后置客車發(fā)動機(jī)艙溫度場試驗(yàn)

沈 凱，徐向陽，王先勇，倪計(jì)民

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804；2.一汽客車（無錫）有限公司，江蘇 無錫214177）

近年來客車發(fā)動機(jī)后置越來越成為主流，主要因?yàn)楹笾檬桨l(fā)動機(jī)客車具有客艙噪聲小、舒適性高、軸負(fù)荷均勻、傳動鏈短、機(jī)械效率高以及發(fā)動機(jī)艙空間大、各部件相對方便配置等優(yōu)勢.但是在使用中發(fā)現(xiàn)，后置發(fā)動機(jī)存在不同程度的水溫偏高，甚至散熱器冷卻水沸騰現(xiàn)象，發(fā)動機(jī)過熱等不良現(xiàn)象對發(fā)動機(jī)及其配件壽命帶來嚴(yán)重影響，而造成后置發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱不良的主要原因是發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)沒有迎面風(fēng)，其冷卻空氣主要依靠冷卻風(fēng)扇和側(cè)面格柵進(jìn)風(fēng).研究表明，后置發(fā)動機(jī)與前置發(fā)動機(jī)相比冷卻風(fēng)量損失30%以上［1］.

因此后置發(fā)動機(jī)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的工作能力至關(guān)重要，如今一般研究的重點(diǎn)主要放在零部件的優(yōu)化上，其中以散熱器和風(fēng)扇的優(yōu)化改進(jìn)最為突出.如增加散熱器正面積以擴(kuò)大迎風(fēng)面積［2］，減小散熱器芯子厚度來減小風(fēng)阻，改變散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)增加散熱肋片提高散熱效率等［3］；提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)扇葉片數(shù)量，優(yōu)化風(fēng)扇葉片角度等提高風(fēng)扇氣動性能［4－6］.除了對零部件的改進(jìn)，研究人員對減小空氣流道阻力也提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)和設(shè)想［7－8］.但是關(guān)于發(fā)動機(jī)艙整體布置對冷卻系統(tǒng)的影響的研究相對較少.

基于上述原因，以某后置客車為研究對象，針對冷卻系統(tǒng)過熱甚至“開鍋”問題，通過道路試驗(yàn)觀察發(fā)動機(jī)艙溫度分布情況.因?yàn)樵诃h(huán)境溫度比較低并保證冷卻系統(tǒng)散熱能力的情況下進(jìn)行道路試驗(yàn)可以更加清晰地觀察后置發(fā)動機(jī)艙熱點(diǎn)分布情況，分析熱點(diǎn)分布對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響，并通過道路油耗試驗(yàn)分析油耗、車速和后置發(fā)動機(jī)艙溫度場變化.

1 試驗(yàn)儀器和方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中選用記錄型多點(diǎn)溫度采集儀測量溫度場分布，利用光電式車速儀測量車速，采用“掛油桶稱重法”測量油耗.具體儀器參數(shù)如表1所示.試驗(yàn)客車的主要參數(shù)如表2所示.

表1 試驗(yàn)測量儀器Tab.1 Test instruments

1.2 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)中為了對發(fā)動機(jī)艙溫度場進(jìn)行測量，共布置10個機(jī)艙空間溫度測點(diǎn)，分別為發(fā)動機(jī)艙背面出口處（靠左）T1測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)下方T2測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)右側(cè)偏下T3測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)前T4測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)上方（靠近發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管）T5測點(diǎn)、靠近左邊格柵處T6測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)右側(cè)偏上冷卻風(fēng)扇之后T7測點(diǎn)、膨脹水箱處T8測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)艙背面出口處（中間）T9測點(diǎn)、發(fā)動機(jī)左側(cè)偏上（靠近助力轉(zhuǎn)向油泵）T10測點(diǎn).試驗(yàn)用客車后置發(fā)動機(jī)艙如圖1所示，具體測點(diǎn)布置如圖2所示.

表2 試驗(yàn)客車主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of the test bus

圖1 試驗(yàn)客車發(fā)動機(jī)艙Fig.1 Engine compartment arrangement

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要在高速公路上進(jìn)行，為了能準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，在恒定速度行駛時(shí)擋位始終在直接擋.分別測量在40，50，60，70，80，90km·h－1時(shí)的油耗和機(jī)艙空間各點(diǎn)的溫度.整車空載質(zhì)量為10 500 kg，試驗(yàn)中實(shí)際載荷為13 800kg.試驗(yàn)過程中環(huán)境溫濕度基本穩(wěn)定，溫度范圍為5～7℃，相對濕度范圍為38%～40%，基本無風(fēng)，環(huán)境條件良好.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 發(fā)動機(jī)艙溫度分布

2.1.1 不同高度溫度分布

分別比較客車在不同車速下發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空間不同高度各測點(diǎn)溫度分布，如圖3所示.

