基于熱平衡試驗分析冷卻系統對高強化柴油機的影響

張博，張萍，郭旭，曾凡明

(1.海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033；2.中國人民解放軍駐蕪湖軍代室，安徽 蕪湖 241000)

傳統冷卻水泵通過齒輪系與柴油機相聯，泵的轉速完全取決于發動機轉速，與柴油機運行狀態的冷卻需求無關，隨著電子控制技術的發展，智能冷卻已成為現代柴油機冷卻系統的主要發展趨勢，智能冷卻可以根據柴油機的冷卻需求提供精確的冷卻液流量，實現熱平衡的智能控制，提高熱效率。有研究人員設計電子水泵，可根據發動機冷卻需求控制冷卻流量，進而優化發動機動力性和經濟性。適當減少冷卻液流量可以減少散熱、提高熱效率，但也可能導致活塞、缸蓋等高溫部件熱負荷過大，表明發動機的動力性、經濟性和可靠性之間存在著制約關系，因此最佳冷卻液流量應既能滿足發動機的散熱需求，又要保證發動機安全運行。為此，以某船用柴油機為研究對象，設計智能控制冷卻熱平衡試驗系統。開展原機熱平衡試驗，分析柴油機與冷卻系統的匹配特性以及活塞、缸蓋不同區域的熱負荷狀態，開展變冷卻液流量熱平衡試驗，分析冷卻液流量對有效功率、燃油消耗率、爆發壓力、燃燒室組件高熱負荷區域和累計放熱量的影響規律，為冷卻系統運行參數的優化提供參考。

1 熱平衡試驗系統原理及試驗方案

1.1 試驗系統總體設計

研究對象為直列、6缸、增壓、水冷、四沖程船用高強化柴油機。額定轉速1 800 r/min，額定功率690 kW，爆發壓力17.0 MPa。冷卻系統由高溫、低溫雙循環系統組成，冷卻水泵為機帶泵。

試驗目的是分析冷卻液流量對柴油機主要性能參數的影響。為實現冷卻液流量可控調節，將原機冷卻系統進行電控化改造，水泵由變頻電動機直接驅動，中央控制器根據操作面板指令輸出控制信號(電壓信號)，對變頻電動水泵轉速進行調控，可變冷卻液流量熱平衡試驗系統見圖1。試驗系統主要由電動淡水泵、電動海水泵、電子比例閥、加熱器、電子控制單元(ECU)、數據采集系統、變頻器、流量傳感器、溫度傳感器和傳感導線組成。ECU接收淡水流量信號，并判斷淡水流量與目標流量之差。當淡水流量高于(低于)目標值時，變頻器降低(增加)電動淡水泵的轉速，以降低(增加)水流量。ECU控制電動海水泵轉速，控制中冷器后的增壓空氣溫度穩定。ECU發送水溫控制信號，調整電子比例閥滑閥位置，調節進入加熱器和散熱器的淡水流量，使發動機進口淡水溫度保持在(343+2)K。圖1中T、P和Q表示相應位置的溫度、壓力和流量傳感器。試驗系統現場布置見圖2。

圖1 試驗系統原理示意

圖2 試驗系統和電子控制單元

試驗裝置見表1，其中熱式氣體流量計的精度是1%R，電磁流量計的精度是0.3%R，均屬于高精度儀表，R為實際讀數的±1%。

表1 測試設備及傳感器選型

1.2 缸蓋和活塞溫度傳感器布置

該型柴油機為單體式缸蓋，選擇其中一缸進行試驗。根據試驗測得，額定工況下各缸流量()及流量不均勻度()見表2，流經第1、3缸的水流量最小，表明熱邊界條件相同的條件下，第1缸的熱負荷最高，因此選取第1缸為研究對象。

表2 各缸流量及不均勻度

活塞溫度的測量采用存儲式測量裝置。該裝置為電路集成密封塊型式，固定安裝在活塞銷座上，隨活塞一起運動，密封塊內含有實時時鐘芯片、數據存儲器和電池等元件，測溫傳感器為Omega TT-K-40熱電偶，在試驗過程中，溫度信號被傳輸并存儲在電路集成密封塊的存儲器中，試驗完成后通過專用軟件讀取數據，該裝置省去了信號外輸線路，避免了信號干擾，精度更高。測點布置見圖3，測點1位于火力岸中間部位，測點2位于進氣門避閥坑，測點3位于活塞頂面中心突起區域，測點4位于燃燒室底部凹坑區域，測點5位于排氣門避閥坑。

