高壓共軌柴油機高海拔熱平衡模擬試驗研究

許翔， 劉楠， 劉剛

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

高壓共軌柴油機高海拔熱平衡模擬試驗研究

許翔1， 劉楠2， 劉剛1

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

在內燃機高海拔(低氣壓)模擬試驗臺上，對某高壓共軌柴油機進行了模擬高原環境的熱平衡試驗，研究了海拔高度和冷卻液溫度對柴油機整機熱流量分配的影響。結果表明：隨著海拔的升高，轉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；當海拔大于3 000 m后各項熱流量分配的增幅或降幅變化更加明顯。

高壓共軌柴油機； 高原； 熱平衡試驗； 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。高原環境大氣壓力下降、空氣密度降低，對車用發動機的動力性、經濟性、起動性、熱平衡等性能產生顯著影響[1]。由于現代車用發動機的強化程度越來越高，生產的熱流密度明顯增大，使得發動機零部件工作環境更加惡劣。尤其是在高原環境下，由于燃燒惡化使發動機受熱零部件熱負荷升高，空氣密度下降導致發動機冷卻系統的散熱能力顯著下降[2]，冷卻水沸點隨海拔升高而下降，以上因素共同作用導致車用發動機在高原使用時易出現排氣管燒損、“開鍋”、拉缸等故障，嚴重影響車用發動機在高原的正常使用。

目前國內外對發動機的熱平衡研究主要集中在平原環境條件下[3-6]，高原環境條件下發動機的熱平衡技術研究較少[7-8]。高原環境條件下車用發動機的熱平衡問題在我國更加重要，為了研究燃料燃燒產生的熱量在柴油機各系統中的分配情況，評價柴油機的熱效率與設計水平，探索改善柴油機高原熱平衡性能的技術途徑，進一步提升高壓共軌柴油機的高原環境適應性，本研究設計了柴油機高原熱平衡模擬試驗系統，開展了高壓共軌柴油機高原熱平衡性能模擬試驗，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熱流量分配等的影響規律，為高壓共軌柴油機冷卻系統的優化設計提供了參考依據。

1 試驗裝置與方法

1.1 柴油機高海拔熱平衡模擬試驗系統

柴油機高原熱平衡模擬試驗系統總體布置見圖1。試驗裝置包括發動機進排氣壓力及溫度模擬系統(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、CMFD瞬態油耗儀、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。試驗測量參數主要包括燃油消耗量、進氣流量、柴油機進出口冷卻液溫度、進排氣溫度和水泵流量等。試驗用柴油機為1臺經過噴油參數標定的重型高壓共軌柴油機，其主要技術參數見表1。

1—測功機; 2—柴油機; 3—真空泵; 4—排氣穩壓箱; 5—進氣穩壓箱; 6—電動蝶閥; 7—進氣流量計; 8—水流量計; 9—水泵; 10—壓氣機; 11—渦輪機; 12—節溫器; 13—冷卻水恒溫; 14—中冷恒溫; 15—溫度計; 16—控制與采集系統 圖1 柴油機高海拔熱平衡模擬試驗系統示意

表1 柴油機技術參數

1.2 試驗條件及方法

試驗環境溫度為25 ℃，大氣壓力為100 kPa，濕度為40%。試驗過程中，模擬海拔高度從平原(4 m)到5 000 m，每組試驗間隔1 000 m。試驗時柴油機全速全負荷運轉，相同工況不同模擬海拔下噴油參數均保持不變。柴油機轉速從900 r/min到2 100 r/min每隔400 r/min取1個轉速測點。各測點柴油機內循環水流量保持基準流量，通過冷卻液恒溫裝置將柴油機冷卻液進口溫度分別控制在50，60，70，80，90 ℃，當柴油機進、出水溫差的波動不超過±0.1 ℃/min時，測量試驗數據。

柴油機燃料完全燃燒產生的熱量Qf一般可分為以下幾個部分：轉化為柴油機有效功的熱量Qe、排氣帶走的熱量Qex、冷卻液帶走的熱量Qw以及余項損失Qres(柴油機機體、缸蓋和油底殼等表面的散熱量)，其中各部分熱量的計算方法可參考文獻[3],在此不再詳細介紹。

柴油機的熱平衡方程為

Qf=Qe+Qw+Qex+Qres。

(1)

2 試驗結果與分析

2.1 海拔對熱流量分配的影響

圖2示出柴油機在標定轉速時各種熱流量分配比例隨海拔的變化。當柴油機工況穩定時，隨著海拔的升高，轉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損失卻逐漸增加。

圖2 柴油機熱流量分配隨海拔的變化

圖3示出柴油機轉化為有效功的熱量隨海拔的變化。隨著海拔的升高，轉化為有效功的熱量逐漸下降，海拔每升高1 000 m，轉化為有效功的熱量下降2.5%～8.4%，平均下降約11.1 kW，且低轉速區下降幅度比高轉速區大。隨著海拔的升高，大氣壓力和空氣密度下降，導致柴油機進氣流量下降明顯(見圖4)，渦輪增壓器效率下降，尤其是低轉速下降更明顯，當噴油參數不變時，缸內油氣混合質量變差，燃燒惡化，平均指示壓力減小，柴油機熱效率下降，最終導致轉化為有效功的熱量下降[9]。