圖2 發(fā)動機(jī)艙溫度測點(diǎn)布置Fig.2 Temperature observation sites in engine compartment

圖3 不同高度機(jī)艙空間各點(diǎn)溫度Fig.3 Temperatures at different heights in engine compartment

對發(fā)動機(jī)艙溫度場分布特點(diǎn)的綜合分析認(rèn)為：①發(fā)動機(jī)艙內(nèi)最低點(diǎn)出現(xiàn)在點(diǎn)T2，盡管此處靠近發(fā)動機(jī)油底殼和排氣管，但是由于高度已經(jīng)基本和整車底盤齊平，順著底盤的迎面風(fēng)已經(jīng)可以流到發(fā)動機(jī)下方，對發(fā)動機(jī)下部進(jìn)行降溫.②點(diǎn)T3在發(fā)動機(jī)和風(fēng)扇之間偏下方的位置，此處受到底盤風(fēng)的影響依然較大，但是也有部分經(jīng)過散熱器加熱的冷卻空氣流過，所以溫度比點(diǎn)T2稍高.③點(diǎn)T7位于發(fā)動機(jī)和風(fēng)扇之間距風(fēng)扇較近，此處位置較高，底盤風(fēng)已經(jīng)很少能影響到，主要是經(jīng)過散熱器加熱的冷卻空氣流過，溫度上升很快.④點(diǎn)T10在發(fā)動機(jī)和左側(cè)格柵之間，從格柵進(jìn)入的環(huán)境空氣由于角度和發(fā)動機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)的關(guān)系多數(shù)無法流過，加上發(fā)動機(jī)的阻擋，從右側(cè)冷卻風(fēng)扇吹來的冷卻空氣對此處的影響也很少，所以溫度較高.⑤點(diǎn)T5在發(fā)動機(jī)上方，受到發(fā)動機(jī)散熱的直接影響，加上發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的熱空氣大多數(shù)經(jīng)過此處后由發(fā)動機(jī)艙后出口排出，當(dāng)客車低速行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空氣一部分從艙后背面排出；但由于底面開口較大，車速較低時(shí)也有一部分熱空氣從機(jī)艙底面排出.但在車速較高時(shí)，一方面是發(fā)動機(jī)和散熱器的散熱量隨之增加，另一方面由于車速較高，機(jī)艙內(nèi)部與艙外環(huán)境空氣相比形成負(fù)壓區(qū)域，大量環(huán)境空氣從兩側(cè)格柵和機(jī)艙底面涌入，而從底面排出的熱空氣比例隨之減少，相應(yīng)的從機(jī)艙背面出口排出的熱空氣量增加，即經(jīng)過發(fā)動機(jī)上部的熱空氣量增加，導(dǎo)致此處溫度上升很快.因此此處的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管保溫措施顯得尤為重要，如果受到此處溫度影響，發(fā)動機(jī)的充氣效率會降低.

2.1.2 同一高度溫度分布

選擇接近發(fā)動機(jī)上部的某一平面測試其溫度分布.因?yàn)橛覀?cè)格柵附近有散熱器和風(fēng)扇阻擋無法布置測點(diǎn)，所以僅測得從左到右點(diǎn)T6，T10，T7的溫度分布，如圖4所示.

圖4 同一高度機(jī)艙空間各點(diǎn)溫度Fig.4 Temperatures at the same height in engine compartment

從圖4可以看出，在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)同一水平高度發(fā)動機(jī)左側(cè)越靠近發(fā)動機(jī)溫度越高，但是在發(fā)動機(jī)右側(cè)空間內(nèi)溫度變化不大.分析認(rèn)為，左側(cè)格柵由于角度的關(guān)系只有一部分冷卻空氣流向發(fā)動機(jī)，而右側(cè)格柵的進(jìn)風(fēng)受到冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動，有大量的冷卻空氣經(jīng)過散熱器加熱后流向發(fā)動機(jī)，但在發(fā)動機(jī)表面形成回流，與冷卻風(fēng)扇空氣再混合，因此在發(fā)動機(jī)和冷卻風(fēng)扇之間的對流較強(qiáng)，且存在回流和渦流，所以在這片區(qū)域內(nèi)溫度變化不大.

2.2 發(fā)動機(jī)艙空間各點(diǎn)溫度隨車速的變化

在客車道路試驗(yàn)中，因?yàn)闄n位不變，所以百公里油耗變化基本隨車速提高而增加，如圖5所示.

