高原環(huán)境下柴油機冷卻系統性能仿真

劉建敏，康琦，王普凱，劉艷斌，董意

(陸軍裝甲兵學院車輛工程系，北京 100072)

我國擁有世界上面積最大的高原，平均海拔在2 000～4 500 m，約占我國國土面積的1/3[1-2]。高原條件下，柴油機缸內燃燒惡化、冷卻系統傳散熱能力降低，若不加控制和處理，將會嚴重影響高溫部件與冷卻液之間的傳熱，導致柴油機出現功率下降、水油溫升高超限、熱負荷過高、可靠性下降等問題，最終嚴重影響裝甲車輛的作戰(zhàn)性能[2-5]。因此，研究不同海拔下柴油機及其冷卻系統性能的變化規(guī)律具有較強的實際意義。

本研究以某裝甲車輛柴油機及其冷卻系統為研究對象，建立了高原環(huán)境下柴油機工作過程和冷卻系統的一維模型，采用直接耦合方法實現了工作過程和冷卻系統之間流動與傳熱邊界條件雙向傳遞，完成對柴油機及其冷卻系統更為精準的穩(wěn)態(tài)計算。通過高原模擬臺架試驗數據驗證了模型的正確性，進而研究了高原環(huán)境對柴油機及其冷卻系統性能的影響規(guī)律。最后以柴油機出口水溫不超過報警值為目標，計算求得了柴油機最大允許負荷和風扇最小體積流量增幅MAP圖。

1 理論分析

1.1 冷卻系統傳熱分析

冷卻系統的傳熱主要集中在散熱器部件上，該裝甲車輛采用管帶式緊湊散熱器，冷卻方式為強制風冷。散熱器內部熱流和冷流的傳熱及散熱器傳熱量[6]可采用式(1)和式(2)計算求得。

(2)

式中：QM，QS和QR分別為冷卻液、空氣和散熱器散熱量；mM，mS分別為冷卻液和空氣質量流量；CpM，CpS分別為冷卻液和空氣比熱容；TM′，TM″分別為冷卻液入口和出口溫度；TS′，TS″分別為空氣入口和出口溫度；KR為散熱器傳熱系數；AR為散熱器傳熱面積；ΔTm為散熱器對數平均溫差。

管帶式散熱器和大氣接觸的散熱片，在傳熱計算上可當作肋片處理[6]，其傳熱系數為

(3)

式中：hM，hS分別為熱流體與壁面間對流傳熱系數和冷流體與肋表面間對流傳熱系數；δ，λ分別為肋片厚度和導熱系數；β，η分別為肋化系數和肋化效率。

通過傳熱計算理論分析，可以發(fā)現大氣熱力參數主要通過改變散熱器傳熱系數、流經散熱器的空氣質量流量和冷熱流體對數平均溫差等參數來影響冷卻系統的散熱性能。

1.2 海拔對冷卻參數影響分析

1.2.1海拔對傳熱系數的影響

海拔主要是影響散熱器冷側對流傳熱系數進而影響傳熱系數，分析冷側對流傳熱系數隨海拔的變化規(guī)律，對不同海拔的傳熱系數進行修正。

對流傳熱系數通過努賽爾關聯式[7]計算得到：

(5)

聯立以上得到對流傳熱系數：

(6)

式中：h為流體與壁面間對流傳熱系數；k為流體熱傳導率；L為特征長度；μ為流體動力黏度；Cp為流體比定壓熱容；ρ為流體密度；v為流體流動速度。

將式(6)代入式(3)，即可求得散熱器傳熱系數。

分析式(6)中各參數，只有流體密度隨海拔升高而明顯減少，從而使冷側對流傳熱系數明顯減少，最終導致散熱器能力不斷下降。

1.2.2海拔對散熱器空氣質量流量的影響

流經散熱器的空氣質量流量由冷卻排風扇性能和系統阻力共同決定[8]，分析流經散熱器的空氣質量流量隨海拔的變化規(guī)律，對不同海拔的空氣質量流量進行修正。

根據風機流量相似和揚程相似定律[8]建立不同海拔體積流量和壓力的數學模型(見式(7))。

(7)

對于同一臺風扇，尺寸相同，即Dalt=D0，且H=P/ρ，則式(7)可寫成：

(8)

式中：Q為風扇體積流量；D為風扇幾何尺寸；V為風扇轉速；H為風扇揚程；Δp為風扇壓差；ρ為空氣密度；下腳標alt、0分別代表高海拔和海平面。

從式(8)可得：不同海拔下冷卻風扇的體積流量和轉速成正比；冷卻風扇的壓差和轉速平方成正比，和密度成正比。

空氣流動阻力[8]計算式為

(9)

式中：ρ為空氣密度；V為空氣流動速度；f為摩擦因數；L為特征長度；D為水力直徑；Q為體積流量；A為流通面積。

對于空氣側來說，其流動狀態(tài)一般為紊流，其摩擦因數f值變化不大，可視為常數。則從式(9)可以看出，系統阻力和空氣密度成正比，和體積流量平方成正比。

在實際工作點，風扇壓差等于空氣流動阻力，即Δpalt=ΔP。將式(8)和式(9)代入可知：不同海拔風扇工作點對應的體積流量相同，即其工作點對應的質量流量與空氣密度成反比。

