柴油機城市擁堵工況冷卻系統傳熱分析

熊思琴 周歡

摘要：試驗采用模擬城市擁堵工況即選取了怠速、啟停、加速-減速工況，分別對4105ZL柴油機熱機狀況下的機體燃燒室缸蓋及冷卻水套布置的測溫點進行測溫。結果表明：小循環模式下，鼻梁區高溫位置更易出現過冷沸騰傳熱，熱機怠速時間越長冷卻效果越差，適當減少冷卻液流量可利用過冷沸騰增強換熱;頻繁啟停發動機過冷沸騰受抑制，不利于發動機散熱;增加大循環冷卻液流量提高熱機狀態下循環加速-減速缸體散熱程度。

關鍵詞：怠速;啟停;加速-減速;過冷沸騰

中圖分類號：TK428? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0073-02

0? 引言

近年來柴油機技術由于電氣程度增加，綜合性能得到極大提升的同時其輸出功率、強化程度、熱負荷程度也隨之增加，冷卻系統對柴油機的熱負荷控制起著關鍵的作用。冷卻不足，做功與排氣部分的熱量將會增加，整機的動力性和經濟性得到提升，但部分零部件承載的熱負荷快速增加，致使長期處于該情況中的機械零部件出現熱疲勞、熱變形，嚴重影響著柴油機的工作可靠性與耐久性等問題，而冷卻過量會造成柴油機動力性與經濟性能下降問題。

重慶受其地形地貌條件限制，其道路等級低、狹窄且線形復雜，近十年的發展市內建筑數量翻番人口密集，紅綠燈陡然增加，致使城市行駛工況下柴油機車輛需要頻繁起步、怠速、加速、制動等操作，車輛處于低速行駛狀況，燃燒室內燃燒情況較差，排放物顆粒物和NOX增加，為了解城市工況下長期處于低速運行的柴油機內部傳熱特性以及傳熱特點，本文中以4105ZL型柴油機作為研究對象，試驗模擬城市擁堵工況研究其機體及冷卻水套進水側和排氣側的溫度場，獲得其溫度分布規律，了解擁堵工況下冷卻系統的傳熱特點，為城市工況下冷卻系統的冷卻策略提供依據。

1? 試驗設備及方案

試驗發動機為轎車用濰柴4105ZL型柴油機，其相關技術參數見表1所示。

1.1 溫度的測量方法

由于發動機熱電偶法能夠較為方便地測得各種工況下的發動機相應零件溫度，測量精度較高且成本相對較低，確定在本次試驗中溫度測量采用熱電偶法。

1.2 測溫布置點

缸蓋測溫點選取1缸和3缸進排氣門中間鼻梁區，電偶探頭直徑2mm，進排氣鼻梁區中軸位置測點1、3，距進排氣鼻梁區中軸位置8mm測點2、4，其測點分布如圖1所示。水套測溫點冷布置在缸體水套的水平面上，1缸、3缸進水側測點5、測點7和排氣側測點6、測點8，如圖2所示。

1.3 實驗布置

臺架冷卻散熱系統由水泵、發動機冷卻水腔、換熱器旁通水路、散熱器、膨脹水箱及內部循環管路等組成。（圖3）

2? 溫度測量結果及分析

2.1 怠速溫度分析

根據表2（缸蓋測溫點溫度）中怠速變化過程中各測溫點溫度分析可看出，怠速時間從3分鐘達到10分鐘時，3缸鼻梁區測溫點3溫度總計增加了20℃，測溫點4溫度總計增加20.9℃，1缸鼻梁區測溫點1處溫度增加了21℃，測溫點2溫度卻增加了22.2℃;5分鐘時3缸水套進排側冷卻液溫差為3.1℃、15分鐘時2.2℃，1缸水套進排側水溫差分別為2.7℃、1.6℃。發動機怠速情況下轉速未發生變化，單位時間內冷卻液流量保持不變，隨著怠速時間增加缸內溫度攀升，缸壁與水套壁溫溫差出現逐漸增大趨勢，致使缸壁與冷卻液溫差增大。根據鼻梁區測點1、3經冷卻后的溫升程度稍低于測點2、4，說明1、3處換熱程度更高，測點1、3屬于氣缸中的高溫鼻梁區域，水溫處于較高狀態，冷卻液與缸壁過冷度較小的位置出現過冷沸騰，增加了冷卻液換熱能力，在冷卻液流量不變的情況下狹窄水腔內部更易于出現過冷沸騰現象，相同時間內傳熱增加，致使進排兩側溫差增大，但該位置溫升幅度減小。隨著怠速時間增加過冷度增大，熱交換程度降低。

