大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究.docx

2012118大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究 许 翔1 ，刘瑞林1 ，刘 刚1 ，任晓江2 ，周平2( 1. 军事交通学院汽车工程系，天津 300161; 2. 军事交通学院研究生大队，天津 300161)摘要 针对内燃叉车柴油机在高原上的热平衡问题，建立了柴油机高海拔热平衡试验台和冷却系统仿真模型，对某型叉车柴油机冷却系统进行了热平衡试验和仿真计算，得到了不同海拔高度条件下柴油机燃烧放热量的分 配比例和冷却液温 度 等 信 息。结 果 表 明，随 着 海 拔 的 升 高，柴油机出口冷却水温度逐渐增大; 当海拔高度接近 4 000m，环境温度为 30 时冷却系统出现过热问题，通过增大风扇的流量或提高散热器的换热效率，降低了发动机 的出水温度，缓解了柴油机冷却系统的高原过热问题。关键词: 内燃叉车; 柴油机; 冷却系统; 大气压力; 热平衡a research on the effects of atmospheric pressure on the thermal balance ofcooling system in diesel enginexu xiang1 ，liu ruilin1 ，liu gang1 ，ren xiaojiang2 zhou ping21. automotive engineering department，military transportation university，tianjin 300161;2. postgraduate training brigade，military transportation university，tianjin 300161abstract aiming at the thermal balance problem of diesel engine in internal-combustion forklift at plateau，a thermal balance test bench and a simulation model for its cooling system at high altitude are set up both thermal balance test and simulation on the cooling system of an internal-combustion forklift are conducted，and the informa- tion on the distribution of released heat from combustion and the coolant temperature of diesel engine at different heights above sea level is obtained the results show that the outlet coolant temperature of coolant rises with the in- crease of altitude; when the altitude approaches 4000m with an ambient temperature of 30 the cooling system will overheats by increasing the air flow of cooling fan or raising the heat transfer efficiency of radiator，the outlet cool- ant temperature of engine lowers and hence the overheat problem of cooling system of diesel engine at plateau is miti- gatedkeywords: internal-combustion forklift; diesel engine; cooling system; atmospheric pressure; thermal balance重，导致故 障 率 升 高，严 重 影 响叉车的综合作业效 率1。柴油机冷却系统的热平衡性能直接关系到叉车 能否正常工作和柴油机的使用寿命。因 此，研 究 其 冷却系统的热平衡性能，分析高海拔( 低气压) 对其 热平衡性能的影响，对合理设计和改进内燃叉车柴 油机冷却系统，提高内燃叉车的高原环境适应性具 有重要的意义1 2。本文 中 基 于 flowmaster2 仿 真 软 件 建 立 了 某 型前言内燃叉车是一种使用广泛的装卸搬运机械。