兩級增壓中冷柴油機冷卻散熱系統高海拔性能研究

劉建敏， 何盼攀， 王普凱， 劉艷斌， 韓立軍

(1. 裝甲兵工程學院訓練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

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兩級增壓中冷柴油機冷卻散熱系統高海拔性能研究

劉建敏1， 何盼攀2， 王普凱2， 劉艷斌2， 韓立軍2

(1. 裝甲兵工程學院訓練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

為研究某兩級增壓中冷柴油機冷卻散熱系統的高原適應性，利用GT-power軟件建立了該柴油機工作過程和冷卻散熱系統的耦合計算模型，經過實驗數據驗證后利用該模型預測分析了柴油機在變海拔條件下冷卻散熱性能的變化規律。結果表明：隨著海拔的升高，柴油機的功率、冷卻空氣質量流量、中冷器和散熱器的散熱量均減小，為后續該柴油機變海拔性能的改進提供了理論依據。

柴油機； 兩級增壓中冷； 海拔； 冷卻散熱

高海拔地區的空氣稀薄、大氣壓力低，導致軍用車輛柴油機的進氣量減少、燃燒惡化、熱負荷增加，從而使其動力性、可靠性和經濟性受到影響，作戰性能大打折扣。因此，開展高海拔條件下柴油機冷卻散熱性能的預測和分析對提高柴油機的高原適應性具有重要意義。

通過傳統的實車試驗來研究高原環境下柴油機的冷卻散熱能力不僅耗時耗力，而且試驗結果的精確性也難以保證，因此可采用仿真的方法進行分析計算。任素慧等[1]對一臺16缸增壓中冷柴油機在高原條件下的速度特性進行了數值模擬研究，但在分析外界環境時僅僅考慮了大氣壓力的影響，其研究存在一定的局限性；汪茂海等[2]對高海拔下發動機性能和冷卻系統有關參數進行了修正，并通過發動機熱管理系統模型對某型工程車輛進行了分析，有效解決了其高原過熱問題，但該發動機與大功率軍用柴油機有較大的區別，結論不具備通用性；劉瑞林等[3]通過GT-suite仿真軟件建立了某型車用柴油機冷卻散熱系統仿真模型，并利用該模型分析了不同海拔高度對柴油機冷卻散熱性能的影響，但未對增壓器和中冷器進行研究。

基于此，筆者以某兩級增壓中冷柴油機為研究對象，利用GT-power軟件建立其工作過程和冷卻散熱系統的仿真模型，研究不同海拔條件下柴油機冷卻系統散熱的變化規律，以期為后續柴油機性能的改進和試驗研究奠定良好的基礎。

1　數學模型

1.1缸內熱力過程

將由氣缸蓋底面、活塞頂面和氣缸套內壁面圍成的空間作為一個熱力系統，采用零維燃燒模型計算其熱力過程，利用壓力、溫度、質量和組成成分參數描述工質狀態，它們由能量守恒方程、質量守恒方程及氣體狀態方程[4]聯系起來，經聯立求解后得到工質狀態參數隨曲軸轉角的變化關系。其中：能量守恒方程為

(1)

根據缸內熱力系統質量守恒，可得缸內質量守恒方程為

(2)

理想氣體狀態方程為

pV=mRT。

(3)

式中：φ為曲軸轉角；m為缸內氣體質量；p、V、T分別為缸內氣體的壓力、容積和溫度；Qb、Qw為與氣體的交換熱量；λ為過量空氣系數；?為氣體定容比熱；U為缸內單位質量氣體對應的內能；H為缸內單位質量氣體對應的焓；H2為流入氣缸單位質量氣體對應的焓；mb為缸內燃油質量；me為流經進氣門的氣體質量；ma為流經排氣門的氣體質量；R為理想氣體常數。

1.2冷卻介質傳熱模型

冷卻介質主要包括冷卻液和動力艙空氣等。冷卻介質流經柴油機部件和換熱器芯體時，與其所接觸的部件傳遞熱量，對應的傳熱流量Qci由傳熱系數和換熱溫差決定：

Qci=aciAwi(Tci-Twi)。

(4)

