車輛冷卻系統(tǒng)高原熱平衡性能研究

許翔，王丹，徐俊芳，王普凱，劉剛

（1.中汽研（常州）汽車工程研究院有限公司，江蘇 常州 213164；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300；3.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；4.陸軍軍事交通學(xué)院，天津 300161）

我國擁有世界上海拔最高、面積遼闊的高原。由于高原大氣壓力和空氣密度低，車輛普遍存在動力下降明顯、油耗和熱負(fù)荷大、冷卻系統(tǒng)散熱能力嚴(yán)重不足等問題，導(dǎo)致發(fā)動機“開鍋”、汽缸墊和排氣管燒損、拉缸等故障頻發(fā)[1-5]。根本原因是設(shè)計車輛冷卻系統(tǒng)時未考慮高原環(huán)境條件對冷卻系統(tǒng)散熱性能的影響，冷卻系統(tǒng)散熱能力不能滿足車輛的高原散熱需求[6]。因此，研究高原環(huán)境條件對車輛及發(fā)動機冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的影響規(guī)律，確定不同海拔與運行工況下冷卻系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)，對于車輛冷卻系統(tǒng)的高原優(yōu)化匹配設(shè)計，提高車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性具有重要意義。

文中通過高原模擬試驗與仿真相結(jié)合的方法，研究了高原環(huán)境條件對發(fā)動機熱平衡性能以及車輛冷卻系統(tǒng)散熱性能的影響規(guī)律，分析了海拔高度（大氣壓力）、環(huán)境溫度、冷卻液溫度以及冷卻風(fēng)量等對車輛冷卻系統(tǒng)散熱性能的影響，為車輛冷卻系統(tǒng)匹配、優(yōu)化以及控制提供了依據(jù)。

圖1 發(fā)動機高海拔熱平衡模擬試驗系統(tǒng) Fig.1 Sketch of the engine high altitude heat balance simulation test system

1 發(fā)動機高原熱平衡模擬試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

發(fā)動機是車輛冷卻系統(tǒng)的主要熱源，為了獲得發(fā)動機在不同海拔、運行工況和冷卻條件下傳給冷卻液的熱量，為車輛冷卻系統(tǒng)高原熱平衡性能仿真提供邊界數(shù)據(jù)，設(shè)計了發(fā)動機高海拔（低氣壓）熱平衡模擬試驗系統(tǒng)（見圖1）。該系統(tǒng)主要包括發(fā)動機進(jìn)排氣壓力與溫度模擬系統(tǒng)、電渦流測功機、瞬態(tài)油耗儀、冷卻液恒溫裝置、中冷恒溫裝置、電控水泵以及各種流量、溫度和壓力傳感器。試驗系統(tǒng)具有以下功能和特點：試驗過程中發(fā)動機的進(jìn)氣溫度和進(jìn)排氣壓力可 控，可以模擬發(fā)動機在0~6000 m海拔范圍內(nèi)的工作狀態(tài)；發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的運行參數(shù)可控，即冷卻液流量和溫度可根據(jù)試驗需要進(jìn)行精確控制。試驗用發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù) Tab.1 Technical parameters of engine

1.2 試驗結(jié)果

假設(shè)發(fā)動機的燃料充分燃燒，則燃燒產(chǎn)生的總熱量Q0可以分為以下幾個部分：轉(zhuǎn)化為有效功的熱量Qe、排氣帶走的熱量Qex、冷卻液帶走的熱量Qw以及余項熱損失Qres（包括發(fā)動機摩擦損失、機體和油底殼等表面的散熱量及其他能量損失）。

在發(fā)動機進(jìn)排氣壓力和進(jìn)口冷卻液溫度控制的條件下，進(jìn)行了發(fā)動機變海拔熱平衡模擬試驗。發(fā)動機進(jìn)口冷卻液溫度80 ℃時，發(fā)動機水套散熱量隨海拔高度和轉(zhuǎn)速的變化如圖2所示。海拔每升高1000 m，發(fā)動機水套散熱量平均增加5.3%。由于海拔升高使發(fā)動機進(jìn)氣量減少，進(jìn)而使缸內(nèi)燃燒不充分，后燃嚴(yán)重，發(fā)動機缸內(nèi)工質(zhì)以及活塞和缸體等部件溫度升高，導(dǎo)致發(fā)動機通過冷卻水套傳給冷卻液的熱量隨著海拔升高明顯增大。

