高功率密度柴油機熱部件散熱量MAP研究

駱清國，尹洪濤，冉光政，李順達，寧興興

(裝甲兵工程學院機械工程系，北京100072)

功率密度的大幅提高已成為柴油機發(fā)展的必然趨勢，其對活塞、氣缸、中冷器等部件的熱適應能力要求日趨苛刻，這些部件已成為冷卻系統(tǒng)重點考慮的關(guān)鍵熱部件。采用智能化控制冷卻系統(tǒng)，保證其帶走的熱量處于合理范圍，能夠顯著改善關(guān)鍵部件的工作條件［1］。掌握柴油機關(guān)鍵熱部件的散熱規(guī)律、編制其散熱量MAP及制定最優(yōu)化控制策略，是智能化冷卻系統(tǒng)的核心工作［2］。目前，常利用柴油機全工況熱平衡試驗得到柴油機在不同工況下傳遞給冷卻水的總熱量［3-4］，但針對各熱部件的散熱規(guī)律研究仍然較少。筆者基于GT-SUITE軟件，構(gòu)建了某型12缸高功率密度柴油機與冷卻系統(tǒng)的工作過程耦合模型，編制了主要熱部件的散熱量MAP，分析了其散熱規(guī)律，可為智能化控制冷卻系統(tǒng)的控制策略制定提供參考依據(jù)。

1 智能化控制冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能化控制冷卻系統(tǒng)采用獨立的高低溫雙循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中:高溫循環(huán)包含的熱部件有柴油機本體、一級中冷和機油冷卻器，工作溫度為100～130℃;低溫循環(huán)包含的熱部件有級間中冷和二級中冷，工作溫度為80～90℃。

圖1 智能化控制冷卻系統(tǒng)的高低溫雙循環(huán)結(jié)構(gòu)

車輛冷卻系統(tǒng)是典型的大延遲熱工系統(tǒng)，采用普通的閉環(huán)控制難以實現(xiàn)及時有效的控制。采用預估柴油機熱部件散熱量MAP的方法，對冷卻風扇進行開環(huán)控制而只對水泵進行閉環(huán)控制，可以有效削弱車輛冷卻系統(tǒng)遲滯效應的影響，達到冷卻系統(tǒng)精確化控制的目的［5］。高低溫雙循環(huán)智能化控制冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高低溫雙循環(huán)智能化控制冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵熱部件流動與傳熱計算理論

2．1 柴油機燃燒放熱模型

由于柴油機的實際缸內(nèi)燃燒過程十分復雜，通常采用等效燃燒放熱規(guī)律來代替，本文采用韋伯燃燒放熱曲線［6］。韋伯燃燒放熱函數(shù)是在缸內(nèi)可燃氣體混合均勻的條件下推導的半經(jīng)驗公式。設:φ為曲軸轉(zhuǎn)角;φVB為燃燒起始角;Δφ為燃燒持續(xù)角;m為燃燒品質(zhì)數(shù)，高速柴油機一般取0．2～1．0。則瞬時積累放熱百分比

式中:D為氣缸直徑;p為缸內(nèi)爆發(fā)壓力;T為缸內(nèi)瞬時溫度;vm為氣流在氣缸內(nèi)的相對速度;p0為壓縮壓力;C1、C2分別為速度系數(shù)和燃燒室形狀系數(shù);Vs為工作容積;Va、pa、Ta分別為壓縮起始點氣缸的容

式中:n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;Ai為氣缸內(nèi)壁面各部分面積;Twi為氣缸壁面各部分瞬時平均溫度。

2．2 關(guān)鍵熱部件傳熱模型

柴油機本體傳熱規(guī)律滿足［7］積、壓力和溫度。則汽缸內(nèi)工質(zhì)與柴油機燃燒室部件之間換熱量Qw滿足

式中:Q、Qint、Qext分別為缸內(nèi)高溫燃氣傳給柴油機本體的總熱量、柴油機通過冷卻水腔傳給冷卻液的總熱量和柴油機傳給外界空氣的熱量(W);ρwall為柴油機機體材料密度(kg·m-3);Cp-wall為柴油機與冷卻液之間的換熱系數(shù)(W·(m2·K)-1);Vwall為柴油機本體實體體積(m3)。

中冷器的傳熱規(guī)律滿足［8］

式中:ΔTc為進出中冷器的壓縮空氣的溫差(K);Qc為新鮮充量的吸熱流量(W);mc為新鮮充量的質(zhì)量流量(kg/s);cp為新鮮充量的比定壓熱容(J·(K·kg)-1)。

3 高功率密度柴油機耦合模型

利用GT-Suit軟件構(gòu)建某型12缸高功率密度柴油機及其冷卻系統(tǒng)的耦合模型，如圖3所示。在耦合模型中，柴油機關(guān)鍵熱部件與冷卻系統(tǒng)互為邊界條件，使計算結(jié)果更接近實際。將仿真結(jié)果與文獻［9］提供的數(shù)據(jù)進行對比，表1為轉(zhuǎn)速4 200 r/min、單缸功率相同時，耦合模型與MT890系列柴油機的燃油消耗率的對比結(jié)果。可以看出:模型計算值與實際值的最大誤差為4．1%，說明所建立的高功率密度柴油機的耦合模型是準確的，能滿足工程分析的要求。

圖3 耦合模型示意圖

表1 仿真結(jié)果與實際值對比

4 關(guān)鍵熱部件的散熱量MAP

利用耦合模型分別計算了環(huán)境溫度分別為-43、-30、-20、-10、0、10、20、30、40 ℃ 時，轉(zhuǎn)速為1 600、1 800、2 300、2 800、3 200、3 800、4 200 r/min時的負荷特性。計算時著重考察了級間中冷、一級中冷、二級中冷和柴油機本體的散熱情況，以轉(zhuǎn)速為x軸，扭矩為y軸，各部件的散熱量為z軸，編制各熱部件的散熱MAP。當環(huán)境溫度為30℃時，級間中冷、一級中冷、二級中冷和柴油機本體的散熱量MAP如圖4所示。