圖3 活塞溫度測點布置

缸蓋溫度測量采用鎧裝熱電偶。在缸蓋上加工安裝孔，將熱電偶裝入孔中，用2膠水封固好。測點布置見圖4，測點A位于2進氣門之間鼻梁區，測點B位于進氣門與排氣門之間鼻梁區，測點C位于2排氣門之間鼻梁區，測點D位于排氣門邊緣，測點E位于噴油器安裝孔附近，每組測點分為上、下兩層，分別距離缸蓋火力面(即底面)16 mm和9 mm處。由于缸蓋內部結構復雜，熱源分布不均勻導致熱應力較大，缸蓋鉆孔過多容易導致缸蓋熱裂失效，因此選擇第3缸安裝A、B測點，第1缸安裝C、D、E測點。

圖4 缸蓋溫度測點布置

1.3 試驗方案

試驗環境溫度為27 ℃，大氣壓為100 kPa，空氣濕度60%，淡水進口溫度為(343+2)K。

1)原機熱平衡試驗。柴油機推進工況下，分析發動機與冷卻系統的匹配特性，以及缸蓋和活塞的熱負荷狀態。試驗工況見表3。

表3 試驗工況

試驗中，通過ECU控制，將電動海、淡水泵模擬為傳統機帶型。

2)變冷卻液流量熱平衡實驗。推進工況下，分析熱平衡、燃油消耗率、爆發壓力、累積放熱量、氣缸蓋和活塞溫度場隨淡水泵轉速的變化規律，淡水泵轉速為1 600、1 900、2 200、2 600和3 000 r/min共計5種情況。

2 原機熱平衡試驗結果分析

2.1 燃油消耗率及熱平衡隨推進工況的變化

2.1.1 燃油消耗率變化規律

隨著柴油機負荷的降低，油耗率先緩慢下降，然后迅速上升見圖5。在25%額定負荷下，燃油消耗率高達249 g/(kW·h)。說明在中、低負荷工況下柴油機的燃油經濟性較差，有改進的空間。在高負荷工況下(75%額定負荷以上)，燃油消耗率穩定在206～210 g/(kW·h)，燃油經濟性較好。

圖5 燃油消耗率的變化

2.1.2 熱平衡變化規律

假定燃油燃燒總放熱量為100%，有效功率、廢氣和淡水系統帶走熱量占85%左右；隨著柴油機負荷的降低，有效功率占比逐漸減小，淡水系統帶走熱量占比逐漸增大，在25%額定負荷點，有效功率占比降低到30.54%，淡水系統帶走熱量占比升高到29.17%，見圖6。

圖6 熱平衡圖

2.1.3 原因分析

由于淡水泵為機帶型式，不能根據柴油機運行狀態“按需調節”冷卻強度，在中、低負荷工況點，柴油機被過度冷卻，冷卻系統帶走過多熱量，燃燒室溫度較低，同時由于柴油機低負荷和低轉速，導致缸內噴油量及進氣量較少，噴油霧化質量及油氣混合不均勻，導致燃油燃燒不充分，熱效率降低，燃油消耗率升高。隨著柴油機轉速和負荷的增加，每循環進氣流量和噴油量增加，燃油燃燒釋放的熱量增加，因此缸內溫度升高，缸內溫度升高有利于燃油的霧化和與空氣的均勻混合，因此燃油燃燒質量提高，熱效率提高，燃油消耗率下降。并且隨著柴油機負荷升高，冷卻系統的冷卻強度逐漸與柴油機的散熱需求相匹配，冷卻水溫升高，冷卻系統帶走熱量占比逐漸降低，整機熱量分配更加科學，燃油經濟性變好，冷卻水溫升高引起滑油工作溫度升高，柴油機摩擦副間潤滑效果變好，機械效率提高。

2.2 缸蓋及活塞溫度隨推進工況的變化規律

缸蓋各測點溫度見表4。

表4 缸蓋測點C溫度值 K

從表4可知，下測點溫度比上測點溫度高出幾十℃，原因是下測點離缸蓋火力面距離更近，受到缸內燃燒傳遞熱量更多。

缸蓋下測點溫度見圖7。

圖7 缸蓋測點溫度的變化

測點C的溫度明顯高于其他測點，這是由于測點C位于排-排鼻梁區，燃燒后的高溫廢氣全部經過排氣門排出，使得該區域不斷承受高溫高壓氣體的沖刷作用，并且流經鼻梁區的冷卻水流量很小，導致該區域溫度很高，在100%和110%額定負荷點分別達到563.9 K和569.9 K。測點E的溫度僅次于測點C，這是由于噴油器附近混合氣濃度相對較高，燃燒放熱量大。位于進-排鼻梁區的測點B可以受到進氣的冷卻，溫度比測點C和測點E低。位于排氣門邊緣的測點D距離燃燒中心較遠，位于進-進鼻梁區的測點A受到新氣冷卻作用，兩測點溫度最低。

