劉建敏， 何盼攀， 王普凱， 劉艷斌， 韓立軍

(1. 裝甲兵工程學(xué)院訓(xùn)練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

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兩級增壓中冷柴油機(jī)冷卻散熱系統(tǒng)高海拔性能研究

劉建敏1， 何盼攀2， 王普凱2， 劉艷斌2， 韓立軍2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院訓(xùn)練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

為研究某兩級增壓中冷柴油機(jī)冷卻散熱系統(tǒng)的高原適應(yīng)性，利用GT-power軟件建立了該柴油機(jī)工作過程和冷卻散熱系統(tǒng)的耦合計(jì)算模型，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后利用該模型預(yù)測分析了柴油機(jī)在變海拔條件下冷卻散熱性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著海拔的升高，柴油機(jī)的功率、冷卻空氣質(zhì)量流量、中冷器和散熱器的散熱量均減小，為后續(xù)該柴油機(jī)變海拔性能的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

柴油機(jī)； 兩級增壓中冷； 海拔； 冷卻散熱

高海拔地區(qū)的空氣稀薄、大氣壓力低，導(dǎo)致軍用車輛柴油機(jī)的進(jìn)氣量減少、燃燒惡化、熱負(fù)荷增加，從而使其動力性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性受到影響，作戰(zhàn)性能大打折扣。因此，開展高海拔條件下柴油機(jī)冷卻散熱性能的預(yù)測和分析對提高柴油機(jī)的高原適應(yīng)性具有重要意義。

通過傳統(tǒng)的實(shí)車試驗(yàn)來研究高原環(huán)境下柴油機(jī)的冷卻散熱能力不僅耗時(shí)耗力，而且試驗(yàn)結(jié)果的精確性也難以保證，因此可采用仿真的方法進(jìn)行分析計(jì)算。任素慧等[1]對一臺16缸增壓中冷柴油機(jī)在高原條件下的速度特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，但在分析外界環(huán)境時(shí)僅僅考慮了大氣壓力的影響，其研究存在一定的局限性；汪茂海等[2]對高海拔下發(fā)動機(jī)性能和冷卻系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了修正，并通過發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)模型對某型工程車輛進(jìn)行了分析，有效解決了其高原過熱問題，但該發(fā)動機(jī)與大功率軍用柴油機(jī)有較大的區(qū)別，結(jié)論不具備通用性；劉瑞林等[3]通過GT-suite仿真軟件建立了某型車用柴油機(jī)冷卻散熱系統(tǒng)仿真模型，并利用該模型分析了不同海拔高度對柴油機(jī)冷卻散熱性能的影響，但未對增壓器和中冷器進(jìn)行研究。

基于此，筆者以某兩級增壓中冷柴油機(jī)為研究對象，利用GT-power軟件建立其工作過程和冷卻散熱系統(tǒng)的仿真模型，研究不同海拔條件下柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱的變化規(guī)律，以期為后續(xù)柴油機(jī)性能的改進(jìn)和試驗(yàn)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

1　數(shù)學(xué)模型

1.1缸內(nèi)熱力過程

將由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套內(nèi)壁面圍成的空間作為一個(gè)熱力系統(tǒng)，采用零維燃燒模型計(jì)算其熱力過程，利用壓力、溫度、質(zhì)量和組成成分參數(shù)描述工質(zhì)狀態(tài)，它們由能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程及氣體狀態(tài)方程[4]聯(lián)系起來，經(jīng)聯(lián)立求解后得到工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。其中：能量守恒方程為

(1)

根據(jù)缸內(nèi)熱力系統(tǒng)質(zhì)量守恒，可得缸內(nèi)質(zhì)量守恒方程為

(2)

理想氣體狀態(tài)方程為

pV=mRT。

(3)

式中：φ為曲軸轉(zhuǎn)角；m為缸內(nèi)氣體質(zhì)量；p、V、T分別為缸內(nèi)氣體的壓力、容積和溫度；Qb、Qw為與氣體的交換熱量；λ為過量空氣系數(shù)；?為氣體定容比熱；U為缸內(nèi)單位質(zhì)量氣體對應(yīng)的內(nèi)能；H為缸內(nèi)單位質(zhì)量氣體對應(yīng)的焓；H2為流入氣缸單位質(zhì)量氣體對應(yīng)的焓；mb為缸內(nèi)燃油質(zhì)量；me為流經(jīng)進(jìn)氣門的氣體質(zhì)量；ma為流經(jīng)排氣門的氣體質(zhì)量；R為理想氣體常數(shù)。

1.2冷卻介質(zhì)傳熱模型

冷卻介質(zhì)主要包括冷卻液和動力艙空氣等。冷卻介質(zhì)流經(jīng)柴油機(jī)部件和換熱器芯體時(shí)，與其所接觸的部件傳遞熱量，對應(yīng)的傳熱流量Qci由傳熱系數(shù)和換熱溫差決定：

