周廣猛，楊春浩,2，陳陸陽，劉瑞林

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水平對置活塞發(fā)動機高空熱平衡特性研究

周廣猛1，楊春浩1,2，陳陸陽1，劉瑞林1

（1.軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

研究不同海拔大氣壓力特別是高空條件對水平對置活塞汽油機熱平衡性能的影響。利用內(nèi)燃機高空模擬試驗臺進(jìn)行不同海拔高度（0~7000 m）下水平對置活塞汽油機的熱平衡試驗，測得不同海拔下排溫、缸體表面溫度等特征參數(shù)，計算熱流量分配特性，并對比分析熱流量分配特性隨海拔高度的變化規(guī)律。隨海拔升高，汽油機排溫和缸體表面溫度逐漸下降，且海拔愈高，缸體表面溫度下降幅度愈大。汽油機有效功率隨海拔升高逐漸下降，余項損失百分比逐漸上升，且在低轉(zhuǎn)速下，變化幅度增大。在6000 m模擬海拔、3000 r/min轉(zhuǎn)速下，汽油機有效熱效率不到5%，而余項損失達(dá)到了30%以上，此時部分汽油甚至并未燃燒。高空環(huán)境對水平對置汽油機熱平衡性能造成嚴(yán)重影響，成為制約其高海拔性能恢復(fù)的關(guān)鍵因素。

汽油機；水平對置發(fā)動機；熱平衡；大氣壓力

無人機已廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，具有重要的軍事和國民經(jīng)濟(jì)意義。當(dāng)前我國研制了大量的無人機產(chǎn)品，但高性能無人機發(fā)動機研發(fā)滯后，亟待開展相關(guān)研究工作。無人機發(fā)動機一般為對置活塞式汽油機，由于隨海拔的升高，大氣壓力降低，造成可使用的新鮮空氣充量減少，活塞式汽油機在高空工作時，汽油機的動力性、經(jīng)濟(jì)性下降明顯，熱負(fù)荷增大[1-5]，內(nèi)燃機性能的變化進(jìn)而會影響到無人機的高空飛行性能。在受高原環(huán)境影響的諸多性能中，熱平衡性能反映發(fā)動機高海拔熱負(fù)荷情況，能夠分析不同海拔環(huán)境條件對內(nèi)燃機熱流量分配的影響，從而為有針對性地改進(jìn)發(fā)動機的性能提供指導(dǎo)，受到了廣泛的關(guān)注[6-7]。缸體、缸蓋溫度、排溫等熱狀態(tài)在高空環(huán)境下的變化均會對發(fā)動機的可靠性和使用壽命造成影響[8-10]。筆者以某型水平對置活塞汽油機為研究對象，開展了采用模擬試驗的方法進(jìn)行不同海拔高度（0~7000 m）下水平對置活塞汽油機的熱平衡試驗，探究不同海拔下排溫、冷卻水溫度和缸體表面溫度等發(fā)動機熱負(fù)荷特征參數(shù)，以及熱流量參數(shù)隨海拔的變化規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)是基于文獻(xiàn)[4]內(nèi)燃機高原環(huán)境模擬試驗臺改造而成，改造后的試驗臺由進(jìn)排氣模擬系統(tǒng)、高空冷卻環(huán)境模擬系統(tǒng)、發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。進(jìn)排氣模擬系統(tǒng)采用進(jìn)氣節(jié)流，排氣抽真空的方式能夠?qū)崿F(xiàn)0~7000 m海拔航空發(fā)動機大氣壓力的模擬[11-12]。高空冷卻環(huán)境模擬系統(tǒng)主要采用風(fēng)機強制空氣對流和冷卻液強制對流的方式模擬發(fā)動機高空下的冷卻環(huán)境。發(fā)動機的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，共包含了6個溫度參數(shù)監(jiān)測點、3個壓力參數(shù)監(jiān)測點、3個流量參數(shù)監(jiān)測點。在保證測取汽油機高空性能參數(shù)的同時，能夠?qū)M(jìn)排氣、冷卻水、滑油以及缸體的各參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，有助于水平對置活塞式汽油機熱平衡性能的監(jiān)控[13]。發(fā)動機控制系統(tǒng)采用洛陽凱邁公司的FST2控制系統(tǒng)。試驗對象為某四缸、四沖程、增壓、水冷和空冷雙冷卻系統(tǒng)、水平對置化油器式汽油機，排量為1.2 L，壓縮比為9。