2 模型建立

2.1 柴油機工作過程模型

某柴油機的基本參數見表1。根據柴油機工作過程數值仿真的基本理論，建立了柴油機工作過程仿真模型。參考文獻[9]高原標定方法對工作模型進行了修正。

表1 柴油機基本參數

2.2 冷卻系統模型

2.2.1散熱器模型

散熱器傳熱計算公式[10]為

(10)

式中：ρ為壁面材料密度；V為壁面體積；Cp為壁面材料比熱容；h為流體與壁面間對流傳熱系數；A為冷、熱流體與壁面?zhèn)鳠崦娣e；ΔT為流體與壁面間溫差；下腳標M、S分別代表散熱器熱側和冷側。

該裝甲車輛使用的水散熱器結構型式和參數見表2。

表2 散熱器結構型式及參數

2.2.2水泵模型

水泵流量-揚程數值仿真模型是根據水泵特性試驗數據建立。水泵特性曲線[11]定義如下：

(11)

(13)

水泵由柴油機曲軸按固定傳動比1∶1.5驅動，流量-揚程特性曲線見圖1。

圖1 水泵流量-揚程特性曲線

2.2.3風扇模型

該冷卻系統采用葉片后彎型式的離心式冷卻風扇，風扇特性曲線同水泵特性曲線的定義相似。

其他轉速下的風扇特性通過相似準則計算：

(15)

式中：nr為風扇參考轉速；na為風扇實際轉速；Δpr為參考全壓；Δpa為實際全壓。

2.3 柴油機及其冷卻系統耦合模型

根據柴油機及其冷卻系統數值仿真理論，利用GT-suite軟件[12-14]建立柴油機工作過程和冷卻系統模型，采用直接耦合方法實現工作過程和冷卻系統之間流動與傳熱邊界條件雙向傳遞，進而可以實現對柴油機及其冷卻系統更為精準的穩(wěn)態(tài)計算。其中大氣環(huán)境為冷卻風扇、散熱器冷側和柴油機進排氣管路的數值計算提供邊界條件。

柴油機及其冷卻系統耦合模型見圖2。圖3至圖7為其子模型，同時示出各個子模型相互連接關系，圖4至圖7共同構成柴油機冷卻系統模型。其中，圖3示出柴油機工作過程模型，包括進排氣系統、渦輪增壓系統、噴油器、缸蓋-活塞-缸套和曲軸箱等；圖4示出柴油機傳散熱模型，包括柴油機本體冷卻水道、氣缸套、氣缸蓋和機油回路等；圖5和圖6分別示出冷卻液和機油散熱模型,包括水泵、水散熱器熱側、膨脹水箱和機油散熱器熱側等；圖7示出動力艙傳熱模型，包括冷卻風扇、水散熱器冷側和機油散熱器冷側等。

圖2 柴油機及其冷卻系統耦合模型

圖3 柴油機工作過程模型

圖4 柴油機傳散熱模型

圖5 冷卻液散熱模型

圖7 動力艙傳熱模型

3 模型驗證

為驗證耦合模型的準確性，在標定工況下進行了高海拔臺架熱平衡試驗，試驗采用-10號柴油，冷卻液為軟化水，大氣溫度為25 ℃。將海拔1 000 m，3 700 m和4 500 m條件下的柴油機出口水溫、散熱器散熱量、水泵流量和柴油機功率等參數的試驗值和仿真值進行對比，結果見表3至表5。

表3 海拔1 000 m時標定工況試驗值與仿真值對比

表4 海拔3 700 m時標定工況試驗值與仿真值對比

表5 海拔4 500 m時標定工況試驗值與仿真值對比

試驗值和仿真值的最大誤差為5.58%，滿足工程計算的精度要求，驗證了柴油機及其冷卻系統耦合模型的準確性。

4 計算結果及分析

通過改變柴油機及其冷卻系統耦合模型的邊界條件，分析研究了不同海拔外特性工況下柴油機及其冷卻系統性能。

4.1 柴油機出口水溫變化規(guī)律

柴油機出口水溫變化曲線見圖8。由圖8可以看出：1)柴油機出口水溫隨海拔升高而升高，海拔每升高1 000 m，柴油機出口水溫平均升高5%，可以看出高原環(huán)境對柴油機出口水溫影響較為顯著。一方面是因為大氣壓力下降、空氣密度減小，導致柴油機進氣量減少，后燃現象嚴重，缸蓋和氣缸套等受熱部件溫度升高；另一方面是因為高海拔條件下散熱器散熱能力下降。2)從0 m升高到5 000 m柴油機出口水溫最大升高25.96%，最小升高19.16%，柴油機轉速越高，海拔對出口水溫影響越明顯。這是由于柴油機高轉速時空氣需求量大，對缸內燃燒影響更顯著，后燃現象更嚴重，缸內熱負荷更高。3)出口水溫在轉速1 400 r/min時最高，在轉速2 000 r/min時最低，并且隨著海拔升高，溫差減少。這一方面是轉速為1 400 r/min時最接近柴油機的最大扭矩工況，此時熱負荷較高；另一方面柴油機轉速越高，流經散熱器空氣流量越大，散熱器散熱能力越強。4)柴油機出口水溫報警溫度為103 ℃，因此該裝甲車輛在海拔1 000 m以下時可以正常使用；在海拔1 000～2 600 m時高轉速區(qū)可以正常使用，低轉速區(qū)需要降負荷使用；在海拔2 600 m以上時冷卻液溫度過高，必須降負荷或者提高冷卻系統散熱能力后使用。