圖2 發(fā)動機水套散熱量隨海拔高度的變化 Fig.2 Change of heat dissipation of the engine water jacket with the altitude

發(fā)動機水套散熱量隨海拔高度和發(fā)動機入口冷卻液溫度的變化如圖3所示。冷卻液溫度每升高10 ℃，水套散熱量平均降低約14.5%。當(dāng)海拔高度、冷卻液溫度和循環(huán)流量一定時，影響水套散熱量的主要因素是發(fā)動機缸內(nèi)燃?xì)馄骄鶞囟群屠鋮s液與發(fā)動機水套之間的換熱系數(shù)。由于海拔高度和冷卻液溫度對缸內(nèi)燃?xì)馀c氣缸壁面之間的換熱系數(shù)影響較小[7]。高原發(fā)動機氣缸內(nèi)平均燃燒溫度升高[8-9]，使缸內(nèi)燃?xì)夂屠鋮s液之間的溫差變大，隨著冷卻液溫度的升高，海拔越高發(fā)動機水套的散熱量下降幅度越明顯。

圖3 不同海拔下發(fā)動機水套散熱量隨冷卻液溫度的變化 Fig.3 Change of heat dissipation of the engine water jacket with the coolant temperature at different altitudes

2 車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型

基于Flow Master軟件建立的車輛冷卻系統(tǒng)仿真 模型如圖4所示。仿真模型中，水泵、節(jié)溫器和散熱器等關(guān)鍵部件的流阻特性和傳熱特性根據(jù)零部件實驗數(shù)據(jù)確定。發(fā)動機傳給冷卻液的熱量由發(fā)動機高原熱平衡模擬試驗提供。

散熱器是車輛冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵散熱部件，也是受高原環(huán)境影響最大的冷卻系統(tǒng)部件。在高原地區(qū)，由于海拔高度對空氣的壓力、密度、溫度和運動黏度等物性參數(shù)有顯著的影響，進(jìn)而影響流經(jīng)散熱器冷卻空氣的質(zhì)量流量和散熱器的傳熱系數(shù)。研究表明，隨著海拔的升高，流經(jīng)散熱器空氣的流量和雷諾數(shù)減小，導(dǎo)致散熱器的換熱系數(shù)隨海拔升高而減小。因此，在進(jìn)行車輛冷卻系統(tǒng)高原散熱性能仿真時，必須對散熱器的傳熱模型進(jìn)行海拔高度的修正。具體修正方法可以參考文獻(xiàn)[10]。

為了驗證冷卻系統(tǒng)模型高原仿真的精度，利用某型車輛冷卻系統(tǒng)在海拔4200~4700 m條件下，2擋爬8%坡時的道路熱平衡試驗數(shù)據(jù)，對仿真模型進(jìn)行了對比。發(fā)動機進(jìn)出口冷卻液溫度的仿真結(jié)果與試驗值對比見表2，仿真精度滿足工程計算的需要。

表2 仿真結(jié)果與試驗值的對比 Tab.2 Comparison between simulation results and test values

圖4 車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型 Fig.4 Simulation model of vehicle cooling system

3 仿真結(jié)果及分析

不同散熱器進(jìn)口風(fēng)速下，流經(jīng)散熱器的冷卻空氣質(zhì)量流量隨海拔高度的變化如圖5所示。冷卻空氣的質(zhì)量流量隨著海拔的升高而顯著降低。當(dāng)海拔從0 m升高到5500 m時，冷卻空氣的質(zhì)量流量平均下降約50.2%。

冷卻系統(tǒng)散熱量和發(fā)動機出口冷卻液溫度隨環(huán)境溫度的變化如圖6所示。環(huán)境溫度每降低10 ℃，冷卻系統(tǒng)的散熱量平均增大16.4%，散熱器出口冷卻液溫度平均下降2 ℃。高原地區(qū)，年平均氣溫較低，海拔升高1000 m，大氣溫度平均下降約6 ℃。由于 溫度對冷卻空氣的密度等物性參數(shù)以及散熱器的換熱系數(shù)都有顯著的影響，高原低溫環(huán)境條件對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱是有利的。