式中：aci為冷卻介質的傳熱系數，與冷卻介質的物理性質和流動情況有關；Tci為冷卻介質溫度；Twi為冷卻介質與其所接觸部件的壁面溫度；Awi為冷卻介質與其所接觸部件的傳熱面積。對于不同的流體介質、換熱部位，采用不同的壁面傳熱系數計算公式。

2　仿真模型

2.1耦合模型的建立

該柴油機采取了兩級增壓加兩級中冷的性能強化措施。在柴油機工作時，新鮮空氣經兩級壓縮和兩級中冷提高進氣密度，并在進氣門開啟時流入氣缸，與燃油混合燃燒后產生的廢氣經排氣門流入排氣系統，兩級渦輪從廢氣中回收能量，用以驅動兩級增壓機工作。

圖1為柴油機工作過程模型。在建模過程中對兩級渦輪增壓、兩級中冷、兩級渦輪的旁通閥、雙進排氣門等結構特性進行了最大限度的保留[5]，對結構復雜、模擬困難且對最終結果影響不大的部件和實體進行了部分簡化。

圖1　柴油機工作過程模型

圖2為柴油機冷卻系統傳散熱模型，該模型包含高溫冷卻循環和低溫冷卻循環2大部分。其中：

圖2　柴油機冷卻系統傳散熱模型

高溫冷卻循環系統由高溫水泵、機體冷卻系統、一級中冷系統和高溫水散熱器組成；低溫冷卻循環系統由低溫水泵、二級中冷系統、機油冷卻系統和低溫水散熱器組成。

高溫循環系統主要通過冷卻液對機體和一級中冷器進行冷卻，一級中冷器和機體的熱量均通過工作過程計算模型得到，高溫水散熱器負責對整個高溫循環系統的冷卻液進行冷卻。低溫循環系統主要負責對二級中冷器和潤滑油進行冷卻，運行方式和原理與高溫循環系統相似。

2.2模型的驗證

在大氣壓力為1.01 bar、溫度為25 ℃、轉速為2 200 r/min、油門為100%的工況條件下，柴油機冷卻散熱實驗值和計算值對比如表1所示。可以看出：除了二級中冷器處散熱量誤差較大外，其余指標誤差均控制在較小的范圍內。

3　海拔高度影響分析

利用上述模型分別選取0、1、2、3、4、5 km這6種海拔高度計算分析其對柴油機冷卻散熱的影響。表2為不同海拔高度下的大氣各項性能參數。

表1　柴油機冷卻散熱實驗值與計算值對比

表2　不同海拔高度下的大氣各項性能參數

3.1柴油機功率隨海拔的變化趨勢

圖3　柴油機功率隨海拔變化曲線

圖3為柴油機功率隨海拔變化曲線。可以看出：海拔高度在2 km以下時，海拔每升高1 km，柴油機功率下降2 kW左右；當海拔高度在2～4 km之間時，下降幅度增加到6 kW/km；當海拔由4 km上升到5 km時，功率下降超過了10 kW。與大氣的各項性能參數相比，隨著海拔升高，柴油機功率下降的相對幅度并不大，即使在海拔5 km時，功率下降也未超過3%，表明該柴油機兩級渦輪增壓系統具有良好的高原適應性。

3.2冷卻空氣質量流量隨海拔變化趨勢

圖4為冷卻空氣質量流量隨海拔變化曲線。可以看出：隨著海拔升高，冷卻空氣的質量流量不斷減小，這是由于冷卻風扇的傳動比及轉速是固定的，因此冷卻空氣的質量流量只與同海拔高度時的空氣密度相關。

圖4　冷卻空氣質量流量隨海拔變化曲線

3.3中冷器散熱量隨海拔的變化趨勢

圖5為中冷器散熱量隨海拔變化曲線。可以看出：1)在較低海拔時，一級中冷器的散熱量隨海拔升高而增大，這是由于壓氣機對空氣增壓的影響大于隨海拔升高空氣溫度降低的影響，而在海拔超過2 km以后，空氣溫度降低的影響大于壓氣機對空氣增壓的影響，散熱量隨海拔升高開始減小；2)二級中冷器散熱量隨海拔升高而逐漸減小，這是由于在經歷了一級增壓中冷之后，新鮮空氣的溫度基本保持穩定，隨著海拔升高，大氣溫度的降低對進氣溫度的影響已可忽略，二級中冷器換熱量只與新鮮空氣質量流量呈正相關。

