冷卻介質溫度對柴油發動機經濟性影響的實驗研究

楊　帥, 唐振華, 楊　雪, 周　毅, 萬　曉

(1. 同濟大學 汽車學院， 上?！?01804； 2. 同濟大學 新能源汽車工程中心， 上?！?01804；3. 同濟大學 環境科學與工程學院，上?！?01804)

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冷卻介質溫度對柴油發動機經濟性影響的實驗研究

楊帥1,2, 唐振華1,2, 楊雪3, 周毅1,2, 萬曉1,2

(1. 同濟大學 汽車學院， 上海201804； 2. 同濟大學 新能源汽車工程中心， 上海201804；3. 同濟大學 環境科學與工程學院，上海201804)

研究了增壓直噴柴油機冷卻系在不同冷卻出水溫度及不同進水出水溫度差條件下的燃油經濟性變化特征，測試了柴油機在最大扭矩轉速和標定轉速時不同負荷工況條件下冷卻系統進水與出水溫差變化對柴油機油耗的影響規律。實驗發現：在冷卻系出水溫度處于較高恒定溫度條件下,隨著進水與出水溫度差的減小,柴油機油耗呈現下降趨勢；柴油機在大負荷工況時,最佳油耗特性出現在高出水溫度和較小進水出水溫度差的時刻。

增壓直噴柴油機； 冷卻溫度； 經濟性

高性能熱管理系統一方面可以迅速暖機,以減少冷啟動過程中的排放和機械損失。另一方面可以在發動機處于穩態工況時,尤其是部分負荷條件下維持高溫來優化發動機熱力特性,提高燃料經濟性、動力性以及發動機壽命等[1-5]。大力開展節能減排,降低車用發動機油耗和排放已成為我國目前能源領域的重大研究課題[6-10]。發動機熱管理技術的一個重要控制目標是可依據發動機處于不同工況時,在滿足燃油經濟性最佳條件下發動機達到熱平衡狀態時冷卻介質的出口溫度,對發動機風扇,水泵和節溫器閥門進行實時控制,最終使發動機經濟性得到優化[11-16]。本文設計開發了發動機熱管理系統實驗平臺,利用發動機測功機、油耗儀等設備,尋找出當前工況下發動機基于經濟性最佳狀態時冷卻介質的實際出口溫度。在建立了發動機冷卻系熱管理試驗平臺基礎上,研究了冷卻水參數對發動機油耗特性的影響規律。

1　實驗平臺簡介

本文實驗樣機是一臺直列4行程增壓直噴中冷柴油機,標定功率和轉速分別為132kW和2 300r·min-1,最大扭矩和轉速分別為660N·m和1 400r·min-1,壓縮比為18,怠速轉速為700r/min。實驗用油為國Ⅳ柴油。主要測試儀器包括：AVLAPA電力測功機,用于測量和控制發動機扭矩和轉速；AVLPumaopen測試系統包含了AVL735、753、553、554、415及多種氣體分析儀等硬件,其中AVL735用于測量燃油耗，AVL753用于控制燃油溫度，AVL553用于測量和控制發動機循環水溫度，AVL554用于測量機油溫度，AVL415用于測量柴油機煙度，柴油機性能試驗依據GB1105—87《柴油機臺架性能試驗》標準。

具體實驗平臺與設備如圖1所示。實驗過程中,在發動機測試臺架的冷卻水路加裝了液體流量計,以測試發動機循環水體積流量。測試時,利用電力測功機控制臺控制冷卻水循環泵的循環流速,以達到控制發動機內部冷卻水的瞬時流量。利用發動機水溫控制系統控制冷卻水溫度,即發動機的進水溫度。綜合發動機實驗臺冷卻水循環泵和水溫控制系統可以對發動機進水溫度,發動機循環水流速進行同時控制,即可實現對發動機進出水溫差的控制。

圖1　發動機實驗臺測試設備

2　結果分析

實驗過程中,控制發動機冷卻水出水溫度90 ℃,通過實驗臺循環泵控制循環水流量,實現了改變發動機冷卻系進水與出水溫度差的功能,此時的控制策略是讓柴油機的循環冷卻水循環量增加,實現進水與出水溫度差減小。實驗發現,循環水流量越快,進出水溫度差越小。圖2是不同冷卻水循環流量條件下,柴油機在最大扭矩轉速時(1 400r/min)的負荷特性油耗變化圖(圖中T為扭矩，η為油耗)。從圖2可以發現：柴油機在低負荷(小扭矩)工況時的油耗大于高負荷時的油耗；在柴油機處于低負荷工況時,當柴油機內部的循環水流量減少、同時為了保持發動機散熱平衡,

