某汽油機冷卻系統(tǒng)溫變和流變特性分析

鐘祥麟 鄭雪龍

（中國汽車技術(shù)研究中心）

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的作用是降低發(fā)動機受熱零部件的熱應(yīng)力，以保證發(fā)動機能可靠地運轉(zhuǎn)。冷卻不足會影響發(fā)動機的可靠性，降低發(fā)動機的工作效率，甚至導(dǎo)致發(fā)動機不能正常工作；而過度冷卻會使發(fā)動機出現(xiàn)過快磨損，降低發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，所以冷卻液溫度的合理控制對發(fā)動機性能存在影響。低溫冷啟動時，加熱冷卻液有利于混合氣的形成以及改善燃燒，繼而可以降低發(fā)動機污染物排放以及提高冷啟動性能[1]。中小負荷時，冷卻液溫度的提升有利于提高發(fā)動機的有效熱效率[2]。冷卻液溫度的變化對熱量的傳遞和耗散也有著重大的影響。目前國外已經(jīng)有研究人員開發(fā)了發(fā)動機冷卻液溫度模型，用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的控制、診斷開發(fā)及驗證。隨著汽車及發(fā)動機的小型化趨勢日益明顯，冷卻系統(tǒng)也必須深入優(yōu)化，高效化和緊湊化勢在必行，而高溫冷卻系統(tǒng)是一個很好的解決途徑。但是目前國內(nèi)外對于高溫冷卻的研究工作還不夠充分，在汽車領(lǐng)域的實際應(yīng)用更是少之又少。文章以某PFI汽油機為研究對象，基于冷卻液溫度研究了汽油機外特性下的冷卻液特性，主要研究外特性下發(fā)動機進水口溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速2個變量對冷卻液的溫變特性和流變特性的影響。本試驗從作用機理著手，對試驗數(shù)據(jù)進行了深層次的處理分析，試驗的數(shù)據(jù)積累可以為新型冷卻系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計提供一系列的理論支持。

1 試驗臺架系統(tǒng)及試驗方法

1.1 試驗設(shè)備和裝置

本試驗用某PFI汽油機主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示，主要儀器設(shè)備，如表2所示。發(fā)動機的試驗臺架示意圖及數(shù)據(jù)采集點位置，如圖1和圖2所示。

表1 某PFI汽油機主要參數(shù)表

表2 臺架試驗主要設(shè)備參數(shù)表

圖1 發(fā)動機試驗臺架示意圖

圖2 發(fā)動機數(shù)據(jù)采集點位置框圖

1.2 試驗方法

試驗在保持發(fā)動機進水口溫度分別為90，95，100℃的情況下，負荷保持在100%，即發(fā)動機外特性下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 500～5 000 r/min范圍內(nèi)按500 r/min轉(zhuǎn)速間隔順序地改變轉(zhuǎn)速，在各轉(zhuǎn)速工況點運轉(zhuǎn)到穩(wěn)定工況，即熱平衡（發(fā)動機出水口溫度的升降速率不大于0.3℃/min）時采集并記錄下列數(shù)據(jù)：1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗量；2）發(fā)動機進出水溫度、水流量；3）機油冷卻器進出水溫度、水流量；4）小循環(huán)冷卻水溫度、水流量；5）散熱器進出水溫度、水流量。

2 試驗結(jié)果與分析

不同冷卻液進水口溫度下大循環(huán)、小循環(huán)及機油冷卻器流量隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 汽油機大/小循環(huán)及機油冷卻器流量隨轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖3可以看出，在不同冷卻液進水口溫度下，汽油機大/小循環(huán)及機油冷卻器流量均隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高；在低轉(zhuǎn)速時流量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，且增加速度較快；高轉(zhuǎn)速時曲線趨于平穩(wěn)。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與試驗所用的機械式循環(huán)水泵的工作特性有關(guān)，此處不再過多論述。

從圖3還可分別看出，大/小循環(huán)及機油冷卻器流量在低轉(zhuǎn)速時基本相同。隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加，不同進水口溫度下的流量逐漸顯現(xiàn)出明顯差異，90℃的流量最大，95℃次之，100℃最小。隨著轉(zhuǎn)速進一步增加，這種差異又逐漸減小。不同溫度下的流量曲線在總體上呈現(xiàn)“棗核形”。

圖4示出發(fā)動機進水口、機油冷卻器出口及小循環(huán)水溫隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化。從圖4可以看出，不同轉(zhuǎn)速下冷卻液溫度幾乎不變（最大誤差不超過3.79%），因此，可以排除不同轉(zhuǎn)速下的冷卻液溫度對流量的影響。

