高原環(huán)境下柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)性能仿真

劉建敏，康琦，王普凱，劉艷斌，董意

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系，北京 100072)

我國擁有世界上面積最大的高原，平均海拔在2 000～4 500 m，約占我國國土面積的1/3[1-2]。高原條件下，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化、冷卻系統(tǒng)傳散熱能力降低，若不加控制和處理，將會嚴(yán)重影響高溫部件與冷卻液之間的傳熱，導(dǎo)致柴油機(jī)出現(xiàn)功率下降、水油溫升高超限、熱負(fù)荷過高、可靠性下降等問題，最終嚴(yán)重影響裝甲車輛的作戰(zhàn)性能[2-5]。因此，研究不同海拔下柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)性能的變化規(guī)律具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

本研究以某裝甲車輛柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)為研究對象，建立了高原環(huán)境下柴油機(jī)工作過程和冷卻系統(tǒng)的一維模型，采用直接耦合方法實(shí)現(xiàn)了工作過程和冷卻系統(tǒng)之間流動與傳熱邊界條件雙向傳遞，完成對柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)更為精準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)計算。通過高原模擬臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性，進(jìn)而研究了高原環(huán)境對柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。最后以柴油機(jī)出口水溫不超過報警值為目標(biāo)，計算求得了柴油機(jī)最大允許負(fù)荷和風(fēng)扇最小體積流量增幅MAP圖。

1 理論分析

1.1 冷卻系統(tǒng)傳熱分析

冷卻系統(tǒng)的傳熱主要集中在散熱器部件上，該裝甲車輛采用管帶式緊湊散熱器，冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷。散熱器內(nèi)部熱流和冷流的傳熱及散熱器傳熱量[6]可采用式(1)和式(2)計算求得。

(2)

式中：QM，QS和QR分別為冷卻液、空氣和散熱器散熱量；mM，mS分別為冷卻液和空氣質(zhì)量流量；CpM，CpS分別為冷卻液和空氣比熱容；TM′，TM″分別為冷卻液入口和出口溫度；TS′，TS″分別為空氣入口和出口溫度；KR為散熱器傳熱系數(shù)；AR為散熱器傳熱面積；ΔTm為散熱器對數(shù)平均溫差。

管帶式散熱器和大氣接觸的散熱片，在傳熱計算上可當(dāng)作肋片處理[6]，其傳熱系數(shù)為

(3)

式中：hM，hS分別為熱流體與壁面間對流傳熱系數(shù)和冷流體與肋表面間對流傳熱系數(shù)；δ，λ分別為肋片厚度和導(dǎo)熱系數(shù)；β，η分別為肋化系數(shù)和肋化效率。

通過傳熱計算理論分析，可以發(fā)現(xiàn)大氣熱力參數(shù)主要通過改變散熱器傳熱系數(shù)、流經(jīng)散熱器的空氣質(zhì)量流量和冷熱流體對數(shù)平均溫差等參數(shù)來影響冷卻系統(tǒng)的散熱性能。

1.2 海拔對冷卻參數(shù)影響分析

1.2.1海拔對傳熱系數(shù)的影響

海拔主要是影響散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)進(jìn)而影響傳熱系數(shù)，分析冷側(cè)對流傳熱系數(shù)隨海拔的變化規(guī)律，對不同海拔的傳熱系數(shù)進(jìn)行修正。

對流傳熱系數(shù)通過努賽爾關(guān)聯(lián)式[7]計算得到：

(5)

聯(lián)立以上得到對流傳熱系數(shù)：

(6)

