大氣壓力對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究

許 翔，劉瑞林，劉 剛，任曉江，周 平

(1.軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161;2.軍事交通學(xué)院研究生大隊，天津 300161)

前言

內(nèi)燃叉車是一種使用廣泛的裝卸搬運機(jī)械。目前，高原地區(qū)使用的內(nèi)燃叉車大都是普通平原型叉車。由于高原地區(qū)大氣壓力低，使水的沸點下降，發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增大和冷卻系統(tǒng)散熱能力變差等因素，內(nèi)燃叉車在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，尤其是叉車在大負(fù)荷情況下連續(xù)作業(yè)時過熱問題嚴(yán)重，導(dǎo)致故障率升高，嚴(yán)重影響叉車的綜合作業(yè)效率［1］。

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能直接關(guān)系到叉車能否正常工作和柴油機(jī)的使用壽命。因此，研究其冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能，分析高海拔(低氣壓)對其熱平衡性能的影響，對合理設(shè)計和改進(jìn)內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，提高內(nèi)燃叉車的高原環(huán)境適應(yīng)性具有重要的意義［1－2］。

本文中基于FlowMaster2仿真軟件建立了某型內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型，利用柴油機(jī)高海拔(低氣壓)熱平衡試驗臺對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行驗證，分析了不同海拔高度(大氣壓力)對冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的影響，提出了該柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)措施。

1 柴油機(jī)熱平衡臺架試驗

柴油機(jī)熱平衡臺架試驗不僅可了解柴油機(jī)各部分的傳熱特性和熱量分配，也是驗證冷卻系統(tǒng)熱平衡仿真結(jié)果的重要依據(jù)［3］。

1.1 試驗方法

圖1為柴油機(jī)高海拔(低氣壓)熱平衡試驗臺示意圖。試驗臺利用進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽真空的方法模擬柴油機(jī)在低氣壓下的工作狀態(tài)，它可模擬海拔0～6 000m范圍內(nèi)的大氣壓力;將冷卻系統(tǒng)膨脹水箱與排氣穩(wěn)壓箱連接，模擬不同海拔大氣壓力下冷卻水的沸點。試驗中大氣壓力、空氣密度和水的沸點與海拔高度的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 氣壓、空氣密度和水沸點與海拔高度的關(guān)系

試驗臺架主要由柴油機(jī)高海拔(低氣壓)模擬系統(tǒng)、CW260電渦流測功機(jī)、油耗儀、進(jìn)排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣和冷卻水流量計等儀器設(shè)備組成。試驗用柴油機(jī)為某型內(nèi)燃叉車配備的自然吸氣式柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 熱平衡試驗原理

柴油機(jī)燃油燃燒產(chǎn)生的總熱量一般可分為以下幾個部分:轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)的有效功率、排氣帶走的熱量、傳入冷卻介質(zhì)的熱量和余項熱量損失(機(jī)體、缸蓋和油底殼表面的散熱量)。由此可得到柴油機(jī)的熱平衡方程［3］為

式中:Qf為燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量;Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量;Qw為冷卻液帶走的熱量;Qex為排氣帶走的熱量;Qres為余項熱量損失。

1.3 試驗結(jié)果分析

試驗時測量柴油機(jī)的有效功率、燃油消耗量、進(jìn)排氣溫度及冷卻系統(tǒng)各部件進(jìn)出口處的溫度和流量，數(shù)據(jù)記錄儀采樣時間間隔為30s。在每個試驗工況，發(fā)動機(jī)進(jìn)、出水溫差的波動不超過0.1℃/min時，認(rèn)為發(fā)動機(jī)達(dá)到了熱平衡。

圖2為柴油機(jī)額定工況熱平衡時熱量分布圖。

從圖2可知，在平原時，燃料燃燒放出的總熱量約有38%轉(zhuǎn)化為有效功率，排氣散熱量占總熱量的35%，冷卻液散熱量為14%，余項熱量損失約占13%左右。隨著海拔的升高(大氣壓力降低)，由于進(jìn)氣量減少、燃燒惡化等原因，柴油機(jī)的有效功率和排氣散熱量下降，不完全燃燒造成的熱損失、機(jī)體散失的熱量和其他熱損失不斷增加。和平原相比，海拔5 000m時，有效功率所占比例下降了15.6個百分點，排氣散熱量比例下降了20.6個百分點，余項熱量損失的比例增大了35.0個百分點，冷卻液散熱量所占比例變化不明顯。

圖3為不同海拔高度下柴油機(jī)排氣溫度隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。

從圖3可知，隨著海拔高度的升高，發(fā)動機(jī)排氣溫度不斷升高，柴油機(jī)熱負(fù)荷增加;海拔每升高1 000m，發(fā)動機(jī)排氣溫度平均上升1.5% ～4.5%。隨著海拔高度升高，大氣壓力下降，柴油機(jī)進(jìn)氣流量減少，而相同轉(zhuǎn)速時柴油機(jī)供油量基本不變，因而過量空氣系數(shù)減小，使發(fā)動機(jī)燃燒不充分，后燃嚴(yán)重，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣溫度升高。

2 冷卻系統(tǒng)模型

2.1 高原大氣壓力的修正

大氣壓力和空氣密度隨海拔高度的增加明顯減小，不僅使進(jìn)氣量減小，影響柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒，還改變冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)換熱系數(shù)，使冷卻系的冷卻能力變差。

