汽车发电机发电机热功率和热平衡的研究

谭泽松

（索恩格汽车部件有限公司，湖南 长沙 410200）

车用发电机热功率与热平衡是汽车制造研究领域中研究的重要内容，主要是站在系统的整体角度与集成化的角度对发电机各系统之间的联系进行深入性的研究，从而达到各系统与发电机之间合理化匹配进而实现优化汽车发电机性能的目的，促进汽车整体性能得到提升，在满足客户需求的同时提高汽车生产企业的经济收益。因此，加强车用发电机热功率与热平衡的研究力度对汽车制造行业具有现实意义。

1 汽车发电机热平衡研究方法

在汽车发电机热平衡系统中燃烧的过程会产生一定的热量Qf，Qf 会转化成较多的部分主要表现在：转化成有效功热量部分、转化成排气系统运行中带走的部分热量、转化成进入到冷却介质中的热量等，可以应用发电机热平衡方程式表示出热量：Qf=Pe+Qes+Qw+Qoil+Qu。在以往热平衡研究中主要采用的试验模式，通过此模式应用于发电机生产中后却表现出生产效率与成本投入方面未达到有效提升与降低的效果，并且在试验中需要应用的设备与仪器要达到较高的精度要求，容易发生因设备与仪器的问题而影响试验结果的准确性丧失热平衡实验的意义[1]。热平衡研究在计算机与信息技术快速发展下逐渐应用了计算机进行试验的方式，利用计算机试验能够达到预先研究的效果且不会受到较多条件的限制达到逼真的试验效果，并在用研究过程中会投入较高的成本且含有丰富的信息及试验周期短的优势。

图1 汽车发电机热平衡研究方法

2 汽车发电机热功率研究方法

汽车发电机热功率主要是将化学能向热能转换，再由热能向机械能转换进而实现发电机的驱动。为了提升汽车发电机热功率实施了各项研究，研究结论表示要提高热功率需要注重燃烧效率的提升，主要是因为在排气过程中会损失较大的热量。通过采取富氧燃烧的措施且达到充分雾化的过程达到提高热功率的目的。另外，燃烧效率与转速之间存在着较大的关联性，如果转速较高燃烧与空间间的混合时间和燃烧时间会相应缩短，因此还需要在转速方面进一步研究。上述阐述的排气过程会损失较大热量，应减少排气量的损失因为发电机膨胀比与压缩比之间是相等同的关系，如果大部分能量在排气过程中浪费会降低热功率。因此，提高热功率的方式还可采取将压缩比与膨胀比相等同的结果转变成不等同，在实际中采用阿特金森循环方式。

图2 发动机特性曲线图

2 汽车发电机热平衡与热功率研究现状

2.1 发电机热平衡研究现状

（1）发电机工作状态中与零部件存在的热行为研究。在研究发电机工作状态中与零部件热行为时主要是站在各种不确定参数对发电机性能影响的角度进行研究，在研究热量传递与消耗时利用了计算机仿真试验模式，通过创建的物理化学模型运用微分方程对发电机的工作状态进行数学计算，通过计算的过程获取有效功转化成热量消耗的数值及得到排气系统带走的部分热量数值。典型的研究成果中存在依据发电机缸内燃烧工作的状态建立了热力学模型及燃烧模型，特别是构建出多维模型描述出发动机的工作过程，通过各种模型的创建的各种模型对发电机的热平衡进行优化设计进而达到提升发电机性能的目的。其中，多维研究模型的建立以美国创建的KIVA 软件最为显著，其能够对发电机缸内的工作状态进行全面性的分析，而我国创建的多维研究模型在借鉴国外经验基础上创建出了RES3C-模型，能够全面性仿真发电机的有效功消耗量与计算出进排气流量进而应用于优化设计中实现提升发电机性能的目的。此外，在研究发电机缸内部件的传热情况时主要是模拟出燃烧室的对流情况、辐射传热的情况，并根据模拟后的数据进行计算分析，我国针对这方面的研究较早。在研究燃烧室部件的导热与传热行为时较为突出的是研究学者应用MARC 软件进行三维有限元分析的方式计算研究燃烧室部件的温度场与换热状态，通过本次研究为优化设计提供了理论性的基础促进设计效果的提升[2]。

（2）发动机整机热平衡的研究。以往研究汽车发电机工作过程与零部件的热行为中存在一定的局限性，为了突破研究局限性达到提升发电机性能的目的逐渐引入了发电机整机热平衡的仿真式研究过程，能够在完善研究模型的基础上进一步提升仿真结果的准确性[3]。目前，我国创建的整机热平衡研究模型与建立的系统结构还不够完善现象，主要是在发电机结构基础上构建出各系统的模型，能够在各系统模型的耦合状态与构建出整机模型实施热平衡研究，最为突出的表现是最早创建的活塞组-机油-气缸套耦合系统模型，此模型应用于热平衡研究后未将活塞环组摩擦热对热平衡的影响考虑在内，导致最终的研究结果不能实现有效的指导。目前，国内外对于汽车发电机热平衡的研究正呈现出从粗糙到精细化研究的过程，对汽车发电机的性能优化起到了积极性的推动作用。

2.2 汽车发电机热功率的研究现状

汽车发电机的热功率是评估汽车发电机性能的主要指标之一，客户在选择时更多注重的是汽车是否省油的问题，而在考察汽车是否省油的过程中除了要看排量外，更多关注的是汽车发电机热效率。发电机热功率越高代表着汽车燃油经济性越佳、性能也越强，还具有较好的排放量。因此，在研究提高发电机性能除了要研究热平衡外，还需要针对热功率的提升进行研究。汽车发电机热功率的提升主要注重三个方面：一是混合加热循环、二是等容循环、三是等压循环，通过三者之间的循环过程进行对比分析并将分析结果应用于设计中进而达到优化发电机热功率的效果。研究学者经过研究后，针对上述三方面进行了研究，从研究结论可知，通过三个循环之间的对比过程，能够挖掘出某项循环中存在的不足并针对不足进行有效的优化进而达到逐渐提升汽车发电机热功率的目的，通过热功率的提升达到了省油的目标进而满足客户的省油需求。

3 结 语

综上所述，汽车发电机热平衡与热功率的研究是提高发电机性能的重要措施，只有通过不断研究如何提升两者效率，才能在研究过程中挖掘出影响热平衡与热功率的因素并通过合理化的优化过程达到两者有效提升的目的。另外，科学技术快速发展下会诞生出更多的先进技术，在研究热平衡与热功率时应及时引入先进的技术进而达到不断提高发电机性能的目标。