圖5 不同海拔下的冷卻空氣質(zhì)量流量 Fig.5 Mass flow rate of cooling air at different altitudes

圖6 散熱量和出口冷卻液溫度隨環(huán)境溫度的變化 Fig.6 Change of heat dissipation and outlet coolant temperature with ambient temperature

圖7 冷卻系統(tǒng)散熱量隨海拔的變化 Fig.7 Change of heat dissipation of the cooling system with the altitudes

當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃、發(fā)動機出口冷卻液溫度為86 ℃時，不同海拔高度和散熱器迎面風(fēng)速對冷卻系統(tǒng)散熱量的影響如圖7所示。當(dāng)海拔高度從平原升高到5500 m時，冷卻系統(tǒng)的散熱量分別下降41.2%。5500 m海拔下，冷卻系統(tǒng)的散熱量僅為平原的58.8%。海拔每升高1000 m，散熱量下降9.0%。冷卻系統(tǒng)散熱能力降低會導(dǎo)致發(fā)動機達(dá)到熱平衡時冷卻液的溫度明顯升高。

平原條件下，環(huán)境溫度為25 ℃，發(fā)動機出口冷卻液溫度保持在86 ℃時，散熱器入口冷卻空氣流速隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化的MAP圖見圖8。

圖8 空氣流速-發(fā)動機轉(zhuǎn)速-負(fù)荷MAP圖 Fig.8 Air velocity - engine speed - engine load MAP

當(dāng)環(huán)境溫度為25 ℃，額定轉(zhuǎn)速下發(fā)動機出口冷卻液溫度保持在86 ℃時，散熱器入口空氣流速隨發(fā)動機負(fù)荷和海拔高度變化的MAP圖見圖9。

圖9 空氣流速-發(fā)動機負(fù)荷-海拔高度MAP圖 Fig.9 Air velocity - engine load - altitudes MAP

環(huán)境溫度為25 ℃，額定工況下發(fā)動機出液溫度保持在86 ℃時，散熱器入口冷卻空氣流速和流量隨海拔的變化如圖10所示。與平原相比，海拔5500 m 時冷卻系統(tǒng)所需的冷卻空氣流量增大了48.2%。海拔平均每升高1000 m，冷卻系統(tǒng)所需的冷卻空氣流量平均增大8.8%。在相同環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)速及負(fù)荷條件下，為了保持相同的發(fā)動機熱平衡狀態(tài)（出口冷卻液溫度一定），冷卻系統(tǒng)的散熱能力必須隨著海拔的升高而增大，而且海拔越高，增大幅度越大，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速（流量）必須根據(jù)海拔高度的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

圖10 冷卻空氣流量和流速隨海拔高度的變化 Fig.10 Change of cooling air flow rate and velocity with the altitudes

4 結(jié)語

1）隨著海拔高度增加，發(fā)動機進(jìn)氣量減少、缸內(nèi)燃燒不充分、后燃嚴(yán)重等導(dǎo)致發(fā)動機熱負(fù)荷增大，發(fā)動機通過冷卻水套傳給冷卻液的熱量明顯增大。海拔升高1000 m，發(fā)動機水套散熱量平均增加5.3%。冷卻液工作溫度每升高10 ℃，發(fā)動機水套散熱量平均降低約14.5%。

2）隨著海拔高度的增加，冷卻系統(tǒng)的空氣質(zhì)量流量降低和散熱器的換熱系數(shù)減小是導(dǎo)致車輛冷卻系統(tǒng)散熱性能顯著下降的主要原因。在相同工況和環(huán)境溫度下，海拔每升高1000 m，保持相同的發(fā)動機冷卻液工作溫度，冷卻系統(tǒng)所需的冷卻空氣流量平均增大約8.8%。

3）海拔高度（大氣壓力）和環(huán)境溫度、冷卻液溫度以及散熱器迎面風(fēng)速等環(huán)境條件和冷卻系統(tǒng)運行參數(shù)都對車輛冷卻系統(tǒng)的散熱性能產(chǎn)生顯著影響。在高海拔地區(qū)，冷卻系統(tǒng)的運行參數(shù)必須進(jìn)行主動調(diào)節(jié)與控制才能適應(yīng)海拔變化對冷卻系統(tǒng)散熱能力造成的不良影響。