1.2 試驗方案

無人機在高空飛行時主要按照全負(fù)荷工況進(jìn)行，分別進(jìn)行對置活塞汽油機在0，1，2，3，4，5，6，7 km等8個模擬海拔下的外特性試驗。研究發(fā)動機在0~7000 m模擬全負(fù)荷工況（100%節(jié)氣門開度）下，熱負(fù)荷和熱流量分配隨海拔的變化情況。

表1 不同模擬海拔大氣壓力

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 對置活塞汽油機高空熱負(fù)荷特性

2.1.1 高空排溫特性

不同海拔高度下發(fā)動機轉(zhuǎn)速對排溫的影響如圖1所示。從圖1可見，不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機排溫隨海拔的升高而降低，且下降幅度隨海拔升高而增大。海拔每升高1000 m，汽油機各缸平均排溫下降23.4 ℃。其中，海拔每上升1000 m，在0~3000 m海拔下，各缸平均排溫下降18.7 ℃；在3000~7000 m海拔下，各缸平均排溫下降31.9 ℃。不同海拔下，發(fā)動機排溫隨轉(zhuǎn)速的升高而接近線性增大。發(fā)動機隨海拔上升而下降，同普通渦輪增壓柴油機排溫隨海拔的增高后燃增大而導(dǎo)致的排溫隨海拔的升高而增大不同[5]，排溫隨海拔的升高而減小主要有兩方面原因：一方面隨海拔的升高，大氣密度降低，導(dǎo)致環(huán)境壓力與喉管處壓力差降低，真空度減小，化油器供油量下降，海拔每升高1000 m，發(fā)動機的供油量減少2.7%。進(jìn)一步造成燃燒燃料釋放的熱量減少，造成排溫隨海拔的升高而下降；另一方面，缸內(nèi)進(jìn)氣量隨海拔升高的減小，造成空燃比大幅降低，缸內(nèi)燃燒不充分，部分燃料甚至沒有燃燒直接排入大氣中，導(dǎo)致高海拔排溫降幅大于低海拔，這也是發(fā)動機余項損失增大的主要原因。

圖1 不同海拔下發(fā)動機轉(zhuǎn)速對排溫的影響

2.1.2 對置活塞汽油機高空冷卻水溫度特性

不同海拔下冷卻水出口溫度隨轉(zhuǎn)速的變化如圖2所示。由圖2可知，隨著海拔的升高，冷卻水出口溫度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。在0~4000 m海拔下，汽油機冷卻水出口溫度隨海拔上升而增大，海拔上升1000 m，冷卻水出水溫度平均上升3.7 ℃；在4000~6000 m海拔下，冷卻水出口溫度隨海拔上升而下降，海拔上升1000 m，冷卻水出口溫度平均下降8 ℃。這主要是由于0~4000 m海拔下，隨海拔的上升，發(fā)動機缸內(nèi)空燃比下降，燃燒惡化，結(jié)合缸內(nèi)充量物質(zhì)減少造成缸內(nèi)燃燒溫度升高，缸蓋和水套的溫度上升，導(dǎo)致冷卻水溫度升高。在4000~6000 m海拔下，汽油機缸內(nèi)雖然存在后燃現(xiàn)象，但由于海拔較高，化油器供油量下降的同時，缸內(nèi)空燃比進(jìn)一步下降，燃油放熱量大大降低，其對缸蓋溫度的影響大于后燃對缸蓋溫度的影響，導(dǎo)致冷卻水溫度下降。進(jìn)一步可見，在高轉(zhuǎn)速工況下冷卻水出口溫度變化的幅度要小于低轉(zhuǎn)速工況。這是因為在高轉(zhuǎn)速工況下，增壓器的壓比增大，缸內(nèi)燃燒質(zhì)量要好于低轉(zhuǎn)速工況下的燃燒質(zhì)量，汽油機缸蓋溫度隨海拔升高而變化幅度較小。