圖2　發動機在1 400 r/min時不同冷卻水循環量條件下負荷特性油耗對比

即增大柴油機進水與出水的溫度差,則柴油機在相同負荷條件時的油耗相對增加；當柴油機扭矩T從340Nm向高負荷增加時,當提高冷卻水循環量時柴油機的油耗之間的差別減小。圖3是柴油機轉速在1 400r/min時不同進水與出水溫度差油耗曲線對比,從圖3中可以發現：在柴油機處于中低負荷工況時,進水與出水溫度差Δt增加,油耗也增加；在柴油機處于大負荷工況時,進水與出水溫度差增加,但是油耗之間的差別變化并不明顯。

圖3　發動機在1 400 r/min時不同進水與出水溫度差油耗曲線對比

圖4是不同冷卻水循環流量條件下,柴油機在標定轉速(2 300r/min)時的負荷特性油耗變化圖。從圖4可以發現,柴油機在低負荷工況時的油耗大于高負荷時的油耗。在柴油機處于低負荷工況時,當柴油機內部的循環水流量減少,即增大了柴油機進出水的溫度差,柴油機在相同負荷條件時的油耗也相對增加；當柴油機的扭矩從282Nm向高負荷增加時,在相同負荷條件下,增加冷卻水循環量,柴油機的油耗降低。圖5是柴油機在標定轉速時不同進水出水溫度差油耗曲線對比,從圖中可以發現,在柴油機處于不同負荷工況時,進水出水溫度差增加,則油耗也增加。

圖4　發動機在2300 r/min時不同冷卻水循環量條件下負荷特性油耗對比

圖5　發動機在2 300 r/min時不同進水與出水溫度差油耗曲線對比

3　結論

(1) 發動機出水溫度恒定在90 ℃時,隨著冷卻水環量循的增加,即改變了進水溫度,則油耗成增加趨勢。結合發動機負荷特性油耗對比,及發動機不同進水與出水溫度差油耗對比,在柴油機處于低負荷條件下,進出水溫度差增加,油耗也隨之增加。

(2) 發動機在大負荷工況時,最佳油耗特性出現在高出水溫度、較小進出水溫度差之時。

(3) 柴油機在實際車輛運行過程中,發動機的轉速和水泵轉速是成正比的,隨著發動機轉速增加,循環

水冷卻量也增加。由此可以發現,在發動機處于中高轉速、中高負荷工況下,在保證安全的出水溫度條件下盡可能使進出水溫差減小,對發動機的油耗會有減小作用。

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Experimentalstudyoneffectsofcoolingmediatemperatureonfueleconomycharacteristicofdieselengine

YangShuai1,2,TangZhenhua1,2,YangXue3,ZhouYi1,2,WanXiao1,2

(1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China； 2.NewEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804,China； 3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Theruleoffueleconomiccharacteristicwasstudiedwhencoolingsystemwatertemperaturedifferencewaschangingonaturbochargeddirectinjectiondieselengine.Whenthedieselenginewasindifferentloadoperationconditionsatthemaximumtorqueandthemaximumratedspeed,theeffectsofthecoolingwatertemperaturechangesatinletandoutletonthefuelconsumptionaretested.Thetestresultsshowthatwhentheoutletwatertemperatureundertheconstantcondition,withthedecreaseofinletandoutletwatertemperaturedifference,thefuelconsumptionofdieselengineisdeclining;whenthedieselengineisunderthehighloadcondition,theoptimalfuelconsumptioncharacteristicsappearwhentheoutletwaterisathightemperatureandthetemperaturedifferencebetweeninletandoutletislower.

turbochargeddirectinjectiondieselengine;coolingtemperature;fueleconomy

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.014

2016-01-24修改日期：2016-03-17

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目；同濟大學課程建設實驗教改資助項目；同濟大學教學改革資助項目；同濟大學精品實驗資助項目

楊帥(1980—)，男，上海，博士，副教授，研究方向為車用動力系統性能研究與開發.

E-mail：mermaid04@126.com

TK421.5

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1002-4956(2016)7-0055-03