圖4 發(fā)動機冷卻液溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線

而圖3中呈現(xiàn)“棗核形”流量曲線與沸騰傳熱中的氣泡有極大關(guān)系，下面進行具體分析。

在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作過程中，冷卻水道中存在的氣泡對冷卻水的流動有一定的阻礙作用。在低轉(zhuǎn)速低流量時，氣泡對冷卻液流動的阻礙作用較弱，即使冷卻管道中存在氣泡，但是對于低流速的冷卻液其阻礙效果不明顯，所以流量基本相同。這個很容易理解，以汽車來類比，汽車行駛過程受到的阻力與車速的二次方成正比，車速越高，受到的空氣阻力越大，在車速低時空氣的阻礙作用反而并沒有那么明顯。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸增加時，冷卻液流速增大，“氣阻”現(xiàn)象的作用越來越明顯。而95℃和100℃的冷卻液溫度高，產(chǎn)生的氣泡多，對冷卻液流動的阻礙現(xiàn)象就越來越明顯，宏觀上呈現(xiàn)冷卻液流量相對下降的趨勢，所以在中轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)溫度越高流量越小的現(xiàn)象。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的進一步增加，冷卻液的流速增大，流速增大會導(dǎo)致氣相流減少[3]，即氣泡破裂。氣泡減少造成氣泡對冷卻液流動的阻礙作用也會減弱，流速越大，氣相流減少得越多，則對“氣阻”現(xiàn)象抑制作用越明顯，所以宏觀上3條流量曲線又趨于重合。對于上述現(xiàn)象，大循環(huán)流量隨轉(zhuǎn)速變化曲線符合度較好，小循環(huán)和機油冷卻器的轉(zhuǎn)速-流量曲線在高轉(zhuǎn)速時未趨向一致。其原因是：1）試驗誤差的影響；2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速還不夠高。

圖5示出發(fā)動機冷卻水帶走的熱量與轉(zhuǎn)速變化曲線，圖6示出發(fā)動機進出水口溫差隨轉(zhuǎn)速變化曲線。

圖5 發(fā)動機冷卻水帶走的熱量隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖6 發(fā)動機進出水口溫差隨轉(zhuǎn)速變化曲線

分析圖5和圖6可知：1）同轉(zhuǎn)速下95℃和100℃時的冷卻液帶走的熱量和汽油機進出水口溫差明顯比90℃時的冷卻液要高。原因可以歸結(jié)于沸騰換熱的影響。管內(nèi)強制對流的雙相流沸騰換熱的換熱系數(shù)要比單相流的換熱系數(shù)高[4]，所以即使在冷卻液流量比90℃少的情況下，95℃和100℃的冷卻液仍然吸熱更多，溫升更大。2）同轉(zhuǎn)速下比較95℃與100℃，100℃時發(fā)動機進出水口溫差比95℃的要高，但是它們帶走的熱量卻幾乎相等，原因是100℃冷卻液的換熱系數(shù)比95℃時的大，但是95℃時的冷卻液流量更多，此多彼少，吸熱趨于相同。

由上述分析可以得出，高溫冷卻由于沸騰傳熱因素的影響，可以用較少的冷卻液流量帶走更多的熱量，達到與正常冷卻時大流量同樣的冷卻效果，這對于高溫冷卻的實際應(yīng)用具有一定的參考價值。

圖7示出散熱器進出水口溫差隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖7可以看出，90℃時，溫差隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高，這是因為90℃時冷卻液處于單相流換熱階段，流速越大換熱系數(shù)越大，換熱能力越強[5]。但在95℃與100℃情況下，散熱器進出水口溫差隨轉(zhuǎn)速波動較大，這可能與沸騰換熱中存在的氣泡有關(guān)。沸騰狀態(tài)下的冷卻液流經(jīng)散熱器時，散熱增加，流體過冷度增大，壓力降低，流體中的氣泡破裂，而且不同的冷卻液流速對氣泡破裂的影響程度不同，這會加劇紊流而且導(dǎo)致?lián)Q熱邊界層的波動[6]，紊流加劇和邊界層的變化導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)的變化，繼而對整體換熱產(chǎn)生較大的影響。由于試驗數(shù)據(jù)記錄是在發(fā)動機出水溫度平穩(wěn)后隨機記錄，而散熱器冷卻液由于相變換熱的不穩(wěn)定性造成溫度波動較大，所以造成不同轉(zhuǎn)速下記錄的溫度差異較大。因而，發(fā)動機在采取高溫冷卻時，不得不注意氣泡的破裂對換熱的影響，氣泡的破裂還可能造成穴蝕，對發(fā)動機的壽命有極大的影響。

圖7 散熱器進出水口溫差隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖8示出發(fā)動機有效功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線。從圖8可以看出，當冷卻液處在較高溫度時，溫度的變化對于有效功率的提升沒有太大意義，遠沒有低溫時溫度的提升對有效功率的影響明顯，所以在高溫時想一味地以提升冷卻液溫度來提高有效功率是不現(xiàn)實的。

圖8 發(fā)動機有效功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3 結(jié)論

文章在研究了外特性下發(fā)動機進水口溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速2個變量對冷卻液溫變和流變特性的影響，深入探究了內(nèi)在的影響機理，結(jié)果表明：1）在不同的發(fā)動機冷卻液進口溫度下，冷卻液流量的變化趨勢是不同的，溫度越高，流量降低，這主要與高溫沸騰狀態(tài)下冷卻液中產(chǎn)生的氣泡有關(guān)，氣泡對冷卻液的流動具有阻礙作用，造成宏觀上的冷卻液流量趨于下降。2）沸騰雙相流換熱要比單相流換熱具有更大的換熱系數(shù)，可以以較少的流量傳遞更多的熱量，達到與正常冷卻時大流量同樣的冷卻效果，這對于減少發(fā)動機冷卻系泵損具有一定的參考價值。3）高溫冷卻雖然有很多優(yōu)點，但是冷卻溫度過高也是不合理的。過高的冷卻液溫度對于發(fā)動機有效功率的提升并沒有太大的影響，而且沸騰換熱中，氣泡的破裂對于換熱有很大的影響，造成相變換熱的不穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為換熱前后溫差波動大。此外，氣泡的破裂還會造成穴蝕，對發(fā)動機的壽命有很大的影響，這在高溫冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中是需要加以注意的。