圖2 不同海拔下發(fā)動機冷卻水出口溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

2.1.3 對置活塞汽油機高空缸體表面溫度特性

汽油機缸體表面溫度表征著汽油機的缸體熱負(fù)荷和缸內(nèi)燃燒狀況，其表面溫度采用點溫器直接測量。不同海拔下缸體表面溫度隨轉(zhuǎn)速的變化如圖3所示?？梢钥闯觯S著海拔的升高，缸體表面溫度逐漸下降，且海拔越高，缸體表面溫度下降幅度越大。與0 m海拔相比較，2000，4000，6000 m海拔下缸體的表面溫度分別平均下降4.2，12.7，33.3 ℃，海拔每升高1000 m，缸體表面溫度平均下降5.5 ℃。這是因為在高海拔下，汽油機缸內(nèi)燃燒不充分，后燃嚴(yán)重，導(dǎo)致缸內(nèi)燃油燃燒放熱量大幅度降低，缸體表面溫度下降明顯。同時可以發(fā)現(xiàn)，6000 m海拔時，缸體表面溫度隨轉(zhuǎn)速的變化有一定的奇異性，主要表現(xiàn)為在6000 m海拔、3000 r/min低轉(zhuǎn)速下缸體表面溫度急劇下降（達(dá)25.5 ℃），在3500~4750 r/min轉(zhuǎn)速下缸體表面溫度隨轉(zhuǎn)速升高而升高的速率明顯增大。其主要原因是該增壓器是普通機械增壓器，無法與不同工況和海拔實現(xiàn)良好匹配，6000 m海拔低轉(zhuǎn)速下增壓器效率急劇下降。隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，渦輪增壓器的膨脹比增大，增壓器轉(zhuǎn)速增加幅度增大，致使燃燒放熱增多，造成缸體表面溫度升高速率增大。對置活塞汽油機實際應(yīng)用于無人機飛行時，若缸體表面溫度過低，說明缸內(nèi)燃燒不佳，燃油放熱量降低。此時汽油機的運行工況應(yīng)盡量避免低轉(zhuǎn)速區(qū)域，使得汽油機的缸體表面溫度處于合理的范圍內(nèi)。

圖3 不同海拔下缸體表面溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

海拔越高，缸體表面溫度下降幅度越大。海拔上升1000 m，在0~3000 m海拔下，排溫、缸體表面溫度分別平均下降18.7 ℃和7.9 ℃；在3000~7000 m海拔下，排溫、缸體表面溫度分別平均下降31.9 ℃和21.2 ℃。

2.2 對置活塞汽油機高空熱流量分配特性

通過不同海拔下水平對置發(fā)動機熱流量分配情況，能夠有助于摸清大氣壓力特別是高空環(huán)境條件對水平對置汽油機高空工作過程的影響特點，為其性能的改善提供條件和基礎(chǔ)。圖4為3000，4000，5500 r/min下熱流量分配隨海拔的變化規(guī)律。由圖4可見，同一轉(zhuǎn)速下，隨著海拔的升高，汽油機的有效功率逐漸下降，余項損失逐漸上升，且在低轉(zhuǎn)速下，變化幅度增大。海拔上升1000 m，在低轉(zhuǎn)速工況下，有效功率下降了4%，余項損失上升了3.5%；高轉(zhuǎn)速工況下有效功率平均下降了1.3%，余項損失上升了1.2%。冷卻水和冷卻空氣散熱量隨海拔的變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與其散熱量的變化規(guī)律一致。