圖3 轉化為有效功的熱量隨海拔的變化

圖4 柴油機進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，使得柴油機進氣流量減少，引起過量空氣系數的下降，缸內燃燒不充分，后燃嚴重，導致柴油機缸內工質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，柴油機缸體冷卻水套傳給冷卻液的熱量也相應增大，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，且高轉速區下降幅度比低轉速區大。海拔每升高1 000 m，不同轉速下排氣帶走的熱量平均下降了13.3 kW，約為4.6%。排氣帶走熱量與進排氣流量和排氣溫度有關，海拔每升高1 000 m，不同轉速下進氣流量平均下降了93.7 kg/h，下降約7.6%，且高轉速區進氣流量的下降幅度比低轉速區要大。進氣流量的減少會導致缸內油氣混合變差、燃燒不充分，后燃嚴重，造成排氣溫度的升高。但是，柴油機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

余項損失隨海拔的變化見圖8。海拔每升高1 000 m，各轉速下余項熱量損失平均增加了16.4 kW，約為40.1%，增幅非常明顯；高轉速工況下余項熱量損失的增幅最大。在噴油參數和燃料燃燒產生的總熱量保持不變的前提下，高海拔條件下柴油機缸內燃燒惡化，熱負荷增大，缸內工質、活塞和缸體以及機體等溫度整體升高，導致大量熱量通過高溫機體以導熱、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

當柴油機在最大扭矩工況下穩定運轉，噴油參數不變，柴油機入口冷卻液溫度分別控制在50，60，70，80，90 ℃時，不同海拔下轉化為有效功的熱量變化見圖9。在海拔為4，3 000，5 000 m時，冷卻液溫度每升高10 ℃，柴油機轉化為有效功的熱量分別增加了2.6%，2.9%和3.7%。在同一轉速下，柴油機的熱功轉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，高海拔區域轉化為有效功的熱量增加的幅度更大，柴油機動力性提高得更明顯。

圖9 轉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%。當海拔、冷卻液溫度和流量一定時，影響冷卻液帶走熱量的主要因素是缸內工質平均溫度和冷卻液與缸體水套之間的傳熱系數。海拔和冷卻液溫度對缸內燃氣與氣缸壁面之間的對流換熱系數影響較小。由于高原缸內平均燃燒溫度較高、熱負荷大，氣缸內工質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，高海拔區域相對于低海拔區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，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，在冷卻液溫度升高相同的幅度下，高海拔區冷卻液帶走的熱量下降幅度更大，導致氣缸內燃氣內能增加的幅度更大，熱量增加更多，而增加的熱量大部分由廢氣排出柴油機體外，使得排氣溫度有更大程度的增加，進而導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，高海拔區相比于低海拔區，一方面缸內燃氣溫度升高更多，傳遞給柴油機零部件的熱量更多，導致缸體表面散熱量和輻射散熱量更多，另一方面機油溫度升高更多，油底殼散熱量更大，從而造成余項損失增加的幅度更大。

圖12 余項損失隨冷卻液溫度的變化

圖13示出柴油機在海拔5 000 m、標定轉速時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散熱量以及通過柴油機機體、缸蓋和油底殼等表面的散熱量影響顯著。當柴油機在高原地區工作時，柴油機冷卻系統必須提供足夠的冷卻強度才能降低冷卻液工作溫度，進而控制柴油機的熱負荷。

圖13 海拔5 000 m熱流量分配隨冷卻液溫度的變化

3 結論

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

b) 冷卻液溫度每升高10 ℃，轉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是柴油機熱流量分配發生變化的“拐點”，當海拔高度大于3 000 m后各項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，不同海拔柴油機熱流量分配的變化規律基本一致，在保證柴油機熱負荷滿足使用要求的前提下，適當增大冷卻液工作溫度可以降低缸內傳熱損失，進而提高柴油機的熱功轉換效率。

[1] 劉瑞林,董素榮,許翔,等. 柴油機高原環境適應性研究[M]. 北京：北京理工大學出版社,2013.

[2] 王憲成,郭猛超,張晶,等. 高原環境重型車用柴油機熱負荷性能分析[J].內燃機工程,2012,33(1):49-53.

[3] 劉忠民,俞小莉,沈瑜銘. 發動機熱平衡試驗研究[J].浙江大學學報,2008,42(7):1247-1250.

[4] 駱清國,龔正波,馮建濤,等. 基于熱平衡臺架試驗的高強化柴油機冷卻系統研究[J].兵工學報,2009,30(10):1287-1290.

[5] Gharehghani A, Koochak M, Mirsalim M, et al. Energy balance of internal combustion engines using alternative fuels[J].Applied Thermal Engineering, 2013(60)：200-207.

[6] Daebong Jung, Jinwoo Yong, Hoimyung Choi, et al. Analysis of engine temperature and energy flow in diesel engine using engine thermal management[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27(2)：583-592.

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[9] Wang Xin, Ge Yunshan, Yu Linxiao, et al. Effects of altitude on the thermal efficiency of a heavy-duty diesel engine[J]. Energy,2013,59:543-548.

[10] 高思遠,趙長祿,李云龍,等. 冷卻液溫度對柴油機熱功轉換效率的影響[J]. 農業機械學報,2012,43(3):28-32.

[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

軍內科研項目(ZL2012500)

許翔(1978—)，男，講師，博士，主要研究方向為車用發動機環境適應性技術；xu1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.010

TK421

B

1001-2222(2016)06-0052-05