式中：h為流體與壁面間對流傳熱系數(shù)；k為流體熱傳導(dǎo)率；L為特征長度；μ為流體動力黏度；Cp為流體比定壓熱容；ρ為流體密度；v為流體流動速度。

將式(6)代入式(3)，即可求得散熱器傳熱系數(shù)。

分析式(6)中各參數(shù)，只有流體密度隨海拔升高而明顯減少，從而使冷側(cè)對流傳熱系數(shù)明顯減少，最終導(dǎo)致散熱器能力不斷下降。

1.2.2海拔對散熱器空氣質(zhì)量流量的影響

流經(jīng)散熱器的空氣質(zhì)量流量由冷卻排風(fēng)扇性能和系統(tǒng)阻力共同決定[8]，分析流經(jīng)散熱器的空氣質(zhì)量流量隨海拔的變化規(guī)律，對不同海拔的空氣質(zhì)量流量進(jìn)行修正。

根據(jù)風(fēng)機(jī)流量相似和揚(yáng)程相似定律[8]建立不同海拔體積流量和壓力的數(shù)學(xué)模型(見式(7))。

(7)

對于同一臺風(fēng)扇，尺寸相同，即Dalt=D0，且H=P/ρ，則式(7)可寫成：

(8)

式中：Q為風(fēng)扇體積流量；D為風(fēng)扇幾何尺寸；V為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；H為風(fēng)扇揚(yáng)程；Δp為風(fēng)扇壓差；ρ為空氣密度；下腳標(biāo)alt、0分別代表高海拔和海平面。

從式(8)可得：不同海拔下冷卻風(fēng)扇的體積流量和轉(zhuǎn)速成正比；冷卻風(fēng)扇的壓差和轉(zhuǎn)速平方成正比，和密度成正比。

空氣流動阻力[8]計算式為

(9)

式中：ρ為空氣密度；V為空氣流動速度；f為摩擦因數(shù)；L為特征長度；D為水力直徑；Q為體積流量；A為流通面積。

對于空氣側(cè)來說，其流動狀態(tài)一般為紊流，其摩擦因數(shù)f值變化不大，可視為常數(shù)。則從式(9)可以看出，系統(tǒng)阻力和空氣密度成正比，和體積流量平方成正比。

在實(shí)際工作點(diǎn)，風(fēng)扇壓差等于空氣流動阻力，即Δpalt=ΔP。將式(8)和式(9)代入可知：不同海拔風(fēng)扇工作點(diǎn)對應(yīng)的體積流量相同，即其工作點(diǎn)對應(yīng)的質(zhì)量流量與空氣密度成反比。

2 模型建立

2.1 柴油機(jī)工作過程模型

某柴油機(jī)的基本參數(shù)見表1。根據(jù)柴油機(jī)工作過程數(shù)值仿真的基本理論，建立了柴油機(jī)工作過程仿真模型。參考文獻(xiàn)[9]高原標(biāo)定方法對工作模型進(jìn)行了修正。

表1 柴油機(jī)基本參數(shù)

2.2 冷卻系統(tǒng)模型

2.2.1散熱器模型

散熱器傳熱計算公式[10]為

(10)

式中：ρ為壁面材料密度；V為壁面體積；Cp為壁面材料比熱容；h為流體與壁面間對流傳熱系數(shù)；A為冷、熱流體與壁面?zhèn)鳠崦娣e；ΔT為流體與壁面間溫差；下腳標(biāo)M、S分別代表散熱器熱側(cè)和冷側(cè)。

該裝甲車輛使用的水散熱器結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)見表2。

表2 散熱器結(jié)構(gòu)型式及參數(shù)

2.2.2水泵模型

水泵流量-揚(yáng)程數(shù)值仿真模型是根據(jù)水泵特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立。水泵特性曲線[11]定義如下：

(11)

(13)

水泵由柴油機(jī)曲軸按固定傳動比1∶1.5驅(qū)動，流量-揚(yáng)程特性曲線見圖1。

圖1 水泵流量-揚(yáng)程特性曲線

2.2.3風(fēng)扇模型

該冷卻系統(tǒng)采用葉片后彎型式的離心式冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇特性曲線同水泵特性曲線的定義相似。

其他轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇特性通過相似準(zhǔn)則計算：

(15)

式中：nr為風(fēng)扇參考轉(zhuǎn)速；na為風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速；Δpr為參考全壓；Δpa為實(shí)際全壓。