Qci=aciAwi(Tci-Twi)。

(4)

式中：aci為冷卻介質(zhì)的傳熱系數(shù)，與冷卻介質(zhì)的物理性質(zhì)和流動情況有關(guān)；Tci為冷卻介質(zhì)溫度；Twi為冷卻介質(zhì)與其所接觸部件的壁面溫度；Awi為冷卻介質(zhì)與其所接觸部件的傳熱面積。對于不同的流體介質(zhì)、換熱部位，采用不同的壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算公式。

2　仿真模型

2.1耦合模型的建立

該柴油機(jī)采取了兩級增壓加兩級中冷的性能強(qiáng)化措施。在柴油機(jī)工作時(shí)，新鮮空氣經(jīng)兩級壓縮和兩級中冷提高進(jìn)氣密度，并在進(jìn)氣門開啟時(shí)流入氣缸，與燃油混合燃燒后產(chǎn)生的廢氣經(jīng)排氣門流入排氣系統(tǒng)，兩級渦輪從廢氣中回收能量，用以驅(qū)動兩級增壓機(jī)工作。

圖1為柴油機(jī)工作過程模型。在建模過程中對兩級渦輪增壓、兩級中冷、兩級渦輪的旁通閥、雙進(jìn)排氣門等結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了最大限度的保留[5]，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模擬困難且對最終結(jié)果影響不大的部件和實(shí)體進(jìn)行了部分簡化。

圖1　柴油機(jī)工作過程模型

圖2為柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)傳散熱模型，該模型包含高溫冷卻循環(huán)和低溫冷卻循環(huán)2大部分。其中：

圖2　柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)傳散熱模型

高溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)由高溫水泵、機(jī)體冷卻系統(tǒng)、一級中冷系統(tǒng)和高溫水散熱器組成；低溫冷卻循環(huán)系統(tǒng)由低溫水泵、二級中冷系統(tǒng)、機(jī)油冷卻系統(tǒng)和低溫水散熱器組成。

高溫循環(huán)系統(tǒng)主要通過冷卻液對機(jī)體和一級中冷器進(jìn)行冷卻，一級中冷器和機(jī)體的熱量均通過工作過程計(jì)算模型得到，高溫水散熱器負(fù)責(zé)對整個(gè)高溫循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液進(jìn)行冷卻。低溫循環(huán)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對二級中冷器和潤滑油進(jìn)行冷卻，運(yùn)行方式和原理與高溫循環(huán)系統(tǒng)相似。

2.2模型的驗(yàn)證

在大氣壓力為1.01 bar、溫度為25 ℃、轉(zhuǎn)速為2 200 r/min、油門為100%的工況條件下，柴油機(jī)冷卻散熱實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值對比如表1所示?？梢钥闯觯撼硕壷欣淦魈幧崃空`差較大外，其余指標(biāo)誤差均控制在較小的范圍內(nèi)。

3　海拔高度影響分析

利用上述模型分別選取0、1、2、3、4、5 km這6種海拔高度計(jì)算分析其對柴油機(jī)冷卻散熱的影響。表2為不同海拔高度下的大氣各項(xiàng)性能參數(shù)。

表1　柴油機(jī)冷卻散熱實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對比

表2　不同海拔高度下的大氣各項(xiàng)性能參數(shù)

3.1柴油機(jī)功率隨海拔的變化趨勢

圖3　柴油機(jī)功率隨海拔變化曲線

圖3為柴油機(jī)功率隨海拔變化曲線。可以看出：海拔高度在2 km以下時(shí)，海拔每升高1 km，柴油機(jī)功率下降2 kW左右；當(dāng)海拔高度在2～4 km之間時(shí)，下降幅度增加到6 kW/km；當(dāng)海拔由4 km上升到5 km時(shí)，功率下降超過了10 kW。與大氣的各項(xiàng)性能參數(shù)相比，隨著海拔升高，柴油機(jī)功率下降的相對幅度并不大，即使在海拔5 km時(shí)，功率下降也未超過3%，表明該柴油機(jī)兩級渦輪增壓系統(tǒng)具有良好的高原適應(yīng)性。

3.2冷卻空氣質(zhì)量流量隨海拔變化趨勢

圖4為冷卻空氣質(zhì)量流量隨海拔變化曲線?？梢钥闯觯弘S著海拔升高，冷卻空氣的質(zhì)量流量不斷減小，這是由于冷卻風(fēng)扇的傳動比及轉(zhuǎn)速是固定的，因此冷卻空氣的質(zhì)量流量只與同海拔高度時(shí)的空氣密度相關(guān)。

