沈 凱,徐向陽,王先勇,倪計民
(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海201804;2.一汽客車(無錫)有限公司,江蘇 無錫214177)
近年來客車發(fā)動機(jī)后置越來越成為主流,主要因為后置式發(fā)動機(jī)客車具有客艙噪聲小、舒適性高、軸負(fù)荷均勻、傳動鏈短、機(jī)械效率高以及發(fā)動機(jī)艙空間大、各部件相對方便配置等優(yōu)勢.但是在使用中發(fā)現(xiàn),后置發(fā)動機(jī)存在不同程度的水溫偏高,甚至散熱器冷卻水沸騰現(xiàn)象,發(fā)動機(jī)過熱等不良現(xiàn)象對發(fā)動機(jī)及其配件壽命帶來嚴(yán)重影響,而造成后置發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱不良的主要原因是發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)沒有迎面風(fēng),其冷卻空氣主要依靠冷卻風(fēng)扇和側(cè)面格柵進(jìn)風(fēng).研究表明,后置發(fā)動機(jī)與前置發(fā)動機(jī)相比冷卻風(fēng)量損失30%以上[1].
因此后置發(fā)動機(jī)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的工作能力至關(guān)重要,如今一般研究的重點主要放在零部件的優(yōu)化上,其中以散熱器和風(fēng)扇的優(yōu)化改進(jìn)最為突出.如增加散熱器正面積以擴(kuò)大迎風(fēng)面積[2],減小散熱器芯子厚度來減小風(fēng)阻,改變散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加散熱肋片提高散熱效率等[3];提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,改變風(fēng)扇葉片數(shù)量,優(yōu)化風(fēng)扇葉片角度等提高風(fēng)扇氣動性能[4-6].除了對零部件的改進(jìn),研究人員對減小空氣流道阻力也提出了相關(guān)的設(shè)計和設(shè)想[7-8].但是關(guān)于發(fā)動機(jī)艙整體布置對冷卻系統(tǒng)的影響的研究相對較少.
基于上述原因,以某后置客車為研究對象,針對冷卻系統(tǒng)過熱甚至“開鍋”問題,通過道路試驗觀察發(fā)動機(jī)艙溫度分布情況.因為在環(huán)境溫度比較低并保證冷卻系統(tǒng)散熱能力的情況下進(jìn)行道路試驗可以更加清晰地觀察后置發(fā)動機(jī)艙熱點分布情況,分析熱點分布對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響,并通過道路油耗試驗分析油耗、車速和后置發(fā)動機(jī)艙溫度場變化.
試驗中選用記錄型多點溫度采集儀測量溫度場分布,利用光電式車速儀測量車速,采用“掛油桶稱重法”測量油耗.具體儀器參數(shù)如表1所示.試驗客車的主要參數(shù)如表2所示.
表1 試驗測量儀器Tab.1 Test instruments
試驗中為了對發(fā)動機(jī)艙溫度場進(jìn)行測量,共布置10個機(jī)艙空間溫度測點,分別為發(fā)動機(jī)艙背面出口處(靠左)T1測點、發(fā)動機(jī)下方T2測點、發(fā)動機(jī)右側(cè)偏下T3測點、發(fā)動機(jī)前T4測點、發(fā)動機(jī)上方(靠近發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管)T5測點、靠近左邊格柵處T6測點、發(fā)動機(jī)右側(cè)偏上冷卻風(fēng)扇之后T7測點、膨脹水箱處T8測點、發(fā)動機(jī)艙背面出口處(中間)T9測點、發(fā)動機(jī)左側(cè)偏上(靠近助力轉(zhuǎn)向油泵)T10測點.試驗用客車后置發(fā)動機(jī)艙如圖1所示,具體測點布置如圖2所示.
表2 試驗客車主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the test bus
圖1 試驗客車發(fā)動機(jī)艙Fig.1 Engine compartment arrangement
試驗主要在高速公路上進(jìn)行,為了能準(zhǔn)確計算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,在恒定速度行駛時擋位始終在直接擋.分別測量在40,50,60,70,80,90km·h-1時的油耗和機(jī)艙空間各點的溫度.整車空載質(zhì)量為10 500 kg,試驗中實際載荷為13 800kg.試驗過程中環(huán)境溫濕度基本穩(wěn)定,溫度范圍為5~7℃,相對濕度范圍為38%~40%,基本無風(fēng),環(huán)境條件良好.
2.1.1 不同高度溫度分布
分別比較客車在不同車速下發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空間不同高度各測點溫度分布,如圖3所示.
