大氣壓力對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究

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1、2012118 大氣壓力對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究 許 翔1 ，劉瑞林1 ，劉 剛1 ，任曉江2 ，周 平2 ( 1. 軍事交通學(xué)院汽車工程系，天津 300161; 2. 軍事交通學(xué)院研究生大隊(duì)，天津 300161) ［摘要］ 針對內(nèi)燃叉車柴油機(jī)在高原上的熱平衡問題，建立了柴油機(jī)高海拔熱平衡試驗(yàn)臺(tái)和冷卻系統(tǒng)仿真模 型，對某型叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了熱平衡試驗(yàn)和仿真計(jì)算，得到了不同海拔高度條件下柴油機(jī)燃燒放熱量的分 配比例和冷卻液溫 度 等 信 息。結(jié) 果 表 明，隨 著 海 拔 的 升 高，柴油機(jī)出口冷卻水溫度逐漸增大; 當(dāng)海拔高度接近 4 00

2、0m，環(huán)境溫度為 30℃ 時(shí)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)過熱問題，通過增大風(fēng)扇的流量或提高散熱器的換熱效率，降低了發(fā)動(dòng)機(jī) 的出水溫度，緩解了柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的高原過熱問題。 關(guān)鍵詞: 內(nèi)燃叉車; 柴油機(jī); 冷卻系統(tǒng); 大氣壓力; 熱平衡 A Research on the Effects of Atmospheric Pressure on the Thermal Balance of Cooling System in Diesel Engine Xu Xiang1 ，Liu Ruilin1 ，Liu Gang1 ，Ren Xiaojiang2 ＆ Zhou Ping2 1. Automotive

3、 Engineering Department，Military Transportation University，Tianjin 300161; 2. Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University，Tianjin 300161 ［Abstract］ Aiming at the thermal balance problem of diesel engine in internal-combustion forklift at plateau， a thermal balance tes

4、t bench and a simulation model for its cooling system at high altitude are set up． Both thermal balance test and simulation on the cooling system of an internal-combustion forklift are conducted，and the informa- tion on the distribution of released heat from combustion and the coolant temperature

5、of diesel engine at different heights above sea level is obtained． The results show that the outlet coolant temperature of coolant rises with the in- crease of altitude; when the altitude approaches 4000m with an ambient temperature of 30℃ the cooling system will overheats． By increasing the ai

6、r flow of cooling fan or raising the heat transfer efficiency of radiator，the outlet cool- ant temperature of engine lowers and hence the overheat problem of cooling system of diesel engine at plateau is miti- gated． Keywords: internal-combustion forklift; diesel engine; cooling system; atmosp

7、heric pressure; thermal balance 重，導(dǎo)致故 障 率 升 高，嚴(yán) 重 影 響叉車的綜合作業(yè)效 率［1］。 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能直接關(guān)系到叉車 能否正常工作和柴油機(jī)的使用壽命。因 此，研 究 其 冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能，分析高海拔( 低氣壓) 對其 熱平衡性能的影響，對合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)內(nèi)燃叉車柴 油機(jī)冷卻系統(tǒng)，提高內(nèi)燃叉車的高原環(huán)境適應(yīng)性具 有重要的意義［1 － 2］。 本文 中 基 于 FlowMaster2 仿 真 軟 件 建 立 了 某 型 前言 內(nèi)燃叉車是一種使用廣泛的裝卸搬運(yùn)機(jī)械。目 前，高原地區(qū)使用的內(nèi)燃叉車大都是普通平原型叉 車。

8、由于高原地區(qū)大氣壓力低，使水的沸點(diǎn)下降，發(fā) 動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷增大和冷卻系統(tǒng)散熱能力變差等因素， 內(nèi)燃叉車在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象， 尤其是叉車在大負(fù)荷情況下連續(xù)作業(yè)時(shí)過熱問題嚴(yán) 原稿收到日期為 2011 年 5 月 12 日，修改稿收到日期為 2011 年 7 月 22 日。 2012( Vol． 34) No． 7 許翔，等: 大氣壓力對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究 · 593 · 內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模 型，利 用 柴 油 機(jī) 高 海拔( 低氣 壓) 熱平衡試驗(yàn)臺(tái)對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿 真模型進(jìn)行驗(yàn)證，分析了不同海拔高度( 大氣壓力) 對冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的影

