許翔， 劉楠， 劉剛

(1. 軍事交通學(xué)院軍用車輛系, 天津 300161； 2. 海軍工程大學(xué)研究生院, 湖北 武漢 430033)

高壓共軌柴油機(jī)高海拔熱平衡模擬試驗(yàn)研究

許翔1， 劉楠2， 劉剛1

(1. 軍事交通學(xué)院軍用車輛系, 天津 300161； 2. 海軍工程大學(xué)研究生院, 湖北 武漢 430033)

在內(nèi)燃機(jī)高海拔(低氣壓)模擬試驗(yàn)臺上，對某高壓共軌柴油機(jī)進(jìn)行了模擬高原環(huán)境的熱平衡試驗(yàn)，研究了海拔高度和冷卻液溫度對柴油機(jī)整機(jī)熱流量分配的影響。結(jié)果表明：隨著海拔的升高，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量以及排氣帶走的熱量逐漸下降，冷卻液散熱量逐漸增大，其他熱量損失大幅增加；在相同海拔下，隨著冷卻液溫度的升高，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量和排氣帶走的熱量逐漸增加，冷卻液帶走的熱量大幅下降，其他熱量損失明顯增大；當(dāng)海拔大于3 000 m后各項(xiàng)熱流量分配的增幅或降幅變化更加明顯。

高壓共軌柴油機(jī)； 高原； 熱平衡試驗(yàn)； 冷卻液溫度； 熱流量

我國擁有世界上海拔最高、面積廣闊的高原。高原環(huán)境大氣壓力下降、空氣密度降低，對車用發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、起動性、熱平衡等性能產(chǎn)生顯著影響[1]。由于現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度越來越高，生產(chǎn)的熱流密度明顯增大，使得發(fā)動機(jī)零部件工作環(huán)境更加惡劣。尤其是在高原環(huán)境下，由于燃燒惡化使發(fā)動機(jī)受熱零部件熱負(fù)荷升高，空氣密度下降導(dǎo)致發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力顯著下降[2]，冷卻水沸點(diǎn)隨海拔升高而下降，以上因素共同作用導(dǎo)致車用發(fā)動機(jī)在高原使用時(shí)易出現(xiàn)排氣管燒損、“開鍋”、拉缸等故障，嚴(yán)重影響車用發(fā)動機(jī)在高原的正常使用。

目前國內(nèi)外對發(fā)動機(jī)的熱平衡研究主要集中在平原環(huán)境條件下[3-6]，高原環(huán)境條件下發(fā)動機(jī)的熱平衡技術(shù)研究較少[7-8]。高原環(huán)境條件下車用發(fā)動機(jī)的熱平衡問題在我國更加重要，為了研究燃料燃燒產(chǎn)生的熱量在柴油機(jī)各系統(tǒng)中的分配情況，評價(jià)柴油機(jī)的熱效率與設(shè)計(jì)水平，探索改善柴油機(jī)高原熱平衡性能的技術(shù)途徑，進(jìn)一步提升高壓共軌柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性，本研究設(shè)計(jì)了柴油機(jī)高原熱平衡模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了高壓共軌柴油機(jī)高原熱平衡性能模擬試驗(yàn)，研究了海拔(大氣壓力)和冷卻液工作溫度對高壓共軌柴油機(jī)熱流量分配等的影響規(guī)律，為高壓共軌柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 柴油機(jī)高海拔熱平衡模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