圖2 發(fā)動機(jī)艙溫度測點布置Fig.2 Temperature observation sites in engine compartment
圖3 不同高度機(jī)艙空間各點溫度Fig.3 Temperatures at different heights in engine compartment
對發(fā)動機(jī)艙溫度場分布特點的綜合分析認(rèn)為:①發(fā)動機(jī)艙內(nèi)最低點出現(xiàn)在點T2,盡管此處靠近發(fā)動機(jī)油底殼和排氣管,但是由于高度已經(jīng)基本和整車底盤齊平,順著底盤的迎面風(fēng)已經(jīng)可以流到發(fā)動機(jī)下方,對發(fā)動機(jī)下部進(jìn)行降溫.②點T3在發(fā)動機(jī)和風(fēng)扇之間偏下方的位置,此處受到底盤風(fēng)的影響依然較大,但是也有部分經(jīng)過散熱器加熱的冷卻空氣流過,所以溫度比點T2稍高.③點T7位于發(fā)動機(jī)和風(fēng)扇之間距風(fēng)扇較近,此處位置較高,底盤風(fēng)已經(jīng)很少能影響到,主要是經(jīng)過散熱器加熱的冷卻空氣流過,溫度上升很快.④點T10在發(fā)動機(jī)和左側(cè)格柵之間,從格柵進(jìn)入的環(huán)境空氣由于角度和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)系多數(shù)無法流過,加上發(fā)動機(jī)的阻擋,從右側(cè)冷卻風(fēng)扇吹來的冷卻空氣對此處的影響也很少,所以溫度較高.⑤點T5在發(fā)動機(jī)上方,受到發(fā)動機(jī)散熱的直接影響,加上發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的熱空氣大多數(shù)經(jīng)過此處后由發(fā)動機(jī)艙后出口排出,當(dāng)客車低速行駛時,發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣一部分從艙后背面排出;但由于底面開口較大,車速較低時也有一部分熱空氣從機(jī)艙底面排出.但在車速較高時,一方面是發(fā)動機(jī)和散熱器的散熱量隨之增加,另一方面由于車速較高,機(jī)艙內(nèi)部與艙外環(huán)境空氣相比形成負(fù)壓區(qū)域,大量環(huán)境空氣從兩側(cè)格柵和機(jī)艙底面涌入,而從底面排出的熱空氣比例隨之減少,相應(yīng)的從機(jī)艙背面出口排出的熱空氣量增加,即經(jīng)過發(fā)動機(jī)上部的熱空氣量增加,導(dǎo)致此處溫度上升很快.因此此處的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管保溫措施顯得尤為重要,如果受到此處溫度影響,發(fā)動機(jī)的充氣效率會降低.
2.1.2 同一高度溫度分布
選擇接近發(fā)動機(jī)上部的某一平面測試其溫度分布.因為右側(cè)格柵附近有散熱器和風(fēng)扇阻擋無法布置測點,所以僅測得從左到右點T6,T10,T7的溫度分布,如圖4所示.
圖4 同一高度機(jī)艙空間各點溫度Fig.4 Temperatures at the same height in engine compartment
從圖4可以看出,在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)同一水平高度發(fā)動機(jī)左側(cè)越靠近發(fā)動機(jī)溫度越高,但是在發(fā)動機(jī)右側(cè)空間內(nèi)溫度變化不大.分析認(rèn)為,左側(cè)格柵由于角度的關(guān)系只有一部分冷卻空氣流向發(fā)動機(jī),而右側(cè)格柵的進(jìn)風(fēng)受到冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動,有大量的冷卻空氣經(jīng)過散熱器加熱后流向發(fā)動機(jī),但在發(fā)動機(jī)表面形成回流,與冷卻風(fēng)扇空氣再混合,因此在發(fā)動機(jī)和冷卻風(fēng)扇之間的對流較強(qiáng),且存在回流和渦流,所以在這片區(qū)域內(nèi)溫度變化不大.
在客車道路試驗中,因為檔位不變,所以百公里油耗變化基本隨車速提高而增加,如圖5所示.