圖4　冷卻空氣質(zhì)量流量隨海拔變化曲線

3.3中冷器散熱量隨海拔的變化趨勢

圖5為中冷器散熱量隨海拔變化曲線?？梢钥闯觯?)在較低海拔時(shí)，一級中冷器的散熱量隨海拔升高而增大，這是由于壓氣機(jī)對空氣增壓的影響大于隨海拔升高空氣溫度降低的影響，而在海拔超過2 km以后，空氣溫度降低的影響大于壓氣機(jī)對空氣增壓的影響，散熱量隨海拔升高開始減??；2)二級中冷器散熱量隨海拔升高而逐漸減小，這是由于在經(jīng)歷了一級增壓中冷之后，新鮮空氣的溫度基本保持穩(wěn)定，隨著海拔升高，大氣溫度的降低對進(jìn)氣溫度的影響已可忽略，二級中冷器換熱量只與新鮮空氣質(zhì)量流量呈正相關(guān)。

圖5　中冷器散熱量隨海拔變化曲線

3.4高溫散熱器散熱量隨海拔的變化趨勢

圖6為高溫散熱器散熱量隨海拔變化曲線?？梢钥闯觯焊邷厣崞魃崃侩S海拔升高而不斷減小，這是由于冷卻空氣的質(zhì)量流量隨海拔的升高而不斷減小，冷卻空氣帶走熱量的能力不斷下降；海拔在2 km以下時(shí)，高溫散熱器散熱量的下降幅度較小，這是因?yàn)橐患壷欣淦鞯纳崃吭诤０? km以下時(shí)逐漸增加，在一定程度上延緩了高溫散熱器散熱量的減小。

圖6　高溫散熱器散熱量隨海拔變化曲線

3.5冷卻液出水溫度隨海拔的變化趨勢

圖7為機(jī)體冷卻液出水溫度隨海拔變化曲線。可以看出：機(jī)體冷卻液出水溫度隨海拔升高而不斷升高，這是由于機(jī)體冷卻液出水溫度的變化與氣缸套傳遞給冷卻液的熱量有直接關(guān)系[6]，而氣缸套的熱量是由燃?xì)鈧鬟f過來的，它的變化規(guī)律與燃?xì)鈳ё邿崃康淖兓?guī)律相同。

圖7　機(jī)體冷卻液出水溫度隨海拔變化曲線

4　結(jié)論

筆者利用GT-power軟件建立了某軍用柴油機(jī)工作過程及冷卻散熱模型,利用軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞的方法將中冷器工作過程模型內(nèi)部的換熱量傳遞給冷卻散熱模型，從而實(shí)現(xiàn)了兩者之間的耦合計(jì)算，并通過實(shí)驗(yàn)證明了該模型的正確性。

通過改變模型的參數(shù)值，研究了不同海拔下柴油機(jī)的工作狀態(tài)。結(jié)果表明：隨著海拔升高，由于空氣壓力、密度、溫度、空燃比和燃油效率的降低，柴油機(jī)的功率、新鮮空氣流量、兩級中冷器的散熱量和散熱器的散熱量等都呈下降趨勢，機(jī)體冷卻液的出水溫度隨海拔上升而不斷升高，但變化幅度并不大，考慮到模型存在一定程度的誤差，還需作進(jìn)一步的研究。

[1]任素慧，李人憲.高原條件下柴油機(jī)速度特性的計(jì)算模擬[J].內(nèi)燃機(jī)，2007,(1):25-28.

[2]汪茂海，陳濤，張揚(yáng)軍，等.高原發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)性能分析研究[J].汽車工程，2010,32(10):851-853.

[3]劉瑞林，王凱，周磊，等.海拔高度對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能影響的仿真研究[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2014,16(9):26-30.

[4]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:48-49.

[5]王普凱.車用大功率內(nèi)燃機(jī)熱狀態(tài)建模與計(jì)算研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2009.

[6]劉曉，畢小平，李義軍，等.冷卻系統(tǒng)熱流量分配計(jì)算與試驗(yàn)對比分析[J].車輛與動力技術(shù)，2013，129(1):41-44.

(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Study on Variable Altitude Capability of the Cooling and Radiating System in Two-stage Turbocharged and Intercooled Diesel Engine

LIU Jian-min1, HE Pan-pan2, WANG Pu-kai2, LIU Yan-bin2, HAN Li-jun2

(1. Department of Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To analyze the plateau adaptability of the cooling and radiating system in the two-stage turbocharged and intercooled diesel engine, the coupling calculation model of working process, cooling and radiating system is established using the software of GT-power. After being certificated by the experiment data, then the model is used to predict the changing law of cooling and radiating capability of the diesel engine at variable altitude. The result shows that with the increase of altitude, the power, mass flow of the cooling air, the heat volume of cooling and radiating engine, and the temperature of cooling water in the diesel engine are all decreased, which provides a theoretical basis to improve the cooling and radiating of the diesel engine.

diesel engine; two stage turbocharged and intercooled; altitude; cooling and radiating

1672-1497(2016)04-0035-05

2016-04-12

國家“973”計(jì)劃項(xiàng)目

劉建敏(1963-)，男，教授，博士。

TK424.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.007