5 基于散熱量MAP的柴油機散熱規(guī)律

影響柴油機本體及中冷器散熱規(guī)律的因素很多，其中轉(zhuǎn)速、扭矩和環(huán)境溫度的影響最為顯著和直接，這里著重分析這3種因素對柴油機本體和中冷器散熱量的影響。

5．1 柴油機轉(zhuǎn)速的影響

柴油機本體散熱量隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，其變化規(guī)律如圖5所示。隨著柴油機轉(zhuǎn)速升高，高溫氣體在缸內(nèi)和進排氣歧管的流動速度相應增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨之增大。因此，由圖5得到:一方面輸出功率相同時，轉(zhuǎn)速越高，柴油機本體傳熱量越大;另一方面輸出功率相同時，轉(zhuǎn)速越高，平均有效壓力越低，缸內(nèi)溫度越低，機體熱負荷降低，傳熱量越低。但平均有效壓力是通過影響缸內(nèi)溫度來影響本體的傳熱量，而本體傳熱量的影響作用更直接、更明顯。

中冷器散熱量規(guī)律如圖6所示?？梢?級間中冷的傳熱量為負值，表明經(jīng)壓縮后的空氣溫度低于流經(jīng)級間中冷器的冷卻液溫度，其傳熱量越小，低壓級壓氣機的增壓程度越低。由于渦輪增壓器設計工況點選擇在柴油機額定工況點附近，故在相同功率下，柴油機轉(zhuǎn)速越低其運行越偏離外特性線，渦輪增壓器的增壓程度越低，一、二級中冷和級間中冷的散熱量也相應減少，而發(fā)動機本體的散熱量增加。

圖4 關(guān)鍵熱部件的散熱量MAP

圖5 輸出功率為330 kW時柴油機本體的傳熱量和平均有效壓力

圖6 輸出功率為330 kW時級間各中冷器的散熱量

5．2 柴油機扭矩的影響

扭矩對柴油機關(guān)鍵熱部件散熱量的影響主要是通過平均有效壓力pe作用的。扭矩越大，要求平均有效壓力越高，則每一個循環(huán)的供油量就越大，燃燒的總熱量也就增大。因此，柴油機本體的散熱量就會隨之增大。

隨著循環(huán)噴油量的增加，進氣量及增壓比也會相應增大。顯然，級間中冷、一級中冷和二級中冷的散熱量隨扭矩變化幅度的不同而不同，級間中冷和一級中冷隨扭矩變化較劇烈，幅度基本相同，二級中冷的散熱量隨扭矩變化較平緩。

5．3 環(huán)境溫度的影響

圖7 空氣質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

空氣質(zhì)量隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律如圖7所示。可見:隨著進氣溫度的升高，空氣密度減小，空氣質(zhì)量流量下降，在轉(zhuǎn)速和循環(huán)供油量不變的條件下，過量空氣系數(shù)減小，導致缸內(nèi)燃燒不良，指示熱效率下降。此時，轉(zhuǎn)化為有用功的能量減少，轉(zhuǎn)化為廢熱的能量增加，導致缸內(nèi)溫度、渦輪前排氣溫度和柴油機本體的傳熱量增加，扭矩和功率減小，如圖8所示。

圖8 本體傳熱量和輸出功率隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

中冷器散熱量隨環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖9所示?？梢?級間中冷的散熱量隨環(huán)境溫度的升高而升高。其原因是:經(jīng)過低壓級壓氣機壓縮后的空氣進入級間中冷后，一方面空氣質(zhì)量流量減少，另一方面進氣溫度升高，但后者的影響更顯著。

圖9 中冷器散熱量隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

隨著環(huán)境溫度的升高，缸內(nèi)過量空氣系數(shù)減小，導致從缸內(nèi)排出的廢氣溫度增加，進入高壓級渦輪做功的能力增加，高壓級壓氣機壓比升高。因此，環(huán)境溫度越高，高壓級壓比越高，導致一級中冷器入口壓縮空氣的溫度升高。

對于一級中冷，隨著環(huán)境溫度的升高，一方面進氣質(zhì)量減少，另一方面進氣溫度升高，出氣溫度基本維持穩(wěn)定。但是由于前者的影響起主要作用，因此兩者的綜合作用使一級中冷散熱量減小。

由于一級中冷的作用，雖然不同環(huán)境溫度下，二級中冷的進氣溫度基本不變，但空氣質(zhì)量流量減小，故其散熱量也顯著減小。當環(huán)境溫度在-42～35℃之間時，二級中冷散熱量相差近10 kW。

6 結(jié)論

1)本文搭建了柴油機與冷卻系統(tǒng)的工作過程耦合模型，利用該模型計算了柴油機在不同轉(zhuǎn)速、扭矩和環(huán)境溫度時關(guān)鍵熱部件的散熱量MAP。結(jié)果表明:該方法能夠快速掌握柴油機關(guān)鍵部件的散熱規(guī)律。

2)通過對關(guān)鍵熱部件散熱量MAP的研究發(fā)現(xiàn):(1)在相同的輸出功率下，柴油機本體傳熱量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大;(2)一級中冷、二級中冷的散熱量隨環(huán)境溫度的升高而降低，級間中冷散熱量隨環(huán)境溫度的升高而升高。掌握這些規(guī)律有助于合理制定智能化冷卻系統(tǒng)的控制策略。

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