9、響，提出了該柴油機(jī)冷 卻系統(tǒng)的改進(jìn)措施。 氣式柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表 2。 表 2 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 1 柴油機(jī)熱平衡臺(tái)架試驗(yàn) 柴油機(jī)熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)不僅可了解柴油機(jī)各部 分的傳熱特性和熱量分配，也是驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)熱平 衡仿真結(jié)果的重要依據(jù)［3］。 1. 1 試驗(yàn)方法 圖 1 為柴油機(jī)高海拔( 低氣壓) 熱平衡試驗(yàn)臺(tái)示 意圖。 1. 2 熱平衡試驗(yàn)原理 柴油機(jī)燃油燃燒產(chǎn)生的總熱量一般可分為以下 幾個(gè)部分: 轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)的有效功率、排氣帶走的熱 量、傳入冷卻介質(zhì)的熱量和余項(xiàng)熱量損失 ( 機(jī)體、缸 蓋和油底殼表面的散 熱 量) 。由此可得到柴油機(jī)的 熱平衡方程［3］為

10、 ( 1) Qf = Qe + Qw + Qex + Qres 式中: Qf 為燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量; Qe 為 轉(zhuǎn) 化 為 有 效功的熱量; Qw 為冷卻液帶走的熱量; Qex 為排氣帶 走的熱量; Qres 為余項(xiàng)熱量損失。 1. 3 試驗(yàn)結(jié)果分析 試驗(yàn)時(shí)測量柴油機(jī)的有效功率、燃油消耗量、進(jìn) 排氣溫度及冷卻系統(tǒng)各部件進(jìn)出口處的溫 度 和 流 量，數(shù)據(jù)記錄儀采樣時(shí)間間隔為 30s。在每個(gè)試驗(yàn)工 況，發(fā) 動(dòng) 機(jī) 進(jìn)、出水溫差的波動(dòng) 不 超 過 0. 1℃ / min 時(shí)，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了熱平衡。 圖 2 為柴油機(jī)額定工況熱平衡時(shí)熱量分布圖。 圖 1 柴油機(jī)高

11、海拔( 低氣壓) 熱平衡試驗(yàn)臺(tái)示意圖 試驗(yàn)臺(tái)利用進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽真空的方法模擬 柴油機(jī)在低氣壓下的工作狀態(tài)，它 可 模 擬 海 拔 0 ～ 6 000m范圍內(nèi)的大氣壓力; 將冷卻系統(tǒng)膨脹水箱與 排氣穩(wěn)壓箱連接，模擬不同海拔大氣壓力下冷卻水 的沸點(diǎn)。試驗(yàn)中大氣壓力、空氣密度和水的沸點(diǎn)與 海拔高度的對應(yīng)關(guān)系見表 1。 表 1 氣壓、空氣密度和水沸點(diǎn)與海拔高度的關(guān)系 圖 2 柴油機(jī)額定工況熱量分布圖 從圖 2 可知，在平原時(shí)，燃料燃燒放出的總熱量 約有 38% 轉(zhuǎn)化為有效功率，排氣散熱量占總熱量的 35% ，冷 卻 液 散 熱 量 為 14% ，余項(xiàng)熱量損失約占 13%

12、 左右。隨著海拔的升高 ( 大氣壓力降低) ，由于 進(jìn)氣量減少、燃燒惡化等原因，柴油機(jī)的有效功率和 排氣散熱量下降，不完全燃燒造成的熱損失、機(jī)體散 失的熱量和其他熱損 失 不 斷 增 加。和 平 原 相 比，海 拔 5 000m 時(shí)，有效功率所占比例下降了 15. 6 個(gè) 百 試驗(yàn)臺(tái)架主要由柴油機(jī)高海拔 ( 低 氣 壓 ) 模 擬 系統(tǒng)、CW260 電渦流測功機(jī)、油耗儀、進(jìn)排氣壓力傳 感器、溫度傳感器、空氣和冷卻水流量計(jì)等儀器設(shè)備 組成。試驗(yàn)用柴油機(jī)為某型內(nèi)燃叉車配備的自然吸 海拔高度 / m 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 大氣壓力 /

13、 kPa 101. 3 89. 8 79. 5 70. 1 61. 7 54. 0 水沸點(diǎn) / ℃ 100. 0 96. 9 93. 8 91. 2 88. 6 86. 7 空氣密度 / ( kg / m3 ) 1. 225 1. 112 1. 006 0. 909 0. 819 0. 763 參數(shù) 數(shù)值 柴油機(jī)型式 直噴、水冷、4 缸 缸徑 × 行程 / mm 90 × 100 壓縮比 18 2 650r / min 時(shí)額定功率 / kW 37 1 800r / min 時(shí)最大轉(zhuǎn)矩 / ( N·m) ≥148 ·

