包括更改燃燒室面容比，各種方式的缸內(nèi)隔熱，提高活塞的表面溫度等，以及綜合采用上述各項措施的組合。

為了了解缸內(nèi)的熱損失路徑并研究每個路徑的影響，包括機油冷卻對活塞的影響，通過使用計算流體力學（CFD）建立共軛傳熱（CHT）模型來評估各種硬件配置。通過綜合使用一維發(fā)動機仿真軟件包GT Power與Converge CFD軟件，以了解各種燃燒系統(tǒng)變化對有效熱效率（BTE）的影響。Abidin等[2]詳細提供了這項工作所需的缸內(nèi)信息。此過程的流程圖如圖1所示。通過建立MY2012康明斯ISX柴油機的GT Power發(fā)動機模型，并根據(jù)測試數(shù)據(jù)進行了標定。在CFD中模擬了具有不同活塞燃燒室?guī)缀涡螤畹母鞣N噴油器配置（包括噴射角度和噴孔數(shù)）。在標定的GT-Power模型中輸入放熱率（RHR）曲線、缸內(nèi)傳熱和燃燒損失，以確定這些參量變化對燃燒系統(tǒng)的影響。其中一些幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2可以看出，改變活塞燃燒室形狀和噴油器噴霧幾何形狀，可以影響燃油/火焰前鋒與活塞表面的相互作用。初步分析表明，開式墨西哥帽（OMH）型設(shè)計減少了火焰前鋒和活塞之間的相互作用，從而提高了有效熱效率。

圖3給出了BTE的改善隨著噴油器噴孔數(shù)的變化趨勢。

研究人員在確定了活塞燃燒室和噴油器的設(shè)計方案后，采購了發(fā)動機硬件，以便可以在實驗室中評估新的燃燒系統(tǒng)，并進一步研究減少缸內(nèi)傳熱，即對活塞油冷的影響。

多年來，重型柴油機都采用由機油通道為活塞頂提供冷卻的某種裝置，并將其用于控制活塞溫度。傳統(tǒng)上，這種機油冷卻方式是無法選擇的，并且在所有工況下都存在。Flynn[3]和Thiel[4]早期在各種柴油機上的研究工作表明，通過在活塞腔內(nèi)部填充機油可以增強傳熱。隨著現(xiàn)代柴油機的比功率和運行轉(zhuǎn)速的提高，控制活塞溫度的需求變得越來越重要，這使得機油冷卻逐漸成為行業(yè)標準。

雖然機油冷卻可能會對延長發(fā)動機壽命具有重要作用，但額外的冷卻會通過降低活塞頂溫度而導致缸內(nèi)傳熱的增加。作為減少這些損失的1種手段，研究人員希望通過減少或消除活塞機油冷卻來提高活塞溫度。但是，如研究表明的那樣，該方法須避免超過活塞的熱極限，否則可能會導致零部件故障。如圖4所示，最近的研究[5]表明了在有/無機油冷卻時各個位置的溫度極限，根據(jù)發(fā)動機的比功率及活塞是否采用機油冷卻等條件，標出了各個活塞位置上的一些機械溫度極限。

在設(shè)定了臨界活塞溫度的極限下，研究人員在可能的情況下進行了基于停用活塞機油冷卻的研究工作，以確定其對現(xiàn)代壓燃式發(fā)動機總效率的影響。這項工作的重點是直接或通過寄生降低來評估零油冷（ZOC）的影響，以及其對有效熱效率的影響。

該技術(shù)在未來能夠使活塞與高燃燒溫度隔絕，而無需機油冷卻。目前已在整個行業(yè)中測試了各種涂層技術(shù)，具有降低活塞金屬溫度的效能[6-7]。結(jié)合這項技術(shù)，可以在不進行機油冷卻的情況下實現(xiàn)更高的負荷運行，從而減少缸內(nèi)傳熱及減少機油供給系統(tǒng)的相關(guān)寄生損失，這為未來的發(fā)展提供了可能途徑。

1 試驗裝置

如圖5所示，用于ZOC研究的發(fā)動機平臺是1臺2012年款的康明斯ISX15柴油機。廠家提供給美國西南研究院（SwRI）的發(fā)動機的標定功率為336 kW，具有應用于長途運輸車輛的典型特征。發(fā)動機技術(shù)規(guī)格如表1如示。

該發(fā)動機平臺已提供給由SwRI領(lǐng)導的研究聯(lián)盟（CHEDE-VI），該聯(lián)盟致力于提高發(fā)動機效率。作為計劃項目的一部分，在評估ZOC活塞之前，研究人員對基礎(chǔ)發(fā)動機進行了一些更改：將燃燒系統(tǒng)更改為側(cè)重于減少傳熱的開式活塞燃燒室，修改了EGR水平和燃燒策略，將增壓系統(tǒng)更改為固定幾何形狀的渦輪增壓器，并對冷卻水泵和潤滑機油泵進行了幾處更改以減少寄生損失。由于基準發(fā)動機硬件有幾處更改，因此計劃采用固定的發(fā)動機硬件配置對ZOC活塞概念進行評估，以便評估該技術(shù)引起的性能改變。