圖5　中冷器散熱量隨海拔變化曲線

3.4高溫散熱器散熱量隨海拔的變化趨勢

圖6為高溫散熱器散熱量隨海拔變化曲線。可以看出：高溫散熱器散熱量隨海拔升高而不斷減小，這是由于冷卻空氣的質量流量隨海拔的升高而不斷減小，冷卻空氣帶走熱量的能力不斷下降；海拔在2 km以下時，高溫散熱器散熱量的下降幅度較小，這是因為一級中冷器的散熱量在海拔2 km以下時逐漸增加，在一定程度上延緩了高溫散熱器散熱量的減小。

圖6　高溫散熱器散熱量隨海拔變化曲線

3.5冷卻液出水溫度隨海拔的變化趨勢

圖7為機體冷卻液出水溫度隨海拔變化曲線。可以看出：機體冷卻液出水溫度隨海拔升高而不斷升高，這是由于機體冷卻液出水溫度的變化與氣缸套傳遞給冷卻液的熱量有直接關系[6]，而氣缸套的熱量是由燃氣傳遞過來的，它的變化規律與燃氣帶走熱量的變化規律相同。

圖7　機體冷卻液出水溫度隨海拔變化曲線

4　結論

筆者利用GT-power軟件建立了某軍用柴油機工作過程及冷卻散熱模型,利用軟件內部數據傳遞的方法將中冷器工作過程模型內部的換熱量傳遞給冷卻散熱模型，從而實現了兩者之間的耦合計算，并通過實驗證明了該模型的正確性。

通過改變模型的參數值，研究了不同海拔下柴油機的工作狀態。結果表明：隨著海拔升高，由于空氣壓力、密度、溫度、空燃比和燃油效率的降低，柴油機的功率、新鮮空氣流量、兩級中冷器的散熱量和散熱器的散熱量等都呈下降趨勢，機體冷卻液的出水溫度隨海拔上升而不斷升高，但變化幅度并不大，考慮到模型存在一定程度的誤差，還需作進一步的研究。

[1]任素慧，李人憲.高原條件下柴油機速度特性的計算模擬[J].內燃機，2007,(1):25-28.

[2]汪茂海，陳濤，張揚軍，等.高原發動機熱管理系統性能分析研究[J].汽車工程，2010,32(10):851-853.

[3]劉瑞林，王凱，周磊，等.海拔高度對柴油機冷卻系統性能影響的仿真研究[J].軍事交通學院學報，2014,16(9):26-30.

[4]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2011:48-49.

[5]王普凱.車用大功率內燃機熱狀態建模與計算研究[D].北京:裝甲兵工程學院,2009.

[6]劉曉，畢小平，李義軍，等.冷卻系統熱流量分配計算與試驗對比分析[J].車輛與動力技術，2013，129(1):41-44.

(責任編輯: 尚菲菲)

Study on Variable Altitude Capability of the Cooling and Radiating System in Two-stage Turbocharged and Intercooled Diesel Engine

LIU Jian-min1, HE Pan-pan2, WANG Pu-kai2, LIU Yan-bin2, HAN Li-jun2

(1. Department of Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To analyze the plateau adaptability of the cooling and radiating system in the two-stage turbocharged and intercooled diesel engine, the coupling calculation model of working process, cooling and radiating system is established using the software of GT-power. After being certificated by the experiment data, then the model is used to predict the changing law of cooling and radiating capability of the diesel engine at variable altitude. The result shows that with the increase of altitude, the power, mass flow of the cooling air, the heat volume of cooling and radiating engine, and the temperature of cooling water in the diesel engine are all decreased, which provides a theoretical basis to improve the cooling and radiating of the diesel engine.

diesel engine; two stage turbocharged and intercooled; altitude; cooling and radiating

1672-1497(2016)04-0035-05

2016-04-12

國家“973”計劃項目

劉建敏(1963-)，男，教授，博士。

TK424.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.007