柴油機(jī)高原熱平衡模擬試驗(yàn)系統(tǒng)總體布置見圖1。試驗(yàn)裝置包括發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣壓力及溫度模擬系統(tǒng)(海拔模擬范圍0～6 000 m，大氣溫度模擬范圍-41～35 ℃)、CW440電渦流測功機(jī)、CMFD瞬態(tài)油耗儀、LQY600冷卻水恒溫裝置、ZL3000中冷恒溫裝置以及各種流量、溫度和壓力傳感器等。試驗(yàn)測量參數(shù)主要包括燃油消耗量、進(jìn)氣流量、柴油機(jī)進(jìn)出口冷卻液溫度、進(jìn)排氣溫度和水泵流量等。試驗(yàn)用柴油機(jī)為1臺經(jīng)過噴油參數(shù)標(biāo)定的重型高壓共軌柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1—測功機(jī); 2—柴油機(jī); 3—真空泵; 4—排氣穩(wěn)壓箱; 5—進(jìn)氣穩(wěn)壓箱; 6—電動蝶閥; 7—進(jìn)氣流量計(jì); 8—水流量計(jì); 9—水泵; 10—壓氣機(jī); 11—渦輪機(jī); 12—節(jié)溫器; 13—冷卻水恒溫; 14—中冷恒溫; 15—溫度計(jì); 16—控制與采集系統(tǒng) 圖1 柴油機(jī)高海拔熱平衡模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃，大氣壓力為100 kPa，濕度為40%。試驗(yàn)過程中，模擬海拔高度從平原(4 m)到5 000 m，每組試驗(yàn)間隔1 000 m。試驗(yàn)時(shí)柴油機(jī)全速全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，相同工況不同模擬海拔下噴油參數(shù)均保持不變。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速從900 r/min到2 100 r/min每隔400 r/min取1個(gè)轉(zhuǎn)速測點(diǎn)。各測點(diǎn)柴油機(jī)內(nèi)循環(huán)水流量保持基準(zhǔn)流量，通過冷卻液恒溫裝置將柴油機(jī)冷卻液進(jìn)口溫度分別控制在50，60，70，80，90 ℃，當(dāng)柴油機(jī)進(jìn)、出水溫差的波動不超過±0.1 ℃/min時(shí)，測量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

柴油機(jī)燃料完全燃燒產(chǎn)生的熱量Qf一般可分為以下幾個(gè)部分：轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)有效功的熱量Qe、排氣帶走的熱量Qex、冷卻液帶走的熱量Qw以及余項(xiàng)損失Qres(柴油機(jī)機(jī)體、缸蓋和油底殼等表面的散熱量)，其中各部分熱量的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[3],在此不再詳細(xì)介紹。

柴油機(jī)的熱平衡方程為

Qf=Qe+Qw+Qex+Qres。

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 海拔對熱流量分配的影響

圖2示出柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)各種熱流量分配比例隨海拔的變化。當(dāng)柴油機(jī)工況穩(wěn)定時(shí)，隨著海拔的升高，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量和排氣帶走的熱量均逐漸下降，而冷卻水帶走的熱量和余項(xiàng)損失卻逐漸增加。

圖2 柴油機(jī)熱流量分配隨海拔的變化

圖3示出柴油機(jī)轉(zhuǎn)化為有效功的熱量隨海拔的變化。隨著海拔的升高，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量逐漸下降，海拔每升高1 000 m，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量下降2.5%～8.4%，平均下降約11.1 kW，且低轉(zhuǎn)速區(qū)下降幅度比高轉(zhuǎn)速區(qū)大。隨著海拔的升高，大氣壓力和空氣密度下降，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣流量下降明顯(見圖4)，渦輪增壓器效率下降，尤其是低轉(zhuǎn)速下降更明顯，當(dāng)噴油參數(shù)不變時(shí)，缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量變差，燃燒惡化，平均指示壓力減小，柴油機(jī)熱效率下降，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為有效功的熱量下降[9]。

圖3 轉(zhuǎn)化為有效功的熱量隨海拔的變化

圖4 柴油機(jī)進(jìn)氣流量隨海拔的變化

由圖5可看出，隨著海拔的升高，冷卻液帶走的熱量逐漸增加。海拔每升高1 000 m，冷卻液帶走的熱量平均增加5.3%，約8 kW。由于大氣壓力的下降及空氣密度的減小，使得柴油機(jī)進(jìn)氣流量減少，引起過量空氣系數(shù)的下降，缸內(nèi)燃燒不充分，后燃嚴(yán)重，導(dǎo)致柴油機(jī)缸內(nèi)工質(zhì)及活塞和缸體等受熱零部件溫度整體升高，在相同冷卻液工作溫度下，柴油機(jī)缸體冷卻水套傳給冷卻液的熱量也相應(yīng)增大，且隨著海拔的升高增幅明顯增大。