圖5 直接擋情況下百公里油耗與車速的關(guān)系Fig.5 Relationship of fuel consumption and speed per 100km at direct gear
發(fā)動機(jī)艙空間各點溫度隨車速的變化情況如圖6所示.從圖6可知,機(jī)艙各測點溫度多數(shù)隨著車速的變化而變化,但是也有空間點溫度隨車速的變化幅度不大,如點T6,T7,T10.分析認(rèn)為,左側(cè)格柵附近受環(huán)境溫度影響較大,但是在車速達(dá)到90km·h-1時溫度突然降低,說明在車速較高的情況下,大量環(huán)境空氣涌入打破此處熱平衡,導(dǎo)致了溫度的下降,可以預(yù)見,若車速繼續(xù)提高,點T6的溫度將繼續(xù)下降.
圖6 測點溫度隨車速的變化Fig.6 Temperatures of different measure points at different speeds
在發(fā)動機(jī)左側(cè),助力轉(zhuǎn)向油泵附近,此處離發(fā)動機(jī)本身較近,離左側(cè)格柵較遠(yuǎn),同時因為發(fā)動機(jī)的阻擋,冷卻風(fēng)扇的冷卻空氣也很少能涉及此處,所以導(dǎo)致此處溫度較高.與點T6相反,由于受發(fā)動機(jī)散熱影響較大,受左側(cè)格柵處冷空氣影響較小,在車速達(dá)到80km·h-1時,發(fā)動機(jī)散熱量增加幅度超過冷空氣風(fēng)量增加幅度引起點T10的溫度升高.
說它是有一部《紅樓夢》,我比較認(rèn)同,金太太之于賈母,二姨太之于李紈,清秋當(dāng)然為釵黛結(jié)合,梅麗之于湘云,小憐之于襲人,玉芬之于王熙鳳,等等。但是若說金燕西如同賈寶玉,我絕不認(rèn)同,除了有點憐香惜玉之外,他們沒有多少共同之處。而金燕西口中的“憐香”反而領(lǐng)兩個深愛他的人傷心愈裂,或許這并不是所謂的“憐香”,而是自己率性而為的自私,并且外帶極其沒有責(zé)任感。
點T7位于風(fēng)扇和散熱器后,圖3和圖6都表明此處溫度隨著車速變化基本保持不變,說明在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力完全滿足的情況下,通過電磁離合器風(fēng)扇調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量,冷卻空氣出口溫度基本不變,這與其他試驗中結(jié)果是吻合的[9].由此根據(jù)式(1)可知,在可調(diào)速冷卻風(fēng)扇調(diào)節(jié)下,散熱器散熱量與冷卻空氣流量成正比.
式中:Q為散熱器散熱量,J;qvw為冷卻水流量,kg·s-1;c1為冷卻水比熱容,J·(kg·K)-1;t1為散熱器進(jìn)口冷卻水溫度,℃;t2為散熱器冷卻水出口溫度,℃;qva為冷卻空氣流量,kg·s-1;c2為冷卻空氣比熱,J·(kg·K)-1;t3為冷卻空氣進(jìn)口溫度,℃;t4為冷卻空氣出口溫度,℃.
在靠近機(jī)艙上部出口處布置了T1,T9,T8,分別是左、中、右3點,如圖7所示.隨車速變化的溫度分布如圖6所示.
發(fā)動機(jī)艙背面上部出口附近溫度相差不大,基本上保持在20℃~30℃,點T1隨著車速提高溫度也慢慢提高.低速行駛時,點T8相對其他2點溫度稍低,那是因為點T8被膨脹水箱阻擋,流經(jīng)散熱器和發(fā)動機(jī)被加熱的熱空氣很少從右邊排出,此處可以說是整個發(fā)動機(jī)艙的死角.但是隨著車速的增加,特別到80km·h-1時溫度上升很快,而點T9的溫度卻下降,這是因為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致整個發(fā)動機(jī)艙的散熱量增加,而車速提高后冷卻風(fēng)量隨之增加,點T9溫度反而下降,點T8由于沒有足夠的風(fēng)量將熱量排出,因此溫度反而比點T9高.點T8在發(fā)動機(jī)散熱量小、冷卻系統(tǒng)散熱效果較好時溫度較低,而在發(fā)動機(jī)散熱量大、冷卻系統(tǒng)散熱效果差時會是整個發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度最高點之一.
圖7 發(fā)動機(jī)艙出口處溫度隨車速的變化Fig.7 Temperatures variation with speeds at the exit of engine compartment
除上述各點外,從圖7可以知道,隨車速增加而溫度升高的還有點T2,T3.這2點的溫度上升率較小,如T2,T3溫度升高是由于靠近油底殼,轉(zhuǎn)速增加后,機(jī)油泵流量增加,潤滑系統(tǒng)帶走熱量增加,使油底殼溫度升高,但又由于2點都靠近底盤,車速提高后迎面風(fēng)量也大大增加,因此溫度升高并不快.點T3位置比點T2稍高,所以溫度也較高,但是升溫率基本和點T2相同.