由于試驗的重點是評估更高的活塞溫度，因此需要1種方法來改變對活塞的冷卻。測試平臺中使用的活塞利用油冷通道，這些油冷通道從活塞冷卻噴嘴中獲得冷卻機油。為了停用活塞冷卻噴嘴，對發(fā)動機的注油系統(tǒng)進行了調(diào)整。在主活塞機油冷卻通道的末端添加了1個塞子。在新的供油管路上增加了1個控制閥，以開啟或關(guān)閉活塞機油冷卻。在閥門開啟時，活塞冷卻噴嘴正常工作;在閥門關(guān)閉時，冷卻噴嘴中的所有流量都被切斷。注油系統(tǒng)的示意圖如圖6所示。

另外，研究人員對發(fā)動機機油泵進行了配置，使機油泵的轉(zhuǎn)速可以獨立于發(fā)動機轉(zhuǎn)速運行，從而可以開展單獨研究，并減少發(fā)動機中的寄生損失。這確實在停用機油冷卻噴嘴時減少了機油流量。對于沒有對活塞進行機油冷卻時的運行工況，降低機油泵轉(zhuǎn)速以減少通過其余潤滑系統(tǒng)的最終機油流量，同時保持對發(fā)動機其他區(qū)域的相同通道壓力，可以進一步減少寄生損失，并可以通過減少摩擦來提高有效熱效率。

為了測量活塞關(guān)鍵位置的溫度，研究人員使用了紅外遙測技術(shù)公司（IR Telemetrics）的遙測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是無線的，不需要布線連接。在活塞上安裝了1個小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為小型微波發(fā)射器。熱電偶數(shù)據(jù)經(jīng)過多路復用，然后從活塞發(fā)送到模塊中的天線陣列，由此可以在其中記錄數(shù)據(jù)。使用安裝在活塞缸套組件底部的無線感應電源鐵心為該裝置供電，該鐵心可將電能傳輸?shù)桨惭b在活塞內(nèi)部的另外1個感應線圈?；钊b測系統(tǒng)如圖7所示。

活塞上設(shè)有15個不同的熱電偶通道。選擇這些位置以確定在零機油冷卻下運行時的硬件極限，并提供有關(guān)活塞燃燒室的供熱信息。檢測位置如圖8所示。

位置1和位置2設(shè)在銷孔中，因為針對該區(qū)域的前期工作表明該區(qū)域發(fā)生了磨損。位置3至位置7用于監(jiān)視活塞環(huán)區(qū)域中的硬件條件。位置8至位置15主要用于提供有關(guān)燃燒室的數(shù)據(jù)，并有助于了解通過活塞的熱損失。位置9和位置10是在表面安裝的，因此與安裝在表面以下約2 mm的其他產(chǎn)品相比，可以提供更快的響應速度。IR Telemetrics公司的表面貼裝熱電偶原理圖如圖9所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 全油冷的基準評估

在裝有儀表活塞組件的發(fā)動機上，采集全油冷活塞的基準數(shù)據(jù)。在此測試階段，選擇了1 000 r/min和1 250 r/min 2類發(fā)動機轉(zhuǎn)速。發(fā)動機的平均有效壓力（BMEP）分別為0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa和2.0 MPa。活塞銷孔和環(huán)岸區(qū)域的最終溫度如圖10所示?；钊N孔上部區(qū)域的熱電偶表明溫度接近預期的機油溫度?；钊h(huán)岸在稍高溫度下工作，雖然環(huán)岸溫度對負荷有些敏感，但是對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的影響很小。

如圖11所示，對全機油冷卻活塞燃燒室的進一步研究表明，其對發(fā)動機負荷具有很強的敏感性，并且與環(huán)岸區(qū)域相似，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的敏感性較小。

表面貼裝熱電偶能夠基于曲軸轉(zhuǎn)角進行采樣，圖12中顯示了在轉(zhuǎn)速1 250 r/min時3種不同負荷的結(jié)果數(shù)據(jù)。值得注意的是，不僅位置9和位置10之間存在顯著差異，溫度升高的速度也比預期的更大。通常認為此溫度遠高于實際活塞溫度。據(jù)推測，這些溫度能用于指示各個位置處的實際局部氣體溫度。這可能是由于熱電偶接點略微凸出于活塞表面的原因。

2.2 無油冷評估

在停用活塞油冷的情況下，研究人員通過相似轉(zhuǎn)速和負荷測試點采集了其他數(shù)據(jù)，以此與基準數(shù)據(jù)集進行比較。初始測試在轉(zhuǎn)速1 250 r/min和BMEP 05 MPa的狀態(tài)下進行。該測試的溫度結(jié)果如圖13所示。實線表示轉(zhuǎn)速1 250 r/min和BMEP 0.5 MPa的工況，虛線表示零油冷工況。所有測量位置的活塞溫度都有很大提高。作為比較點，繪制了轉(zhuǎn)速1 250 r/min、BMEP 2.0 MPa的溫度曲線。由此可見，在大多數(shù)測量位置，活塞溫度都超過了全油冷、全負荷運行工況時的溫度。