14、594 · 汽 車 工 程 2012 年( 第 34 卷) 第 7 期 分點(diǎn)，排氣散熱量比例下降了 20. 6 個(gè) 百 分 點(diǎn)，余 項(xiàng) 熱量損失的比例增大了 35. 0 個(gè)百分點(diǎn)，冷卻液散熱 量所占比例變化不明顯。 圖 3 為不同海拔高度下柴油機(jī)排氣溫度隨轉(zhuǎn)速 的變化趨勢。 由式( 3) 可知，除了空氣密度外，空氣的其他物 性參數(shù)隨海拔變化不明顯?？諝饷芏入S海拔高度升 高明顯降低，使得空氣側(cè)換熱系數(shù)減小，最終導(dǎo)致散 熱量下降，冷卻效果變差。 2. 3 仿真模型 該柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由水泵、散 熱 器、節(jié) 溫 器、膨脹水 箱、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和 氣缸蓋中的水套等組

15、 成?；?FlowMaster2 軟件建立的柴油機(jī)冷卻系統(tǒng) 仿真模型如圖 4 所示。 圖 3 不同海拔高度柴油機(jī)排氣溫度曲線 從圖 3 可知，隨著海拔高度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣 溫度不 斷 升 高，柴油機(jī)熱負(fù)荷增 加; 海 拔 每 升 高 1 000m，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度平均上升 1. 5% ～ 4. 5% 。 圖 4 冷卻系統(tǒng)仿真模型示意圖 隨著海拔高度升高，大氣壓力下降，柴油機(jī)進(jìn)氣流量 減少，而相同轉(zhuǎn)速時(shí)柴油機(jī)供油量基本不變，因而過 量空氣系數(shù)減小，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分，后 燃 嚴(yán) 重， 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高。 2. 4 模型驗(yàn)證 針對某型內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系

16、統(tǒng)，應(yīng) 用 該 仿 真模型進(jìn)行 了 計(jì) 算，環(huán) 境 溫 度 為 10℃ ，部 分 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)和仿真結(jié)果的對比見表 3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為柴油機(jī)在 平原( 海拔 2m) 和高原( 海拔 3 000m) 額定工況達(dá)到 熱平衡時(shí)的冷卻液 溫 度。從 表 3 可 知，仿 真 結(jié) 果 與 試驗(yàn)結(jié)果的誤差小于 5% ，表明仿真結(jié)果是可信的。 表 3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比 2 冷卻系統(tǒng)模型 2. 1 高原大氣壓力的修正 大氣壓力和空氣密度隨海拔高度的增加明顯減 小，不僅使進(jìn)氣量減小，影響柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒，還 改 變冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)換熱系數(shù)，使冷卻系的冷卻能力 變差。 大氣壓力和海拔高度的對應(yīng)關(guān)系為

17、 5. 256 pair = p0 ( 1 － 0. 02257H) ( 2) 式中: p0 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力; H 為海拔高度。 2. 2 散熱器換熱系數(shù)的修正 散熱器的換熱系數(shù)由散熱器的結(jié)構(gòu)形式、換 熱 表面的傳熱特性( 傳熱因子 j) 和傳熱介質(zhì)的物性參 數(shù)等決定［2］。大氣壓力變化對散熱器水側(cè)換熱系數(shù) 的影響可忽略［4］; 而散熱器空氣側(cè)的換熱系數(shù)［5］為 注: Ti 為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度，To 為發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度。 3 仿真結(jié)果和分析 圖 5 為平原熱平衡試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度 隨時(shí)間的變化。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為 10℃ ，發(fā)動(dòng)機(jī)額 定工況運(yùn)行; 節(jié)溫器開啟溫 度

18、 為 75℃ ，全 開 溫 度 為 85℃ 。發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度隨節(jié)溫器開度在 75 ～ 85℃ 范圍內(nèi)波動(dòng)。 n － n n － 1 n ha = C( λv η de ) ρ ( 3) 式中: C、n 為無因次常數(shù); v 為空氣流速; λ 為空氣導(dǎo) 熱系數(shù); ρ 為空氣密度; η 為空氣動(dòng)力黏度; de 為換熱 表面當(dāng)量直徑。 海拔 2m 海拔 3 000m Ti / ℃ To / ℃ Ti / ℃ To / ℃ 試驗(yàn) 66. 5 75. 4 67. 1 77. 5 仿真 69. 4 78. 5 69. 9 80. 9