活塞各測點溫度見圖8。測點3溫度最高，主要原因是燃油在燃燒瞬間，會釋放出大量的熱量，并產生巨大的爆發壓力，而活塞頂面中心突起區域與火焰中心距離最近，并且該區域活塞材料較少，造成該區域溫度大幅度上升，在100%負荷和110%負荷分別達到511.6 K和516.5 K。位于排氣門避閥坑的測點5和位于進氣門避閥坑的測點2由于受到燃燒火焰的沖刷作用，溫度都較高，且十分接近。測點4受到活塞冷卻油腔的冷卻作用，溫度值相對較低。測點1距離活塞頂面較遠，且受到缸套冷卻水腔的冷卻作用，溫度最低。

圖8 活塞測點溫度的變化

試驗結果表明，缸蓋底面的排-排鼻梁區(測點C)和活塞頂面中心突起區域(測點3)的熱負荷最高，在優化冷卻系統時應重點關注。

3 變冷卻液流量熱平衡試驗結果

3.1 動力性及經濟性隨淡水泵轉速的變化規律

3.1.1 燃油消耗率

如圖9所示。

圖9 燃油消耗率的變化

1)在25%、50%、75%額定負荷點，燃油消耗率隨著淡水泵轉速的降低而減小，與對應工況的最大值相比，分別節省5.0、3.1和2.1 g/(kW·h)。

2)在90%、100%額定負荷點，燃油消耗率隨淡水泵轉速的降低先減小后增大，當淡水泵轉速為2 000 r/min左右時，油耗分別節省1.6和1.15 g/(kW·h)。

3)在110%額定負荷下，燃油消耗率隨淡水泵轉速的降低而增大。

試驗表明，在中、低負荷點，適當減少淡水流量有利于提高熱效率。在額定負荷點，淡水流量過高或過低都不利于燃油經濟性，當淡水泵轉速在2 000 r/min左右時，燃油經濟性相對最好。在過載工況下，適當增加淡水流量可以提高熱效率，降低燃油消耗率。

3.1.2 有效功率

如圖10所示。

圖10 有效功率的變化

1)在25%、50%、75%額定負荷點，有效功率隨淡水泵轉速的降低而增大，與對應工況的最小值相比，分別增加了7、10.5和12.25 kW。

2)在90%、100%額定負荷點，隨著淡水泵轉速的降低，有效功率先增大后減小。淡水泵轉速在2 000 r/min左右時，有效功率達到最大值。

3)在110%額定負荷點，有效功率隨著淡水泵轉速的降低而減小。

3.1.3 熱平衡

如圖11所示。

圖11 熱平衡的變化

1)在25%、50%、75%額定負荷點，隨著淡水泵轉速的降低有效功率占比升高，淡水系統帶走熱量占比降低。

2)在90%、100%額定工況點，有效功率占比隨著淡水泵轉速的降低，先升高再降低，淡水泵轉速在2 000 r/min左右時，有效功率占比達到最大。

3)在110%額定負荷點，有效功率占比隨著淡水泵轉速的升高而升高，冷卻系統帶走熱量占比增加。

3.1.4 累積放熱量

見圖12a)～e)，隨著冷卻水流量的減少，燃燒室內的累積放熱增加，由于冷卻損失的減少，燃燒室溫度升高，噴油霧化質量提高，油氣混合更加均勻，燃燒質量提高。圖12f)表明，在過載負荷點，柴油機熱負荷較高，降低淡水泵轉速，冷卻水流量降低，冷卻強度不足，燃燒室內溫度升高，充氣效率降低，燃油燃燒質量惡化，累積放熱減少。

圖12 累積放熱的變化

3.1.5 原因分析

1)在低負荷點，淡水流量隨冷卻泵轉速的降低而減小，導致流動換熱系數減小。因此冷卻系統的冷卻強度降低，導致淡水溫度升高。燃燒室和冷卻水套之間的溫差減小。根據牛頓冷卻定律(=·Δ，為熱流，為對流換熱系數，Δ為溫差)，冷卻損失減小，轉化為有效功率增加，熱效率提高，油耗率降低。而且，由于冷卻系統損失的減少，燃燒室溫度升高，噴油霧化質量提高，油氣混合更加均勻，燃燒質量提高，因此有效功率增加，熱效率提高，燃油消耗率降低。

