冷卻介質(zhì)溫度對柴油發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的實(shí)驗(yàn)研究

楊　帥, 唐振華, 楊　雪, 周　毅, 萬　曉

(1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上?！?01804； 2. 同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心， 上?！?01804；3. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上?！?01804)

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冷卻介質(zhì)溫度對柴油發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性影響的實(shí)驗(yàn)研究

楊帥1,2, 唐振華1,2, 楊雪3, 周毅1,2, 萬曉1,2

(1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院， 上海201804； 2. 同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心， 上海201804；3. 同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201804)

研究了增壓直噴柴油機(jī)冷卻系在不同冷卻出水溫度及不同進(jìn)水出水溫度差條件下的燃油經(jīng)濟(jì)性變化特征，測試了柴油機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速時不同負(fù)荷工況條件下冷卻系統(tǒng)進(jìn)水與出水溫差變化對柴油機(jī)油耗的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在冷卻系出水溫度處于較高恒定溫度條件下,隨著進(jìn)水與出水溫度差的減小,柴油機(jī)油耗呈現(xiàn)下降趨勢；柴油機(jī)在大負(fù)荷工況時,最佳油耗特性出現(xiàn)在高出水溫度和較小進(jìn)水出水溫度差的時刻。

增壓直噴柴油機(jī)； 冷卻溫度； 經(jīng)濟(jì)性

高性能熱管理系統(tǒng)一方面可以迅速暖機(jī),以減少冷啟動過程中的排放和機(jī)械損失。另一方面可以在發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況時,尤其是部分負(fù)荷條件下維持高溫來優(yōu)化發(fā)動機(jī)熱力特性,提高燃料經(jīng)濟(jì)性、動力性以及發(fā)動機(jī)壽命等[1-5]。大力開展節(jié)能減排,降低車用發(fā)動機(jī)油耗和排放已成為我國目前能源領(lǐng)域的重大研究課題[6-10]。發(fā)動機(jī)熱管理技術(shù)的一個重要控制目標(biāo)是可依據(jù)發(fā)動機(jī)處于不同工況時,在滿足燃油經(jīng)濟(jì)性最佳條件下發(fā)動機(jī)達(dá)到熱平衡狀態(tài)時冷卻介質(zhì)的出口溫度,對發(fā)動機(jī)風(fēng)扇,水泵和節(jié)溫器閥門進(jìn)行實(shí)時控制,最終使發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性得到優(yōu)化[11-16]。本文設(shè)計(jì)開發(fā)了發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺,利用發(fā)動機(jī)測功機(jī)、油耗儀等設(shè)備,尋找出當(dāng)前工況下發(fā)動機(jī)基于經(jīng)濟(jì)性最佳狀態(tài)時冷卻介質(zhì)的實(shí)際出口溫度。在建立了發(fā)動機(jī)冷卻系熱管理試驗(yàn)平臺基礎(chǔ)上,研究了冷卻水參數(shù)對發(fā)動機(jī)油耗特性的影響規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)平臺簡介

本文實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是一臺直列4行程增壓直噴中冷柴油機(jī),標(biāo)定功率和轉(zhuǎn)速分別為132kW和2 300r·min-1,最大扭矩和轉(zhuǎn)速分別為660N·m和1 400r·min-1,壓縮比為18,怠速轉(zhuǎn)速為700r/min。實(shí)驗(yàn)用油為國Ⅳ柴油。主要測試儀器包括：AVLAPA電力測功機(jī),用于測量和控制發(fā)動機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速；AVLPumaopen測試系統(tǒng)包含了AVL735、753、553、554、415及多種氣體分析儀等硬件,其中AVL735用于測量燃油耗，AVL753用于控制燃油溫度，AVL553用于測量和控制發(fā)動機(jī)循環(huán)水溫度，AVL554用于測量機(jī)油溫度，AVL415用于測量柴油機(jī)煙度，柴油機(jī)性能試驗(yàn)依據(jù)GB1105—87《柴油機(jī)臺架性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。

具體實(shí)驗(yàn)平臺與設(shè)備如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程中,在發(fā)動機(jī)測試臺架的冷卻水路加裝了液體流量計(jì),以測試發(fā)動機(jī)循環(huán)水體積流量。測試時,利用電力測功機(jī)控制臺控制冷卻水循環(huán)泵的循環(huán)流速,以達(dá)到控制發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻水的瞬時流量。利用發(fā)動機(jī)水溫控制系統(tǒng)控制冷卻水溫度,即發(fā)動機(jī)的進(jìn)水溫度。綜合發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺冷卻水循環(huán)泵和水溫控制系統(tǒng)可以對發(fā)動機(jī)進(jìn)水溫度,發(fā)動機(jī)循環(huán)水流速進(jìn)行同時控制,即可實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫差的控制。

圖1　發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)臺測試設(shè)備

2　結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中,控制發(fā)動機(jī)冷卻水出水溫度90 ℃,通過實(shí)驗(yàn)臺循環(huán)泵控制循環(huán)水流量,實(shí)現(xiàn)了改變發(fā)動機(jī)冷卻系進(jìn)水與出水溫度差的功能,此時的控制策略是讓柴油機(jī)的循環(huán)冷卻水循環(huán)量增加,實(shí)現(xiàn)進(jìn)水與出水溫度差減小。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),循環(huán)水流量越快,進(jìn)出水溫度差越小。圖2是不同冷卻水循環(huán)流量條件下,柴油機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速時(1 400r/min)的負(fù)荷特性油耗變化圖(圖中T為扭矩，η為油耗)。從圖2可以發(fā)現(xiàn)：柴油機(jī)在低負(fù)荷(小扭矩)工況時的油耗大于高負(fù)荷時的油耗；在柴油機(jī)處于低負(fù)荷工況時,當(dāng)柴油機(jī)內(nèi)部的循環(huán)水流量減少、同時為了保持發(fā)動機(jī)散熱平衡,