圖5 直接擋情況下百公里油耗與車速的關(guān)系Fig.5 Relationship of fuel consumption and speed per 100km at direct gear

發(fā)動機(jī)艙空間各點(diǎn)溫度隨車速的變化情況如圖6所示.從圖6可知，機(jī)艙各測點(diǎn)溫度多數(shù)隨著車速的變化而變化，但是也有空間點(diǎn)溫度隨車速的變化幅度不大，如點(diǎn)T6，T7，T10.分析認(rèn)為，左側(cè)格柵附近受環(huán)境溫度影響較大，但是在車速達(dá)到90km·h－1時(shí)溫度突然降低，說明在車速較高的情況下，大量環(huán)境空氣涌入打破此處熱平衡，導(dǎo)致了溫度的下降，可以預(yù)見，若車速繼續(xù)提高，點(diǎn)T6的溫度將繼續(xù)下降.

圖6 測點(diǎn)溫度隨車速的變化Fig.6 Temperatures of different measure points at different speeds

在發(fā)動機(jī)左側(cè)，助力轉(zhuǎn)向油泵附近，此處離發(fā)動機(jī)本身較近，離左側(cè)格柵較遠(yuǎn)，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的阻擋，冷卻風(fēng)扇的冷卻空氣也很少能涉及此處，所以導(dǎo)致此處溫度較高.與點(diǎn)T6相反，由于受發(fā)動機(jī)散熱影響較大，受左側(cè)格柵處冷空氣影響較小，在車速達(dá)到80km·h－1時(shí)，發(fā)動機(jī)散熱量增加幅度超過冷空氣風(fēng)量增加幅度引起點(diǎn)T10的溫度升高.

說它是有一部《紅樓夢》，我比較認(rèn)同，金太太之于賈母，二姨太之于李紈，清秋當(dāng)然為釵黛結(jié)合，梅麗之于湘云，小憐之于襲人，玉芬之于王熙鳳，等等。但是若說金燕西如同賈寶玉，我絕不認(rèn)同，除了有點(diǎn)憐香惜玉之外，他們沒有多少共同之處。而金燕西口中的“憐香”反而領(lǐng)兩個深愛他的人傷心愈裂，或許這并不是所謂的“憐香”，而是自己率性而為的自私，并且外帶極其沒有責(zé)任感。

點(diǎn)T7位于風(fēng)扇和散熱器后，圖3和圖6都表明此處溫度隨著車速變化基本保持不變，說明在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力完全滿足的情況下，通過電磁離合器風(fēng)扇調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量，冷卻空氣出口溫度基本不變，這與其他試驗(yàn)中結(jié)果是吻合的［9］.由此根據(jù)式（1）可知，在可調(diào)速冷卻風(fēng)扇調(diào)節(jié)下，散熱器散熱量與冷卻空氣流量成正比.

式中：Q為散熱器散熱量，J；qvw為冷卻水流量，kg·s－1；c1為冷卻水比熱容，J·（kg·K）－1；t1為散熱器進(jìn)口冷卻水溫度，℃；t2為散熱器冷卻水出口溫度，℃；qva為冷卻空氣流量，kg·s－1；c2為冷卻空氣比熱，J·（kg·K）－1；t3為冷卻空氣進(jìn)口溫度，℃；t4為冷卻空氣出口溫度，℃.

在靠近機(jī)艙上部出口處布置了T1，T9，T8，分別是左、中、右3點(diǎn)，如圖7所示.隨車速變化的溫度分布如圖6所示.

發(fā)動機(jī)艙背面上部出口附近溫度相差不大，基本上保持在20℃～30℃，點(diǎn)T1隨著車速提高溫度也慢慢提高.低速行駛時(shí)，點(diǎn)T8相對其他2點(diǎn)溫度稍低，那是因?yàn)辄c(diǎn)T8被膨脹水箱阻擋，流經(jīng)散熱器和發(fā)動機(jī)被加熱的熱空氣很少從右邊排出，此處可以說是整個發(fā)動機(jī)艙的死角.但是隨著車速的增加，特別到80km·h－1時(shí)溫度上升很快，而點(diǎn)T9的溫度卻下降，這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致整個發(fā)動機(jī)艙的散熱量增加，而車速提高后冷卻風(fēng)量隨之增加，點(diǎn)T9溫度反而下降，點(diǎn)T8由于沒有足夠的風(fēng)量將熱量排出，因此溫度反而比點(diǎn)T9高.點(diǎn)T8在發(fā)動機(jī)散熱量小、冷卻系統(tǒng)散熱效果較好時(shí)溫度較低，而在發(fā)動機(jī)散熱量大、冷卻系統(tǒng)散熱效果差時(shí)會是整個發(fā)動機(jī)艙內(nèi)溫度最高點(diǎn)之一.