圖5 冷卻液帶走的熱量隨海拔的變化

排氣帶走的熱量和排氣溫度隨海拔的變化見圖6和圖7。隨著海拔的升高，排氣帶走的熱量逐漸下降，且高轉(zhuǎn)速區(qū)下降幅度比低轉(zhuǎn)速區(qū)大。海拔每升高1 000 m，不同轉(zhuǎn)速下排氣帶走的熱量平均下降了13.3 kW，約為4.6%。排氣帶走熱量與進(jìn)排氣流量和排氣溫度有關(guān)，海拔每升高1 000 m，不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣流量平均下降了93.7 kg/h，下降約7.6%，且高轉(zhuǎn)速區(qū)進(jìn)氣流量的下降幅度比低轉(zhuǎn)速區(qū)要大。進(jìn)氣流量的減少會導(dǎo)致缸內(nèi)油氣混合變差、燃燒不充分，后燃嚴(yán)重，造成排氣溫度的升高。但是，柴油機(jī)排氣流量的下降比排氣溫度的升高對排氣帶走的熱量值影響更大，故最終導(dǎo)致了排氣帶走熱量的下降。

圖6 排氣帶走的熱量隨海拔的變化

余項(xiàng)損失隨海拔的變化見圖8。海拔每升高1 000 m，各轉(zhuǎn)速下余項(xiàng)熱量損失平均增加了16.4 kW，約為40.1%，增幅非常明顯；高轉(zhuǎn)速工況下余項(xiàng)熱量損失的增幅最大。在噴油參數(shù)和燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量保持不變的前提下，高海拔條件下柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，熱負(fù)荷增大，缸內(nèi)工質(zhì)、活塞和缸體以及機(jī)體等溫度整體升高，導(dǎo)致大量熱量通過高溫機(jī)體以導(dǎo)熱、對流或熱輻射的方式散失。

圖7 排氣溫度隨海拔的變化

圖8 余項(xiàng)損失隨海拔的變化

2.2 冷卻液溫度對熱流量分配的影響

當(dāng)柴油機(jī)在最大扭矩工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，噴油參數(shù)不變，柴油機(jī)入口冷卻液溫度分別控制在50，60，70，80，90 ℃時(shí)，不同海拔下轉(zhuǎn)化為有效功的熱量變化見圖9。在海拔為4，3 000，5 000 m時(shí)，冷卻液溫度每升高10 ℃，柴油機(jī)轉(zhuǎn)化為有效功的熱量分別增加了2.6%，2.9%和3.7%。在同一轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率隨冷卻液溫度的升高而增大[10]。隨著冷卻液溫度的升高，高海拔區(qū)域轉(zhuǎn)化為有效功的熱量增加的幅度更大，柴油機(jī)動力性提高得更明顯。

圖9 轉(zhuǎn)化為有效功的熱量隨冷卻液溫度的變化

不同海拔下冷卻液帶走的熱量隨冷卻液溫度的變化見圖10。柴油機(jī)本體傳給冷卻液的熱量隨冷卻液溫度的變化非常明顯。冷卻液溫度每升高10 ℃，冷卻液帶走的熱量平均降低了14.5%。當(dāng)海拔、冷卻液溫度和流量一定時(shí)，影響冷卻液帶走熱量的主要因素是缸內(nèi)工質(zhì)平均溫度和冷卻液與缸體水套之間的傳熱系數(shù)。海拔和冷卻液溫度對缸內(nèi)燃?xì)馀c氣缸壁面之間的對流換熱系數(shù)影響較小。由于高原缸內(nèi)平均燃燒溫度較高、熱負(fù)荷大，氣缸內(nèi)工質(zhì)溫度和冷卻液之間的溫差更大。因此，隨著冷卻液溫度的升高，高海拔區(qū)域相對于低海拔區(qū)域冷卻液帶走的熱量下降幅度更大。

圖10 冷卻液帶走熱量隨冷卻液溫度的變化

排氣帶走的熱量隨冷卻液溫度的變化見圖11。排氣帶走的熱量隨冷卻液入口溫度升高而逐漸增大。在海拔4，3 000，5 000 m時(shí)，冷卻液溫度每升高10 ℃，排氣帶走的熱量分別增加了1.9%，2.0%和3.0%。相對于低海拔區(qū)，在冷卻液溫度升高相同的幅度下，高海拔區(qū)冷卻液帶走的熱量下降幅度更大，導(dǎo)致氣缸內(nèi)燃?xì)鈨?nèi)能增加的幅度更大，熱量增加更多，而增加的熱量大部分由廢氣排出柴油機(jī)體外，使得排氣溫度有更大程度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致排氣帶走的熱量增加幅度更大。