2.3 柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)耦合模型

根據(jù)柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)數(shù)值仿真理論，利用GT-suite軟件[12-14]建立柴油機(jī)工作過程和冷卻系統(tǒng)模型，采用直接耦合方法實(shí)現(xiàn)工作過程和冷卻系統(tǒng)之間流動與傳熱邊界條件雙向傳遞，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)更為精準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)計算。其中大氣環(huán)境為冷卻風(fēng)扇、散熱器冷側(cè)和柴油機(jī)進(jìn)排氣管路的數(shù)值計算提供邊界條件。

柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)耦合模型見圖2。圖3至圖7為其子模型，同時示出各個子模型相互連接關(guān)系，圖4至圖7共同構(gòu)成柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)模型。其中，圖3示出柴油機(jī)工作過程模型，包括進(jìn)排氣系統(tǒng)、渦輪增壓系統(tǒng)、噴油器、缸蓋-活塞-缸套和曲軸箱等；圖4示出柴油機(jī)傳散熱模型，包括柴油機(jī)本體冷卻水道、氣缸套、氣缸蓋和機(jī)油回路等；圖5和圖6分別示出冷卻液和機(jī)油散熱模型,包括水泵、水散熱器熱側(cè)、膨脹水箱和機(jī)油散熱器熱側(cè)等；圖7示出動力艙傳熱模型，包括冷卻風(fēng)扇、水散熱器冷側(cè)和機(jī)油散熱器冷側(cè)等。

圖2 柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)耦合模型

圖3 柴油機(jī)工作過程模型

圖4 柴油機(jī)傳散熱模型

圖5 冷卻液散熱模型

圖7 動力艙傳熱模型

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證耦合模型的準(zhǔn)確性，在標(biāo)定工況下進(jìn)行了高海拔臺架熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)采用-10號柴油，冷卻液為軟化水，大氣溫度為25 ℃。將海拔1 000 m，3 700 m和4 500 m條件下的柴油機(jī)出口水溫、散熱器散熱量、水泵流量和柴油機(jī)功率等參數(shù)的試驗(yàn)值和仿真值進(jìn)行對比，結(jié)果見表3至表5。

表3 海拔1 000 m時標(biāo)定工況試驗(yàn)值與仿真值對比

表4 海拔3 700 m時標(biāo)定工況試驗(yàn)值與仿真值對比

表5 海拔4 500 m時標(biāo)定工況試驗(yàn)值與仿真值對比

試驗(yàn)值和仿真值的最大誤差為5.58%，滿足工程計算的精度要求，驗(yàn)證了柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)耦合模型的準(zhǔn)確性。

4 計算結(jié)果及分析

通過改變柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)耦合模型的邊界條件，分析研究了不同海拔外特性工況下柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)性能。

4.1 柴油機(jī)出口水溫變化規(guī)律

柴油機(jī)出口水溫變化曲線見圖8。由圖8可以看出：1)柴油機(jī)出口水溫隨海拔升高而升高，海拔每升高1 000 m，柴油機(jī)出口水溫平均升高5%，可以看出高原環(huán)境對柴油機(jī)出口水溫影響較為顯著。一方面是因?yàn)榇髿鈮毫ο陆怠⒖諝饷芏葴p小，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣量減少，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，缸蓋和氣缸套等受熱部件溫度升高；另一方面是因?yàn)楦吆０螚l件下散熱器散熱能力下降。2)從0 m升高到5 000 m柴油機(jī)出口水溫最大升高25.96%，最小升高19.16%，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高，海拔對出口水溫影響越明顯。這是由于柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速時空氣需求量大，對缸內(nèi)燃燒影響更顯著，后燃現(xiàn)象更嚴(yán)重，缸內(nèi)熱負(fù)荷更高。3)出口水溫在轉(zhuǎn)速1 400 r/min時最高，在轉(zhuǎn)速2 000 r/min時最低，并且隨著海拔升高，溫差減少。這一方面是轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時最接近柴油機(jī)的最大扭矩工況，此時熱負(fù)荷較高；另一方面柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高，流經(jīng)散熱器空氣流量越大，散熱器散熱能力越強(qiáng)。4)柴油機(jī)出口水溫報警溫度為103 ℃，因此該裝甲車輛在海拔1 000 m以下時可以正常使用；在海拔1 000～2 600 m時高轉(zhuǎn)速區(qū)可以正常使用，低轉(zhuǎn)速區(qū)需要降負(fù)荷使用；在海拔2 600 m以上時冷卻液溫度過高，必須降負(fù)荷或者提高冷卻系統(tǒng)散熱能力后使用。