在同一海拔下，隨轉(zhuǎn)速的上升，有效功率、冷卻系統(tǒng)散熱量與廢氣帶走熱量逐漸增加，余項損失逐漸減小。在低海拔范圍內(nèi)，有效功率和余項損失所占百分比隨轉(zhuǎn)速增加變化不大，但在高海拔范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速為3000 r/min時，有效功率所占百分比很小，甚至不到5%，而余項損失百分比達(dá)到了30%以上。這說明此時汽油機缸內(nèi)一部分汽油燃燒極為不充分，甚至沒有燃燒，造成燃油熱量損失急劇增大。這主要是因為在高海拔范圍內(nèi)，汽油機轉(zhuǎn)速較低時，廢氣渦輪增壓器進(jìn)氣補償效果不佳，缸內(nèi)進(jìn)氣量太少，一部分燃油未燃燒仍以碳煙甚至汽油蒸汽的形式排出。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下熱流量分配隨海拔高度的變化規(guī)律

從圖4進(jìn)一步可以看出，冷卻水和排氣帶走的熱量隨海拔高度的變化而變化，冷卻水帶走的熱量主要由進(jìn)出水處溫差和冷卻水流量所決定，反映了汽油機工作時缸蓋處的熱負(fù)荷情況以及冷卻系統(tǒng)的散熱能力。圖5給出了不同轉(zhuǎn)速下冷卻水帶走的熱量隨海拔高度的變化規(guī)律。由圖5可見，冷卻水帶走的熱量隨海拔的增加先上升后下降，最大散熱量集中于4000 m海拔、高轉(zhuǎn)速工況區(qū)域內(nèi)。這是由于冷卻水出口溫度隨海拔高度的升高先升高后下降，造成冷卻水進(jìn)出口溫差隨海拔的增加先下降后上升，且在4000 m海拔下，冷卻水進(jìn)出口溫差最大。同時由圖4可見，冷卻水的散熱量隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。這是因為轉(zhuǎn)速增加，汽油機供油量增大，缸內(nèi)放熱量增大，導(dǎo)致缸蓋熱負(fù)荷增大。同時轉(zhuǎn)速增加，冷卻水泵轉(zhuǎn)速隨之上升，冷卻水流量增大。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下冷卻水帶走熱量隨海拔高度的變化規(guī)律

排氣帶走熱量的大小主要與排氣的溫度以及排氣流量有關(guān)，它反映了汽油機缸內(nèi)燃燒質(zhì)量以及發(fā)動機的熱負(fù)荷。圖6為不同轉(zhuǎn)速下排氣帶走熱量隨海拔高度的變化規(guī)律。從圖6可見，排氣帶走的熱量隨海拔高度的增高而降低，隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，海拔平均每升高1000 m，發(fā)動機排氣帶走的熱量降低6.4%。排氣帶走熱量隨海拔的升高而下降，一方面由于排氣溫度隨海拔的升高而降低，另一方面由于進(jìn)氣量和燃油消耗量隨海拔的升高同時降低造成排氣流量隨海拔高度的升高而下降，兩方面原因共同造成了排氣帶走的熱量隨海拔高度的升高而降低。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下排氣帶走熱量隨海拔高度的變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）隨海拔升高，汽油機排溫和缸體表面溫度逐漸下降，且海拔越高，缸體表面溫度下降幅度越大。海拔每上升1000 m，排溫平均下降23.4 ℃，缸體表面溫度平均下降5.5 ℃。

2）同一轉(zhuǎn)速下，隨著海拔的升高，汽油機有效功率百分比逐漸下降，余項損失百分比逐漸上升，且在低轉(zhuǎn)速下，變化幅度增大。海拔上升1000 m，在低轉(zhuǎn)速工況下，有效功率百分比下降了4%，余項損失百分比上升了3.5%；高轉(zhuǎn)速工況下有效功率百分比平均下降了1.3%，余項損失百分比上升了1.2%。

3）冷卻水帶走的熱量隨海拔增加先上升后下降，最大散熱量集中于4000 m海拔、高轉(zhuǎn)速工況區(qū)域內(nèi)，排氣帶走的熱量隨海拔高度的增高而降低，隨轉(zhuǎn)速的升高而增大。在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下，海拔平均每升高1000 m，發(fā)動機排氣帶走的熱量降低6.4%。

[1] 張志強, 何勇靈, 韓志強, 等. 高原環(huán)境對車用柴油機的影響分析及對策[J]. 裝備環(huán)境工程, 2009, 6(2): 27- 31.