2)在高負荷點，在合理范圍內降低冷卻泵轉速，冷卻系統帶走的熱量較少，提高了熱效率，整機熱量分配得到優化，提高了熱效率，降低了燃油消耗率；但當冷卻泵轉速降低到一定程度時，冷卻系統的冷卻強度不足，燃燒室溫度升高，充氣效率降低，引起燃油燃燒質量的惡化，熱效率降低。同時，潤滑油溫過高，各摩擦副間潤滑性差，摩擦損失增加，機械效率降低。綜合因素導致有效功率下降，燃油消耗率上升。

3)在超負荷點，每循環噴油量增加，柴油機熱負荷增加，為了降低燃燒室溫度提升過量空氣系數，需要加強冷卻，如果冷卻水泵轉速降低，會導致柴油機冷卻不足，燃燒室溫度升高，導致充氣效率降低，油氣混合不均勻，燃燒質量惡化，熱效率降低，并且由于冷卻不足引起的滑油溫度過高，會導致潤滑不良，摩擦損失增加，綜合因素導致柴油機動力性和經濟性下降。

3.2 爆發壓力隨淡水泵轉速的變化規律

如圖13所示。在25%～100%額定負荷點，隨著淡水泵轉速的降低，爆發壓力明顯增大。在100%額定負荷點，當淡水泵轉速為1 600 r/min時，爆發壓力達到17.7 MPa。在110%額定負荷點，爆發壓力隨淡水泵轉速的降低而降低，淡水泵轉速為3 000 r/min時，爆發壓力達17.9 MPa。在超負荷點，柴油機熱負荷較高，需要加強冷卻，當冷卻泵轉速降低時，燃燒室冷卻不足，導致燃燒室溫度高，充氣效率低，過量的空氣系數降低導致燃料和空氣混合不均勻，燃料燃燒不充分，在燃燒過程中，燃燒延遲期延長，后燃期延長，導致缸內壓力峰值降低。

圖13 爆發壓力的變化

該柴油機理論缸壓峰值約為17.5～17.7 MPa，一般控制在17.5 MPa以內。在優化冷卻系統運行參數的過程中，應防止氣缸壓力的沖擊負荷。

3.3 氣缸蓋和活塞溫度隨淡水泵轉速的變化規律

如圖14所示。推進工況下，缸蓋測點C的溫度隨淡水泵轉速的降低而升高。氣缸蓋材料為合金灰鑄鐵，理論最高蠕變溫度為620～660 K。在100%和110%額定負荷下，當淡水泵轉速低于2 200 r/min時，測點C溫度達到缸蓋材料的蠕變溫度范圍。在75%和90%額定負荷點，淡水泵轉速為1 600 r/min時，測點C溫度接近蠕變溫度。

圖14 缸蓋測點C的溫度變化

如圖15所示。活塞測點3的溫度隨淡水泵轉速的降低而升高。在100%和110%額定負荷點，當淡水泵轉速為1 600 r/min時，測點3點溫度達到最大值540 K和551 K。活塞由鋁合金鑄造，理論最高蠕變溫度范圍為600～635 K。試驗結果表明，活塞的最高溫度低于蠕變溫度，表明活塞冷卻良好。

圖15 活塞測點3的溫度變化

試驗表明，適當降低淡水泵轉速可以提高柴油機的動力性和經濟性，但應防止缸蓋2排氣門間鼻梁(C點)的溫度超過材料蠕變溫度。

4 結論

1)在中、低負荷點，柴油機被過度冷卻，適當降低冷卻液流量可以降低燃油消耗率、提高有效功率和熱效率。在額定負荷點，有效功率占比隨著淡水泵轉速的降低先增大后減小，當淡水泵轉速為2 000 r/min左右時，動力性和燃油經濟性最好。在超負荷點，適當增加冷卻液流量可以提高熱效率和燃油經濟性。

2)氣缸蓋排氣門之間鼻梁區域存在熱失效風險。在75%～90%額定負荷點，當水泵轉速為1 600 r/min時，該區域溫度接近蠕變溫度；在柴油機100%和110%額定負荷點，當水泵轉速小于2 200 r/min時，該區域溫度達到材料蠕變溫度。

3)在25%～100%額定負荷點，缸內壓力峰值隨著淡水泵轉速的降低而增大。但在110%額定負荷點，缸內壓力峰值隨著淡水泵轉速的增加而增大。

4)適當降低淡水流量可以提高發動機的動力性和經濟性，但應防止氣缸蓋和活塞關鍵區域溫度超過蠕變溫度，以及爆發壓力超過上限。