目前，高原地区使用的内燃叉车大都是普通平原型叉 车。由于高原地区大气压力低，使水的沸点下降，发 动机热负荷增大和冷却系统散热能力变差等因素， 内燃叉车在使用过程中经常出现温度过高的现象， 尤其是叉车在大负荷情况下连续作业时过热问题严原稿收到日期为 2011 年 5 月 12 日，修改稿收到日期为 2011 年 7 月 22 日。2012( vol 34) no 7许翔，等: 大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究 593 内燃叉车柴油机冷却系统仿真模 型，利 用 柴 油 机 高海拔( 低气 压) 热平衡试验台对柴油机冷却系统仿 真模型进行验证，分析了不同海拔高度( 大气压力) 对冷却系统热平衡性能的影响，提出了该柴油机冷 却系统的改进措施。气式柴油机，主要技术参数见表 2。表 2柴油机主要技术参数1柴油机热平衡台架试验柴油机热平衡台架试验不仅可了解柴油机各部分的传热特性和热量分配，也是验证冷却系统热平 衡仿真结果的重要依据3。1. 1试验方法图 1 为柴油机高海拔( 低气压) 热平衡试验台示 意图。1. 2热平衡试验原理柴油机燃油燃烧产生的总热量一般可分为以下几个部分: 转化为柴油机的有效功率、排气带走的热量、传入冷却介质的热量和余项热量损失 ( 机体、缸 盖和油底壳表面的散 热 量) 。由此可得到柴油机的 热平衡方程3为( 1)qf = qe + qw + qex + qres式中: qf 为燃料燃烧产生的总热量; qe 为 转 化 为 有效功的热量; qw 为冷却液带走的热量; qex 为排气带 走的热量; qres 为余项热量损失。1. 3试验结果分析试验时测量柴油机的有效功率、燃油消耗量、进排气温度及冷却系统各部件进出口处的温 度 和 流量，数据记录仪采样时间间隔为 30s。在每个试验工 况，发 动 机 进、出水温差的波动 不 超 过 0. 1 / min 时，认为发动机达到了热平衡。图 2 为柴油机额定工况热平衡时热量分布图。图 1 柴油机高海拔( 低气压) 热平衡试验台示意图试验台利用进气节流和排气抽真空的方法模拟柴油机在低气压下的工作状态，它 可 模 拟 海 拔 0 6 000m范围内的大气压力; 将冷却系统膨胀水箱与 排气稳压箱连接，模拟不同海拔大气压力下冷却水 的沸点。试验中大气压力、空气密度和水的沸点与 海拔高度的对应关系见表 1。表 1气压、空气密度和水沸点与海拔高度的关系图 2 柴油机额定工况热量分布图从图 2 可知，在平原时，燃料燃烧放出的总热量约有 38% 转化为有效功率，排气散热量占总热量的35% ，冷 却 液 散 热 量 为 14% ，余项热量损失约占 13% 左右。随着海拔的升高 ( 大气压力降低) ，由于 进气量减少、燃烧恶化等原因，柴油机的有效功率和 排气散热量下降，不完全燃烧造成的热损失、机体散 失的热量和其他热损 失 不 断 增 加。和 平 原 相 比，海 拔 5 000m 时，有效功率所占比例下降了 15. 6 个 百试验台架主要由柴油机高海拔 ( 低 气 压 ) 模 拟系统、cw260 电涡流测功机、油耗仪、进排气压力传 感器、温度传感器、空气和冷却水流量计等仪器设备组成。试验用柴油机为某型内燃叉车配备的自然吸海拔高度 / m01 0002 0003 0004 0005 000大气压力 / kpa101. 389. 879. 570. 161. 754. 0水沸点 / 100. 096. 993. 891. 288. 686. 7空气密度 / ( kg / m3 )1. 2251. 1121. 0060. 9090. 8190. 763参数数值柴油机型式直喷、水冷、4 缸缸径 行程 / mm90 100压缩比182 650r / min 时额定功率 / kw371 800r / min 时最大转矩 / ( nm)148 594 汽 车工 程2012 年( 第 34 卷) 第 7 期分点，排气散热量比例下降了 20. 6 个 百 分 点，余 项热量损失的比例增大了 35. 0 个百分点，冷却液散热 量所占比例变化不明显。图 3 为不同海拔高度下柴油机排气温度随转速 的变化趋势。由式( 3) 可知，除了空气密度外，空气的其他物性参数随海拔变化不明显。空气密度随海拔高度升 高明显降低，使得空气侧换热系数减小，最终导致散 热量下降，冷却效果变差。2. 3仿真模型该柴油机冷却系统主要由水泵、散 热 器、节 温器、膨胀水 箱、发动机机体和 气缸盖中的水套等组 成。基于 flowmaster2 软件建立的柴油机冷却系统 仿真模型如图 4 所示。图 3 不同海拔高度柴油机排气温度曲线从图 3 可知，随着海拔高度的升高，发动机排气温度不 断 升 高，柴油机热负荷增 加; 海 拔 每 升 高1 000m，发动机排气温度平均上升 1. 