[2] 周廣猛, 劉瑞林, 許翔, 等. 高原環(huán)境對車輛動力性的影響及動力提升措施[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(3): 45-51.

[3] 許翔, 周廣猛, 鄭智, 等. 高原環(huán)境對保障裝備的影響及適應(yīng)性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010, 7(5): 100-103.

[4] 周廣猛, 劉瑞林, 董素榮, 等. 高壓共軌柴油機高海拔(低氣壓)燃燒特性[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2012, 30(3): 220- 226.

[5] 劉瑞林, 周廣猛, 許翔, 等. SOFIM 電控共軌柴油機高海拔性能模擬[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 2010, 16(4): 303-308.

[6] 王飛. 航空活塞發(fā)動機典型零件的熱固耦合-強度有限元分析[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2013.

[7] 董素榮, 許翔, 任曉江, 等.自然吸氣柴油機高海拔(低氣壓)熱平衡試驗研究[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2011, 10(4): 365-370.

[8] GOCMEZ T, PISCHINGER S. A Contribution to the Understanding of Thermo Mechanical Fatigue Sensitivities in Combustion Engine Cylinder Heads [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2011, 225(4): 461- 477.

[9] SALAH M H, FRICK P M, WAGNER J R, et al. Nonlinear-control Strategy for Advanced Vehicle Thermal Management Systems[J]. Control Engineering Practice, 2009(17): 609-621.

[10] JIAN Ye, JIM C, DANIEL D A. Coolant Flow Optimization in a Racing Cylinder Block and Head Using CFD Analysis and Testing[C]. SAE013542, 2004.

[11] 劉瑞林. 柴油機高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2013.

[12] LIU Rui-lin, ZHANG Zhong-jie, DONG Su-rong, et al. High-altitude Matching Characteristic of Regulated Two-stage Turbocharger With Diesel Engine[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2017, 139(9): 094501-094501-9.

[13] 劉瑞林, 林春城, 董素榮, 等. 柴油機二級可調(diào)增壓系統(tǒng)高海拔標(biāo)定試驗[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報, 2016, 34(6): 543- 548.

High-altitude Thermal Balance Characteristics of the Boxer Piston Engine

ZHOU Guang-meng1, YANG Chun-hao1,2, CHEN Lu-yang1, LIU Rui-lin1

(1.University of Military Transportation, Tianjin 300161, China; 2.Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To study on effects of atmospheric pressure at different altitude, especially effects of high-altitude conditions on thermal balance performance of boxer engine.The thermal balance test of the boxer engine at different altitude (0-7000m) was carried out on a high altitude simulation test platform for the internal combustion engine. The characteristic parameters such as exhaust temperature and cylinder surface temperature were measured. The heat flux distribution characteristics were calculated.And the variation law of heat flux distribution with altitude was compared and analyzed.With the increase of altitude, both the exhaust temperature and the cylinder surface temperature of the gasoline engine gradually decreased. The higher the altitude was; the greater the drop in the cylinder surface temperature was. The effective power of the gasoline engine gradually decreased with the increasing altitude. The percentage of the residual loss gradually increased. The variation range increased at low speed. At the simulated altitude of 6000m and at 3000r/min, the effective thermal efficiency of the gasoline engine was less than 5%, while the percentage of residual loss reached more than 30%. Part of the gasoline didn’t even burn at this time.The high altitude environment has a serious influence on the thermal balance performance of the boxer engine, which is one of the key factors to restrict the recovery of its high altitude performance.

gasoline engine; boxer engine; thermal balance; atmosphere pressure

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.011

TJ07；TK417

A

1672-9242(2017)10-0058-05

2017-06-02；

2017-07-03

周廣猛（1984—），男，山東鄒城人，主要從事動力機械環(huán)境適應(yīng)性研究。

劉瑞林（1963—），男，山東膠南人，教授，主要從事動力機械環(huán)境適應(yīng)性研究。