大氣壓力和海拔高度的對應(yīng)關(guān)系為

式中:p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力;H為海拔高度。

2.2 散熱器換熱系數(shù)的修正

散熱器的換熱系數(shù)由散熱器的結(jié)構(gòu)形式、換熱表面的傳熱特性(傳熱因子j)和傳熱介質(zhì)的物性參數(shù)等決定［2］。大氣壓力變化對散熱器水側(cè)換熱系數(shù)的影響可忽略［4］;而散熱器空氣側(cè)的換熱系數(shù)［5］為

式中:C、n為無因次常數(shù);v為空氣流速;λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù);ρ為空氣密度;η為空氣動力黏度;de為換熱表面當(dāng)量直徑。

由式(3)可知，除了空氣密度外，空氣的其他物性參數(shù)隨海拔變化不明顯?？諝饷芏入S海拔高度升高明顯降低，使得空氣側(cè)換熱系數(shù)減小，最終導(dǎo)致散熱量下降，冷卻效果變差。

2.3 仿真模型

該柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由水泵、散熱器、節(jié)溫器、膨脹水箱、發(fā)動機(jī)機(jī)體和氣缸蓋中的水套等組成?；贔lowMaster2軟件建立的柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

2.4 模型驗證

針對某型內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用該仿真模型進(jìn)行了計算，環(huán)境溫度為10℃，部分試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對比見表3。試驗數(shù)據(jù)為柴油機(jī)在平原(海拔2m)和高原(海拔3 000m)額定工況達(dá)到熱平衡時的冷卻液溫度。從表3可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差小于5%，表明仿真結(jié)果是可信的。

表3 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

3 仿真結(jié)果和分析

圖5為平原熱平衡試驗過程中發(fā)動機(jī)出水溫度隨時間的變化。試驗時環(huán)境溫度為10℃，發(fā)動機(jī)額定工況運行;節(jié)溫器開啟溫度為75℃，全開溫度為85℃。發(fā)動機(jī)出水溫度隨節(jié)溫器開度在75～85℃范圍內(nèi)波動。

圖6為環(huán)境溫度為30℃、發(fā)動機(jī)額定工況運行達(dá)到熱平衡時，發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度隨海拔高度的變化。從圖6可知，發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度隨海拔升高逐漸增大，進(jìn)出水溫差逐漸減小;海拔高度為3 000、4 000和5 000m時，發(fā)動機(jī)的出水溫度分別為84.2、94.4和105.4℃。值得指出的是，高原條件下使發(fā)動機(jī)熱狀況更加惡化的另一個重要原因是，水的沸點隨著海拔高度的升高而降低。圖6中同時示出冷卻水沸點的曲線。由圖可知，海拔高度達(dá)到4 000m之前，冷卻液溫度已超過沸點，發(fā)動機(jī)將出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象。為滿足高海拔地區(qū)的冷卻要求，須進(jìn)一步強(qiáng)化冷卻系的冷卻能力，或采用密封加壓式冷卻系統(tǒng)，提高冷卻水在高原的沸點。

表4為對原機(jī)型冷卻系統(tǒng)改進(jìn)后發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度對比。保持其他參數(shù)不變，改進(jìn)方案1中只增大風(fēng)扇的體積流量，由0.84m3/s變?yōu)?.12m3/s;改進(jìn)方案2中將散熱器的換熱效率從0.6提高至0.7;改進(jìn)方案3中只改變水泵流量(120～220L/min)。

從表4可知，增大冷卻風(fēng)扇的流量(改進(jìn)方案1)或提高散熱器換熱效率(方案2)均能提高冷卻能力，發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度得到了控制。水泵流量的變化(方案3)對發(fā)動機(jī)出水溫度影響很小，進(jìn)出水溫升隨流量增大而減小;當(dāng)水泵流量達(dá)到一定值時，再增大水泵流量發(fā)動機(jī)出水溫度反而有小幅的升高。因此，通過盲目提高水泵流量來降低發(fā)動機(jī)出水溫度是不可取的［6］。

表4 改進(jìn)前后發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度對比

4 結(jié)論

(1)首次建立柴油機(jī)高海拔(低氣壓)熱平衡試驗臺，研究了大氣壓力對柴油機(jī)機(jī)體冷卻熱平衡的影響，得到了不同海拔高度條件下柴油機(jī)的有效功率、冷卻液循環(huán)散熱量、排氣散熱量和其他余項熱損失的分配比例，為驗證仿真模型提供試驗依據(jù)。

(2)建立的內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡模型可預(yù)測海拔高度(大氣壓力)變化對冷卻系統(tǒng)性能的影響。仿真模型在一定程度上能夠模擬內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的傳熱過程，對冷卻系統(tǒng)和各關(guān)鍵部件的性能進(jìn)行評價，同時可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與匹配。

(3)通過仿真計算證明該型內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能不理想，當(dāng)海拔高度超過4 000m、環(huán)境溫度30℃時，冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不能滿足熱平衡要求。通過增大風(fēng)扇流量或提高散熱器的換熱效率，降低了柴油機(jī)出水溫度，緩解了柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的高原過熱問題。

［1］劉瑞林，鄭智，郝士祥，等.內(nèi)燃叉車高原環(huán)境適應(yīng)性研究［J］.軍事交通學(xué)院學(xué)報，2010，12(4):52 －55.

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