5% 4. 5% 。图 4 冷却系统仿真模型示意图随着海拔高度升高，大气压力下降，柴油机进气流量减少，而相同转速时柴油机供油量基本不变，因而过 量空气系数减小，使发动机燃烧不充分，后 燃 严 重，导致发动机排气温度升高。2. 4模型验证针对某型内燃叉车柴油机冷却系统，应 用 该 仿真模型进行 了 计 算，环 境 温 度 为 10 ，部 分 试 验 数据和仿真结果的对比见表 3。试验数据为柴油机在 平原( 海拔 2m) 和高原( 海拔 3 000m) 额定工况达到 热平衡时的冷却液 温 度。从 表 3 可 知，仿 真 结 果 与 试验结果的误差小于 5% ，表明仿真结果是可信的。表 3仿真结果与试验结果的对比2冷却系统模型2. 1高原大气压力的修正大气压力和空气密度随海拔高度的增加明显减 小，不仅使进气量减小，影响柴油机缸内燃烧，还 改 变冷却系统空气侧换热系数，使冷却系的冷却能力 变差。大气压力和海拔高度的对应关系为5. 256pair = p0 ( 1 0. 02257h)( 2)式中: p0 为标准大气压力; h 为海拔高度。2. 2散热器换热系数的修正散热器的换热系数由散热器的结构形式、换 热 表面的传热特性( 传热因子 j) 和传热介质的物性参 数等决定2。大气压力变化对散热器水侧换热系数 的影响可忽略4; 而散热器空气侧的换热系数5为注: ti 为发动机进水温度，to 为发动机出水温度。3仿真结果和分析图 5 为平原热平衡试验过程中发动机出水温度随时间的变化。试验时环境温度为 10 ，发动机额 定工况运行; 节温器开启温 度 为 75 ，全 开 温 度 为85 。发动机出水温度随节温器开度在 75 85范围内波动。n n n 1nha = c( v de) ( 3)式中: c、n 为无因次常数; v 为空气流速; 为空气导热系数; 为空气密度; 为空气动力黏度; de 为换热表面当量直径。海拔 2m海拔 3 000mti / to / ti / to / 试验66. 575. 467. 177. 5仿真69. 478. 569. 980. 9误差4. 4%4. 1%4. 2%4. 4%2012( vol 34) no 7许翔，等: 大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究 595 表 4改进前后发动机进出水温度对比升随流量增大而减小; 当水泵流量达到一定值时，再增大水泵流量发动机出水温度反而有小幅的升高。 因此，通过盲目提高水泵流量来降低发动机出水温 度是不可取的6。图 5 发动机出水温度的变化曲线图 6 为环境温度为 30 、发动机额定工况运行达到热平衡时，发动机进出水温度随海拔高度的变 化。从图 6 可知，发动机进出水温度随海拔升高逐 渐增 大，进出水温差逐渐 减 小; 海 拔 高 度 为 3 000、4 000和5 000m时，发动机的出水温度分 别 为 84. 2、94. 4 和 105. 4 。值 得 指 出 的 是，高 原 条 件 下 使 发 动机热状况更加恶化的另一个重 要 原 因 是，水 的 沸 点随着海拔高度的升高而降低。图 6 中同时示出冷 却水沸点的曲 线。由 图 可 知，海 拔 高 度 达 到4 000m 之前，冷 却 液 温 度 已 超 过 沸 点，发 动 机 将 出 现“开 锅”现象。为满足高海拔地区的冷却要求，须进一步 强化冷却系的冷却能力，或采用密封加压式冷却系 统，提高冷却水在高原的沸点。4结论( 1)首次建立柴油机高海拔 ( 低 气 压) 热 平 衡试验台，研究了大气压力对柴油机机体冷却热平衡 的影响，得到了不同海拔高度条件下柴油机的有效 功率、冷却液循环散热量、排气散热量和其他余项热 损失的分配比例，为验证仿真模型提供试验依据。( 2) 建立的内燃叉车柴油机冷却系统热平衡模 型可预测海 拔 高 度 ( 大 气 压 力) 变化对冷却系统性 能的影响。仿真模型在一定程度上能够模拟内燃叉 车柴油机冷却系统的传热过程，对冷却系统和各关 键部件的性能进行评价，同时可指导冷却系统的设 计与匹配。( 3)通过仿真计算证明该型内燃叉车柴油机冷却系 统 的 热平衡性能不理 想，当海拔高度超过 4 000m、环境温度 30 时，冷却系统的冷却能力不 能满足热平衡要求。通过增大风扇流量或提高散热 器的换热效率，降低了柴油机出水温度，缓解了柴油 机冷却系统的高原过热问题。参考文献1刘瑞林，郑智，郝士祥，等 内燃叉车高原环境适应性研究j军事交通学院学报，2010，12( 4) : 52 55姚仲鹏，王新国 车辆冷却传热m 北 京: 北京理工大学出版 社，2001刘忠民，俞小莉，沈 瑜 铭 发 动 机 热 平 衡 试 验 研 究j 浙 江 大 学学报，200