為了更好地了解無油冷活塞在轉(zhuǎn)速1 000 r/min運行時的硬件限制，以BMEP 0.1 MPa的負荷步長執(zhí)行了負荷掃描。試驗人員增加負荷直到活塞溫度達到350 ℃的極限（在BMEP 0.7 MPa時發(fā)生），并限制在更高負荷下運行。圖14給出了在此負荷下掃描的各種溫度。由于活塞在無油冷時工作的負荷能力降低，因此在較高發(fā)動機轉(zhuǎn)速下未執(zhí)行負荷掃描。如圖15所示，從掃描采集的數(shù)據(jù)被用于推斷全負荷工況下各個測量位置的活塞溫度。

盡管取消活塞油冷導致了對全負荷的限制，但該技術(shù)仍可用于提高部分負荷工況下的效率。研究人員對轉(zhuǎn)速1 000 r/min時的有油冷和無油冷的負荷進行掃描。當總功率和有效熱效率都有所增加時，則停止活塞機油冷卻。如圖16所示，在某些工況下，BTE可以實現(xiàn)高達1%的改善效果。

如上所述，部分制動效率的提高可以通過降低機油泵轉(zhuǎn)速來減少摩擦。由圖17可見，在發(fā)動機負荷較低、BMEP為0.4～0.5 MPa時，通過摩擦損失和傳熱損失減少了約1%的燃油能量。隨著負荷的增加，摩擦損失減小量會降至1%以下。但是，在評估的負荷范圍內(nèi)，通過缸內(nèi)傳熱損失的燃油減少量保持相對恒定。如果可通過諸如活塞涂層之類的技術(shù)以實現(xiàn)更高的負荷，則可以在較寬的負荷范圍內(nèi)降低摩擦損失。在測試中發(fā)現(xiàn)，當關(guān)閉活塞油冷時，排氣口溫度會有所降低，這種趨勢如圖18所示。

在測試過程中，零油冷和全油冷時的噴油正時保持恒定。雖然50%燃燒質(zhì)量率（MFB50）位置在2種情況下幾乎相同，而關(guān)閉活塞油冷時的燃燒持續(xù)時間縮短。如圖19所示，之前的90%燃燒質(zhì)量率（MFB90）位置證明了這一點。

借助ZOC，活塞的熱損失更少，燃燒率得以提高，燃燒提前結(jié)束，從而降低了排氣溫度。

3 結(jié)論

為了促進發(fā)動機工作綜合效率的全面改善，研究人員采用裝有活塞遙測系統(tǒng)的ISX15道路用發(fā)動機，評估了停用活塞油冷的影響。對于零油冷活塞的研究結(jié)果顯示，可以通過降低氣缸傳熱，并在機油流量需求較小時降低摩擦平均有效壓力（FMEP），提高活塞溫度，從而提高發(fā)動機的有效熱效率。活塞溫度限制了發(fā)動機高負荷運行。但為了改善活塞隔熱性，例如活塞頂熱涂層，可以拓寬發(fā)動機無需油冷的工作范圍，進而提高效率。發(fā)動機負荷受活塞金屬溫度的限制。在可能的情況下，停用活塞油冷卻，通過減少機油泵的功率需求來減少摩擦損失。在所測試的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，在未超過活塞溫度極限的一系列負荷下，BTE改善了1%。

研究人員分析了損失減少途徑與燃油能量的關(guān)系。在整個測試負荷范圍內(nèi)，缸內(nèi)傳熱均降低了1%。未來的工作領(lǐng)域包括研究將ZOC概念與先進的活塞表面涂層相結(jié)合，以降低活塞溫度，從而擴大發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷范圍，實現(xiàn)效率的進一步提高。

[1]US EPA. Greenhouse gas emissions and fuel efficiency standards for medium and heavy-duty engines and vehicles-phase 2; final rule[C]. Federal Register， 2016.

[2]ABIDIN Z.Advances toward the goal of a genuinely conjugate engine heat transfer analysis [C].SAE Paper 2019-01-0008.

[3]FLYNN G J. Adequate piston cooling-oil cooling as a means of piston temperature control [C].SAE Paper 720024.

[4]THIEL N， WEIMAR H， KAMP H. Advanced piston cooling efficiency： a comparison of different new gallery cooling concepts[C].SAE Paper 2007-01-1441.

[5]FRISCH S. Analysis of a head-duty diesel piston including material， air gap， and thermal barrier coatings [C]. SAE Paper 880671.

[6]BINDER C. Heat loss analysis of a steel piston and a YSZ coated piston in a heavy-duty diesel engine using phosphor thermometry measurements [C]. SAE Paper 2017-01- 1046.

[7]BITSIS D C. Optimization of heady duty diesel engine lubrication and coolant pumps for parasitic loss reduction [C]. SAE Paper 2018-01-0980.

張然治 譯自 SAE Paper 2020-01-0284

虞 展 編輯

（收稿時間：2020-06-24）