圖8 柴油機(jī)出口水溫隨海拔的變化

4.2 散熱器性能變化規(guī)律

4.2.1散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)

柴油機(jī)散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)變化曲線見圖9。由圖9可以看出：1)散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)隨海拔升高而減小，并且海拔越高對流傳熱系數(shù)減少幅度越小。海拔每升高1 000 m，對流傳熱系數(shù)平均減小9.36%，其中轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，海拔從0 m升高到5 000 m，對流傳熱系數(shù)降低4 904.79 W/(m2·K)，可以看出高原環(huán)境對散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)影響顯著。這是由于隨著海拔升高，空氣密度顯著減小，根據(jù)式(6)可知對流傳熱系數(shù)隨之減小。2)散熱器對流傳熱系數(shù)與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速近似呈正線性關(guān)系。這是由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越高，流經(jīng)散熱器的空氣流速越大，根據(jù)式(6)可得對流傳熱系數(shù)隨之增加。

圖9 散熱器對流傳熱系數(shù)隨海拔的變化

4.2.2散熱器散熱量

柴油機(jī)散熱器散熱量變化曲線見圖10。由圖10可以看出：1)散熱器散熱量隨海拔升高而減少，海拔每升高1 000 m，散熱量平均減小6.25%，并且海拔越高散熱量減少幅度越大。這是由于一方面海拔越高，散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)越小，另一方面海拔升高，空氣密度下降，在相同的空氣體積流量下，空氣質(zhì)量流量減少。2)從0 m升高到5 000 m散熱器散熱量最大降低38.73%，最小降低25.66%，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越低，高原環(huán)境對散熱量影響越明顯。這是由于柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速時空氣進(jìn)氣量需求小，導(dǎo)致缸內(nèi)后燃程度較低，熱負(fù)荷增加少。

圖10 散熱器散熱量隨海拔的變化

4.3 風(fēng)扇性能變化規(guī)律

柴油機(jī)風(fēng)扇質(zhì)量流量變化曲線見圖11。由圖11可以看出：1)風(fēng)扇質(zhì)量流量隨海拔升高而減小，海拔每升高1 000 m，質(zhì)量流量平均減小11.20%，并且海拔越高，質(zhì)量流量減小幅度越小。這是由于海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度減小，并且風(fēng)扇工作點(diǎn)的體積流量近似相等。2)不同轉(zhuǎn)速下從0 m升高到5 000 m，風(fēng)扇質(zhì)量流量下降比例為56%左右，近似相等。這是由于在體積流量相同的情況下，只有空氣密度對風(fēng)扇質(zhì)量流量有顯著影響，而空氣密度與海拔有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。

柴油機(jī)風(fēng)扇揚(yáng)程變化曲線見圖12。由圖12可以看出：1)風(fēng)扇揚(yáng)程隨海拔升高而降低，海拔每升高1 000 m，風(fēng)扇揚(yáng)程平均減小7.38%。這是由于海拔升高，空氣密度減小，根據(jù)式(9)可得空氣流動阻力減少。2)不同轉(zhuǎn)速下從0 m升高到5 000 m，風(fēng)扇揚(yáng)程下降比例為37%左右，近似相等。這是由于在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一定情況下，空氣流動速度和摩擦因數(shù)近似不變，只有空氣密度對空氣系統(tǒng)阻力有顯著影響。