19、 誤差 4. 4% 4. 1% 4. 2% 4. 4% 2012( Vol． 34) No． 7 許翔，等: 大氣壓力對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究 · 595 · 表 4 改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度對比 升隨流量增大而減小; 當(dāng)水泵流量達(dá)到一定值時(shí)，再 增大水泵流量發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度反而有小幅的升高。 因此，通過盲目提高水泵流量來降低發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫 度是不可取的［6］。 圖 5 發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度的變化曲線 圖 6 為環(huán)境溫度為 30℃ 、發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況運(yùn)行 達(dá)到熱平衡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度隨海拔高度的變 化。從圖 6 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度隨海拔升高逐 漸增

20、 大，進(jìn)出水溫差逐漸 減 小; 海 拔 高 度 為 3 000、 4 000和5 000m時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度分 別 為 84. 2、 94. 4 和 105. 4℃ 。值 得 指 出 的 是，高 原 條 件 下 使 發(fā) 動(dòng)機(jī)熱狀況更加惡化的另一個(gè)重 要 原 因 是，水 的 沸 點(diǎn)隨著海拔高度的升高而降低。圖 6 中同時(shí)示出冷 卻水沸點(diǎn)的曲 線。由 圖 可 知，海 拔 高 度 達(dá) 到4 000m 之前，冷 卻 液 溫 度 已 超 過 沸 點(diǎn)，發(fā) 動(dòng) 機(jī) 將 出 現(xiàn)“開 鍋”現(xiàn)象。為滿足高海拔地區(qū)的冷卻要求，須進(jìn)一步 強(qiáng)化冷卻系的冷卻能力，或采用密封加壓式冷卻系 統(tǒng)，提高冷卻水在高原的沸點(diǎn)

21、。 4 結(jié)論 ( 1) 首次建立柴油機(jī)高海拔 ( 低 氣 壓) 熱 平 衡 試驗(yàn)臺(tái)，研究了大氣壓力對柴油機(jī)機(jī)體冷卻熱平衡 的影響，得到了不同海拔高度條件下柴油機(jī)的有效 功率、冷卻液循環(huán)散熱量、排氣散熱量和其他余項(xiàng)熱 損失的分配比例，為驗(yàn)證仿真模型提供試驗(yàn)依據(jù)。 ( 2) 建立的內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡模 型可預(yù)測海 拔 高 度 ( 大 氣 壓 力) 變化對冷卻系統(tǒng)性 能的影響。仿真模型在一定程度上能夠模擬內(nèi)燃叉 車柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的傳熱過程，對冷卻系統(tǒng)和各關(guān) 鍵部件的性能進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與匹配。 ( 3) 通過仿真計(jì)算證明該型內(nèi)燃叉車柴油機(jī)冷 卻系

22、 統(tǒng) 的 熱平衡性能不理 想，當(dāng)海拔高度超過 4 000m、環(huán)境溫度 30℃ 時(shí)，冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不 能滿足熱平衡要求。通過增大風(fēng)扇流量或提高散熱 器的換熱效率，降低了柴油機(jī)出水溫度，緩解了柴油 機(jī)冷卻系統(tǒng)的高原過熱問題。 參考文獻(xiàn) ［1］ 劉瑞林，鄭智，郝士祥，等． 內(nèi)燃叉車高原環(huán)境適應(yīng)性研究［J］． 軍事交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，12( 4) : 52 － 55． 姚仲鵬，王新國． 車輛冷卻傳熱［M］． 北 京: 北京理工大學(xué)出版 社，2001． 劉忠民，俞小莉，沈 瑜 銘． 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 熱 平 衡 試 驗(yàn) 研 究［J］． 浙 江 大 學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42( 7) : 1

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24、增 大風(fēng)扇的體積流 量，由 0. 84m3 / s 變 為 1. 12m3 / s; 改 進(jìn)方案 2 中將散熱器的換熱效率從 0. 6 提高至 0. 7; 改進(jìn)方案 3 中只改變水泵流量( 120 ～ 220L / min) 。 從表 4 可 知，增大冷卻風(fēng)扇的流量 ( 改 進(jìn) 方 案 1) 或提高散熱器換熱效率( 方案 2) 均能提高冷卻能 力，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度得 到 了 控 制。水 泵 流 量 的 變 ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 化 ( 方案3 ) 對發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度影響很小 ，進(jìn)出水溫 海拔 4 000m 海拔 5 000m Ti / ℃ To / ℃ Ti / ℃ To / ℃ 原機(jī)型 88. 2 94. 4 101. 8 105. 4 改進(jìn)方案 1 78. 9 86. 1 94. 1 97. 9 改進(jìn)方案 2 80. 1 88. 7 95. 0 99. 1 改進(jìn)方案 3 86. 7 ～ 88. 9 93. 0 ～ 94. 7 98. 4 ～ 102 103 ～ 105. 8