圖11 排氣帶走熱量隨冷卻液溫度的變化

由圖12可看出，余項(xiàng)損失隨冷卻液溫度的升高逐漸增大。冷卻液溫度每升高10 ℃，余項(xiàng)熱量損失平均增加19.4%。在相同冷卻液溫度下，隨著海拔的升高，余項(xiàng)損失不斷增加，且海拔越高，增加的幅度越大。在冷卻液溫度升高相同幅度下，高海拔區(qū)相比于低海拔區(qū)，一方面缸內(nèi)燃?xì)鉁囟壬吒?，傳遞給柴油機(jī)零部件的熱量更多，導(dǎo)致缸體表面散熱量和輻射散熱量更多，另一方面機(jī)油溫度升高更多，油底殼散熱量更大，從而造成余項(xiàng)損失增加的幅度更大。

圖12 余項(xiàng)損失隨冷卻液溫度的變化

圖13示出柴油機(jī)在海拔5 000 m、標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)各部分熱流量分配比例隨冷卻液溫度的變化。由圖可知，冷卻液溫度對冷卻系統(tǒng)散熱量以及通過柴油機(jī)機(jī)體、缸蓋和油底殼等表面的散熱量影響顯著。當(dāng)柴油機(jī)在高原地區(qū)工作時(shí)，柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)必須提供足夠的冷卻強(qiáng)度才能降低冷卻液工作溫度，進(jìn)而控制柴油機(jī)的熱負(fù)荷。

圖13 海拔5 000 m熱流量分配隨冷卻液溫度的變化

3 結(jié)論

a) 海拔每升高1 000 m，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量下降2.5%～8.4%，且低轉(zhuǎn)速區(qū)下降幅度比高轉(zhuǎn)速區(qū)大，冷卻液帶走的熱量增加5.3%，排氣帶走的熱量下降4.6%，且高轉(zhuǎn)速區(qū)下降幅度比低轉(zhuǎn)速區(qū)大，余項(xiàng)損失增加40.1%；

b) 冷卻液溫度每升高10 ℃，轉(zhuǎn)化為有效功的熱量和排氣帶走的熱量平均增加3%，且隨著海拔升高增幅變大，冷卻液帶走的熱量降低14.5%，余項(xiàng)損失增加19.4%；

c) 在高海拔條件下，燃料釋放的大部分熱量損失在廢熱中，3 000 m是柴油機(jī)熱流量分配發(fā)生變化的“拐點(diǎn)”，當(dāng)海拔高度大于3 000 m后各項(xiàng)熱流量分配的增幅或降幅變化更加明顯；

d) 隨著冷卻液工作溫度的改變，不同海拔柴油機(jī)熱流量分配的變化規(guī)律基本一致，在保證柴油機(jī)熱負(fù)荷滿足使用要求的前提下，適當(dāng)增大冷卻液工作溫度可以降低缸內(nèi)傳熱損失，進(jìn)而提高柴油機(jī)的熱功轉(zhuǎn)換效率。

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[編輯： 潘麗麗]

Simulation Test on Thermal Balance of Common Rail Diesel Engine at High Altitude

XU Xiang1， LIU Nan2， LIU Gang1

(1. Department of Military Vehicle, Military Transportation Institute, Tianjin 300161, China;2. Postgraduate School, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The thermal balance performance of common rail diesel engine at different altitudes was studied on the plateau-simulated test bench. The influences of altitude and coolant temperature on heat flow distribution of diesel engine were analyzed. The results indicate that the converted heat from effective output power and the heat taken away by the exhaust gas decrease gradually, the transferred energy to coolant increases and the other unaccounted heat losses increase largely with the increase of altitude. At the same altitude, the converted heat from effective output power and the heat taken away by the exhaust gas increase gradually, the transferred energy to coolant decrease and the other unaccounted heat losses still increase largely with the increase of coolant temperature. It is also found that all the heat flow distributions change sharply beyond the altitude of 3 000 m.

high pressure common rail diesel engine; plateau; thermal balance test; coolant temperature; heat flow

2016-03-28；

2016-06-15

軍內(nèi)科研項(xiàng)目(ZL2012500)

許翔(1978—)，男，講師，博士，主要研究方向?yàn)檐囉冒l(fā)動機(jī)環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)；xu1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.010

TK421

B

1001-2222(2016)06-0052-05