清華大學(xué)的過增元教授從流場和溫度場相互耦合的角度出發(fā)提出了對流傳熱強(qiáng)化的場協(xié)同理論[10-11],該理論把對流傳熱比擬為有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱,熱源強(qiáng)度不僅取決于流體的速度和物理性質(zhì),流速矢量與熱流矢量的協(xié)同作用對對流傳熱也有關(guān)鍵影響.對流的存在不僅能強(qiáng)化傳熱,也可能對傳熱無實質(zhì)影響,甚至?xí)魅鮽鳠?二維場協(xié)同的換熱原理如無因次關(guān)聯(lián)式(2)所示:
式中:Nu為努賽爾數(shù);Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特數(shù);U為流體速度,m·s-1;T為Δ溫度梯度,℃;y方向指與流體運Δ動垂直的方向.U·T=|U||T|·cosβ,β為U和T的夾角.
因此當(dāng)cosβ>0,即0°<β<90°時,Nu隨β的減小而增大;當(dāng)β=0°時,Nu達(dá)到最大值.而發(fā)動機(jī)艙中發(fā)動機(jī)和散熱器表面溫度梯度變化示意圖基本如圖8所示.可以明顯發(fā)現(xiàn)除了熱源附近溫度梯度比較大、等溫線比較密集外,右側(cè)空間的等溫線比左側(cè)密集很多,這是因為在冷卻風(fēng)扇和散熱器的作用下經(jīng)過散熱器加熱的冷卻空氣流到發(fā)動機(jī)時引起了渦流.渦流是影響壁面換熱的重大因素,這是因為渦流事實上多數(shù)是由流體受到回流影響而形成.根據(jù)式(2),在冷卻壁面當(dāng)冷流體正對熱壁面流動時是β=0°、流體沿著最大溫度梯度方向流動、Nu最大、換熱系數(shù)最大的時候.一旦發(fā)生回流,回流的β=180°,是Nu為負(fù)值最小的情況,因此回流的產(chǎn)生會極大削弱壁面的冷卻效果.
圖8 車速50km·h-1時發(fā)動機(jī)艙某水平面溫度分布示意Fig.8 Temperature distribution in a plane of engine compartment at the speed of 50km·h-1
在發(fā)動機(jī)艙的布置中,減少回流將有效提升散熱效果.首先,在冷卻風(fēng)扇和發(fā)動機(jī)之間盡可能少布置零部件,以減少風(fēng)道阻力和回流;其次,在發(fā)動機(jī)表面可以安裝90°圓角導(dǎo)流板,引導(dǎo)冷卻風(fēng)經(jīng)過發(fā)動機(jī)表面后不會回流而是改變方向從發(fā)動機(jī)艙尾部出口流出.另外,在對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部件進(jìn)行冷卻時,艙內(nèi)散熱單元布置應(yīng)該盡量遵循沿冷卻空氣流動方向并根據(jù)溫度逐漸升高的順序排列,使換熱效率達(dá)到最大.
實際的后置客車發(fā)動機(jī)艙中零部件繁多,艙內(nèi)流場非常復(fù)雜,零部件布置會直接影響發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)及艙內(nèi)的散熱效果.而有效的熱管理分析可以優(yōu)化冷卻系統(tǒng),保證零部件可靠工作,降低整車油耗,實現(xiàn)節(jié)能減排.
(1)就本車型而言,從后置發(fā)動機(jī)艙空間溫度分布來看,上部溫度較高,下部溫度較低,發(fā)動機(jī)右側(cè)空間溫度比左側(cè)稍高.最高溫度出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)上部,因此要加強(qiáng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管的保溫措施,否則會導(dǎo)致充氣效率下降.
(2)在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力足夠的情況下,冷卻風(fēng)扇調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使冷卻空氣出口溫度隨車速基本保持不變,冷卻空氣流量與散熱器散熱量成正比.
(3)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的渦流是削弱壁面降溫的重要原因.艙內(nèi)各部件的布置應(yīng)該盡量使溫度梯度方向與流動方向相同.
(4)原車型發(fā)動機(jī)艙溫度場和流場的測量、模擬分析對優(yōu)化冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)艙設(shè)計起到至關(guān)重要的作用.在保證車輛可靠運行的基礎(chǔ)上,降低油耗,實現(xiàn)節(jié)能減排.
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