2.2 啟停溫度分析

分析表2中啟停過程中缸蓋測得溫度發現：隨著啟停頻率增加，發動機熱負荷增加，從5次/10min到15次/10min變化過程中，熱機1缸鼻梁區測溫點1溫升增長率為11.7%遠低于冷機測溫點1的71.5%，同等情況下熱機3缸測溫點3溫度增長率12.38%遠低于冷機測溫點3的73.7%;熱機狀態下隨著啟停頻率增加，1缸、3缸水套進排側水套溫差呈現降低趨勢，比較熱機1缸測溫點1的最大溫升為21.1℃與測溫點2最大溫升19.8℃，3缸測溫點3的最大溫升為22.4℃與測溫點2最大溫升20.4℃，表明冷卻液帶走的熱量呈減少趨勢，且進排氣門鼻梁區位置測點1、3的溫升高于非鼻梁區測點2、4，說明啟停次數的增加使得缸體溫度增加增大了過冷度，氣缸蓋發生的過冷沸騰傳熱程度降低，發動機缸蓋出現快速溫升。

2.3 加速-減速溫度分析

觀察表2中循環加速-減速模式下缸蓋溫度可隨著循環頻率增加，水套進排兩側溫差無太大變化，氣缸蓋溫度攀升幅度最大為9.2%，由于加速-減速循環提高了發動機轉速，且缸體溫度處于較高狀態，發動機冷卻系統進行大循環，增加了冷卻液單位時間內的流量，促進發動機整體冷卻程度增加，再觀察測溫點1、3與2、4，均有著1、3溫度增加幅度分別高于2、4，隨著冷卻液流量的增加，氣缸蓋傳熱以對流換熱方式進行，鼻梁區冷卻液流量低于非鼻梁區，致使其冷卻程度降低，但發動機冷卻液冷卻能力降低。

3? 結論

①怠速狀態下發動機轉速較低，發動機冷卻系統混合循環模式，即城市工況下車輛怠速大都處于熱機狀態，怠速時間越長，冷卻液與缸壁過冷度增大，鼻梁區過冷沸騰程度降低，冷卻液熱交換程度受抑，缸體易出現局部過熱情況。在此種工況下，可利用過冷沸騰增加冷卻系統換熱能力，即進一步減少循環冷卻液量，提高冷卻液溫度，降低過冷度，增加散熱程度。②啟停工況發動機冷卻系統小循環模式，隨著頻率增加缸體溫度增加熱機冷卻系統過冷度增加，換熱能力一定程度降低。③循環加速-減速工況發動機冷卻系統大循環模式，隨著循環加速-減速次數的增加，缸體溫度上升幅度逐漸增加，鼻梁區未出現過冷沸騰傳熱，此時應通過增加冷卻液流量增加對發動機的散熱程度。

參考文獻：

[1]Hua S， Huang R， Li Z， et al. Experimental study on the heat transfer characteristics of subcooled flow boiling with cast iron heating surface [J]. Applied Thermal Engineering， 2015， 77：180-91.

[2]錢作勤，吳家兵，王蘇丹.柴油機機體溫度的實驗測量與三維數值仿真[J].武漢理工大學學報，2005，27（3）：70-73.

[3]過文卿.G6135受熱負荷零件溫度場測試研究[J].柴油機設計與制造，2001（03）：44-47.