圖7 發(fā)動機(jī)艙出口處溫度隨車速的變化Fig.7 Temperatures variation with speeds at the exit of engine compartment

除上述各點(diǎn)外，從圖7可以知道，隨車速增加而溫度升高的還有點(diǎn)T2，T3.這2點(diǎn)的溫度上升率較小，如T2，T3溫度升高是由于靠近油底殼，轉(zhuǎn)速增加后，機(jī)油泵流量增加，潤滑系統(tǒng)帶走熱量增加，使油底殼溫度升高，但又由于2點(diǎn)都靠近底盤，車速提高后迎面風(fēng)量也大大增加，因此溫度升高并不快.點(diǎn)T3位置比點(diǎn)T2稍高，所以溫度也較高，但是升溫率基本和點(diǎn)T2相同.

3 場協(xié)同與發(fā)動機(jī)艙溫度場

清華大學(xué)的過增元教授從流場和溫度場相互耦合的角度出發(fā)提出了對流傳熱強(qiáng)化的場協(xié)同理論［10－11］，該理論把對流傳熱比擬為有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，熱源強(qiáng)度不僅取決于流體的速度和物理性質(zhì)，流速矢量與熱流矢量的協(xié)同作用對對流傳熱也有關(guān)鍵影響.對流的存在不僅能強(qiáng)化傳熱，也可能對傳熱無實(shí)質(zhì)影響，甚至?xí)魅鮽鳠?二維場協(xié)同的換熱原理如無因次關(guān)聯(lián)式（2）所示：

式中：Nu為努賽爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；U為流體速度，m·s－1；T為Δ溫度梯度，℃；y方向指與流體運(yùn)Δ動垂直的方向.U·T＝｜U｜｜T｜·cosβ，β為U和T的夾角.

因此當(dāng)cosβ＞0，即0°＜β＜90°時(shí)，Nu隨β的減小而增大；當(dāng)β＝0°時(shí)，Nu達(dá)到最大值.而發(fā)動機(jī)艙中發(fā)動機(jī)和散熱器表面溫度梯度變化示意圖基本如圖8所示.可以明顯發(fā)現(xiàn)除了熱源附近溫度梯度比較大、等溫線比較密集外，右側(cè)空間的等溫線比左側(cè)密集很多，這是因?yàn)樵诶鋮s風(fēng)扇和散熱器的作用下經(jīng)過散熱器加熱的冷卻空氣流到發(fā)動機(jī)時(shí)引起了渦流.渦流是影響壁面換熱的重大因素，這是因?yàn)闇u流事實(shí)上多數(shù)是由流體受到回流影響而形成.根據(jù)式（2），在冷卻壁面當(dāng)冷流體正對熱壁面流動時(shí)是β＝0°、流體沿著最大溫度梯度方向流動、Nu最大、換熱系數(shù)最大的時(shí)候.一旦發(fā)生回流，回流的β＝180°，是Nu為負(fù)值最小的情況，因此回流的產(chǎn)生會極大削弱壁面的冷卻效果.

圖8 車速50km·h－1時(shí)發(fā)動機(jī)艙某水平面溫度分布示意Fig.8 Temperature distribution in a plane of engine compartment at the speed of 50km·h－1

在發(fā)動機(jī)艙的布置中，減少回流將有效提升散熱效果.首先，在冷卻風(fēng)扇和發(fā)動機(jī)之間盡可能少布置零部件，以減少風(fēng)道阻力和回流；其次，在發(fā)動機(jī)表面可以安裝90°圓角導(dǎo)流板，引導(dǎo)冷卻風(fēng)經(jīng)過發(fā)動機(jī)表面后不會回流而是改變方向從發(fā)動機(jī)艙尾部出口流出.另外，在對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)部件進(jìn)行冷卻時(shí)，艙內(nèi)散熱單元布置應(yīng)該盡量遵循沿冷卻空氣流動方向并根據(jù)溫度逐漸升高的順序排列，使換熱效率達(dá)到最大.

實(shí)際的后置客車發(fā)動機(jī)艙中零部件繁多，艙內(nèi)流場非常復(fù)雜，零部件布置會直接影響發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)及艙內(nèi)的散熱效果.而有效的熱管理分析可以優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，保證零部件可靠工作，降低整車油耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.

4 結(jié)論

（1）就本車型而言，從后置發(fā)動機(jī)艙空間溫度分布來看，上部溫度較高，下部溫度較低，發(fā)動機(jī)右側(cè)空間溫度比左側(cè)稍高.最高溫度出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)上部，因此要加強(qiáng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管的保溫措施，否則會導(dǎo)致充氣效率下降.

（2）在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力足夠的情況下，冷卻風(fēng)扇調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使冷卻空氣出口溫度隨車速基本保持不變，冷卻空氣流量與散熱器散熱量成正比.

（3）發(fā)動機(jī)艙內(nèi)產(chǎn)生的渦流是削弱壁面降溫的重要原因.艙內(nèi)各部件的布置應(yīng)該盡量使溫度梯度方向與流動方向相同.

（4）原車型發(fā)動機(jī)艙溫度場和流場的測量、模擬分析對優(yōu)化冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)艙設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用.在保證車輛可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，降低油耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.

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