圖11 風(fēng)扇質(zhì)量流量隨海拔的變化

圖12 風(fēng)扇揚(yáng)程隨海拔的變化

4.4 柴油機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性變化規(guī)律

柴油機(jī)功率變化曲線見圖13。由圖13可以看出： 1)柴油機(jī)功率隨海拔升高而減小，海拔每升高1 000 m，功率平均減小3.55%。這是由于海拔升高，大氣壓力和空氣密度下降，導(dǎo)致進(jìn)氣流量明顯下降，當(dāng)噴油量一定時，缸內(nèi)油氣混合質(zhì)量變差，后燃現(xiàn)象嚴(yán)重，有效指示壓力降低，最終導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降。2)海拔從0 m升高到5 000 m，功率最大降低35.48%，最小降低11.02%，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越低，高原環(huán)境對功率影響越明顯。這是由于低速時增壓器補(bǔ)償作用減弱，壓比降低。

柴油機(jī)燃油消耗率變化曲線見圖14。由圖14可以看出：1)燃油消耗率隨海拔升高而增加，海拔每升高1 000 m，燃油消耗率平均增加4.67%。這是由于海拔升高，進(jìn)氣流量下降明顯，導(dǎo)致燃燒缺氧，在循環(huán)供油量一定條件下，熱效率下降。2)從0 m升高到5 000 m，燃油消耗率最大增長54.99%，最小增長12.39%，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越低，高原環(huán)境對燃油消耗率影響越明顯。這是由于低速時熱效率低，且受進(jìn)氣狀態(tài)影響較大。

圖13 柴油機(jī)功率隨海拔的變化

圖14 燃油消耗率隨海拔的變化

5 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配與改進(jìn)

由第4.1節(jié)可知，該裝甲車輛在海拔1 000～2 600 m低轉(zhuǎn)速狀態(tài)和海拔2 600 m以上時冷卻液溫度過高，必須降負(fù)荷或者提高冷卻系統(tǒng)散熱能力后使用。參考文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[7]，采用降低柴油機(jī)負(fù)荷和增加風(fēng)扇體積流量兩種方式來降低出口水溫，使其滿足使用要求。

在GT-suite中單獨(dú)改變柴油機(jī)負(fù)荷和風(fēng)扇體積流量兩個參數(shù)，以出口水溫不超過報警值為目標(biāo)進(jìn)行迭代計算，得到不同海拔不同轉(zhuǎn)速下柴油最大允許負(fù)荷和風(fēng)扇體積流量最小增幅MAP圖(見圖15和圖16)。

圖15 柴油機(jī)最大允許負(fù)荷MAP圖

圖16 風(fēng)扇最小體積流量增幅MAP圖

6 結(jié)論

a) 海拔每升高1 000 m，柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生如下性能變化：柴油機(jī)出口水溫平均升高5.01%，且高速區(qū)下降幅度比低速區(qū)大；散熱器冷側(cè)對流傳熱系數(shù)平均減小9.36%，高低速區(qū)下降幅度近似相等；散熱器散熱量平均減小6.25%，且低速區(qū)下降幅度比高速區(qū)大；風(fēng)扇質(zhì)量流量平均減小11.20%，高低速區(qū)下降幅度近似相等；風(fēng)扇揚(yáng)程平均減小7.38%，高低速區(qū)下降幅度近似相等；柴油機(jī)功率平均減小3.55%，且低速區(qū)下降幅度比高速區(qū)大；燃油消耗率平均增加4.67%，且低速區(qū)下降幅度比高速區(qū)大。

b) 該裝甲車輛在海拔1 000 m以下時可以正常使用；在海拔1 000～2 600 m時高轉(zhuǎn)速狀態(tài)可以正常使用，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)需要降負(fù)荷使用；在海拔2 600 m以上時冷卻液溫度過高，必須降負(fù)荷或者提高冷卻系統(tǒng)散熱能力后使用。

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