圖2　發(fā)動機(jī)在1 400 r/min時不同冷卻水循環(huán)量條件下負(fù)荷特性油耗對比

即增大柴油機(jī)進(jìn)水與出水的溫度差,則柴油機(jī)在相同負(fù)荷條件時的油耗相對增加；當(dāng)柴油機(jī)扭矩T從340Nm向高負(fù)荷增加時,當(dāng)提高冷卻水循環(huán)量時柴油機(jī)的油耗之間的差別減小。圖3是柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在1 400r/min時不同進(jìn)水與出水溫度差油耗曲線對比,從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：在柴油機(jī)處于中低負(fù)荷工況時,進(jìn)水與出水溫度差Δt增加,油耗也增加；在柴油機(jī)處于大負(fù)荷工況時,進(jìn)水與出水溫度差增加,但是油耗之間的差別變化并不明顯。

圖3　發(fā)動機(jī)在1 400 r/min時不同進(jìn)水與出水溫度差油耗曲線對比

圖4是不同冷卻水循環(huán)流量條件下,柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速(2 300r/min)時的負(fù)荷特性油耗變化圖。從圖4可以發(fā)現(xiàn),柴油機(jī)在低負(fù)荷工況時的油耗大于高負(fù)荷時的油耗。在柴油機(jī)處于低負(fù)荷工況時,當(dāng)柴油機(jī)內(nèi)部的循環(huán)水流量減少,即增大了柴油機(jī)進(jìn)出水的溫度差,柴油機(jī)在相同負(fù)荷條件時的油耗也相對增加；當(dāng)柴油機(jī)的扭矩從282Nm向高負(fù)荷增加時,在相同負(fù)荷條件下,增加冷卻水循環(huán)量,柴油機(jī)的油耗降低。圖5是柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時不同進(jìn)水出水溫度差油耗曲線對比,從圖中可以發(fā)現(xiàn),在柴油機(jī)處于不同負(fù)荷工況時,進(jìn)水出水溫度差增加,則油耗也增加。

圖4　發(fā)動機(jī)在2300 r/min時不同冷卻水循環(huán)量條件下負(fù)荷特性油耗對比

圖5　發(fā)動機(jī)在2 300 r/min時不同進(jìn)水與出水溫度差油耗曲線對比

3　結(jié)論

(1) 發(fā)動機(jī)出水溫度恒定在90 ℃時,隨著冷卻水環(huán)量循的增加,即改變了進(jìn)水溫度,則油耗成增加趨勢。結(jié)合發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性油耗對比,及發(fā)動機(jī)不同進(jìn)水與出水溫度差油耗對比,在柴油機(jī)處于低負(fù)荷條件下,進(jìn)出水溫度差增加,油耗也隨之增加。

(2) 發(fā)動機(jī)在大負(fù)荷工況時,最佳油耗特性出現(xiàn)在高出水溫度、較小進(jìn)出水溫度差之時。

(3) 柴油機(jī)在實(shí)際車輛運(yùn)行過程中,發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵轉(zhuǎn)速是成正比的,隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加,循環(huán)

水冷卻量也增加。由此可以發(fā)現(xiàn),在發(fā)動機(jī)處于中高轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷工況下,在保證安全的出水溫度條件下盡可能使進(jìn)出水溫差減小,對發(fā)動機(jī)的油耗會有減小作用。

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Experimentalstudyoneffectsofcoolingmediatemperatureonfueleconomycharacteristicofdieselengine

YangShuai1,2,TangZhenhua1,2,YangXue3,ZhouYi1,2,WanXiao1,2

(1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China； 2.NewEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804,China； 3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Theruleoffueleconomiccharacteristicwasstudiedwhencoolingsystemwatertemperaturedifferencewaschangingonaturbochargeddirectinjectiondieselengine.Whenthedieselenginewasindifferentloadoperationconditionsatthemaximumtorqueandthemaximumratedspeed,theeffectsofthecoolingwatertemperaturechangesatinletandoutletonthefuelconsumptionaretested.Thetestresultsshowthatwhentheoutletwatertemperatureundertheconstantcondition,withthedecreaseofinletandoutletwatertemperaturedifference,thefuelconsumptionofdieselengineisdeclining;whenthedieselengineisunderthehighloadcondition,theoptimalfuelconsumptioncharacteristicsappearwhentheoutletwaterisathightemperatureandthetemperaturedifferencebetweeninletandoutletislower.

turbochargeddirectinjectiondieselengine;coolingtemperature;fueleconomy

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.014

2016-01-24修改日期：2016-03-17

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)課程建設(shè)實(shí)驗(yàn)教改資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目

楊帥(1980—)，男，上海，博士，副教授，研究方向?yàn)檐囉脛恿ο到y(tǒng)性能研究與開發(fā).

E-mail：mermaid04@126.com

TK421.5

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1002-4956(2016)7-0055-03