圖8 柴油機出口水溫隨海拔的變化

4.2 散熱器性能變化規(guī)律

4.2.1散熱器冷側對流傳熱系數

柴油機散熱器冷側對流傳熱系數變化曲線見圖9。由圖9可以看出：1)散熱器冷側對流傳熱系數隨海拔升高而減小，并且海拔越高對流傳熱系數減少幅度越小。海拔每升高1 000 m，對流傳熱系數平均減小9.36%，其中轉速2 000 r/min時，海拔從0 m升高到5 000 m，對流傳熱系數降低4 904.79 W/(m2·K)，可以看出高原環(huán)境對散熱器冷側對流傳熱系數影響顯著。這是由于隨著海拔升高，空氣密度顯著減小，根據式(6)可知對流傳熱系數隨之減小。2)散熱器對流傳熱系數與柴油機轉速近似呈正線性關系。這是由于柴油機轉速越高，流經散熱器的空氣流速越大，根據式(6)可得對流傳熱系數隨之增加。

圖9 散熱器對流傳熱系數隨海拔的變化

4.2.2散熱器散熱量

柴油機散熱器散熱量變化曲線見圖10。由圖10可以看出：1)散熱器散熱量隨海拔升高而減少，海拔每升高1 000 m，散熱量平均減小6.25%，并且海拔越高散熱量減少幅度越大。這是由于一方面海拔越高，散熱器冷側對流傳熱系數越小，另一方面海拔升高，空氣密度下降，在相同的空氣體積流量下，空氣質量流量減少。2)從0 m升高到5 000 m散熱器散熱量最大降低38.73%，最小降低25.66%，柴油機轉速越低，高原環(huán)境對散熱量影響越明顯。這是由于柴油機低轉速時空氣進氣量需求小，導致缸內后燃程度較低，熱負荷增加少。

圖10 散熱器散熱量隨海拔的變化

4.3 風扇性能變化規(guī)律

柴油機風扇質量流量變化曲線見圖11。由圖11可以看出：1)風扇質量流量隨海拔升高而減小，海拔每升高1 000 m，質量流量平均減小11.20%，并且海拔越高，質量流量減小幅度越小。這是由于海拔升高，大氣壓力下降，空氣密度減小，并且風扇工作點的體積流量近似相等。2)不同轉速下從0 m升高到5 000 m，風扇質量流量下降比例為56%左右，近似相等。這是由于在體積流量相同的情況下，只有空氣密度對風扇質量流量有顯著影響，而空氣密度與海拔有關，與轉速無關。

柴油機風扇揚程變化曲線見圖12。由圖12可以看出：1)風扇揚程隨海拔升高而降低，海拔每升高1 000 m，風扇揚程平均減小7.38%。這是由于海拔升高，空氣密度減小，根據式(9)可得空氣流動阻力減少。2)不同轉速下從0 m升高到5 000 m，風扇揚程下降比例為37%左右，近似相等。這是由于在風扇轉速一定情況下，空氣流動速度和摩擦因數近似不變，只有空氣密度對空氣系統阻力有顯著影響。

圖11 風扇質量流量隨海拔的變化

圖12 風扇揚程隨海拔的變化

4.4 柴油機動力性和經濟性變化規(guī)律

柴油機功率變化曲線見圖13。由圖13可以看出： 1)柴油機功率隨海拔升高而減小，海拔每升高1 000 m，功率平均減小3.55%。這是由于海拔升高，大氣壓力和空氣密度下降，導致進氣流量明顯下降，當噴油量一定時，缸內油氣混合質量變差，后燃現象嚴重，有效指示壓力降低，最終導致柴油機功率下降。2)海拔從0 m升高到5 000 m，功率最大降低35.48%，最小降低11.02%，柴油機轉速越低，高原環(huán)境對功率影響越明顯。這是由于低速時增壓器補償作用減弱，壓比降低。

柴油機燃油消耗率變化曲線見圖14。由圖14可以看出：1)燃油消耗率隨海拔升高而增加，海拔每升高1 000 m，燃油消耗率平均增加4.67%。這是由于海拔升高，進氣流量下降明顯，導致燃燒缺氧，在循環(huán)供油量一定條件下，熱效率下降。2)從0 m升高到5 000 m，燃油消耗率最大增長54.99%，最小增長12.39%，柴油機轉速越低，高原環(huán)境對燃油消耗率影響越明顯。這是由于低速時熱效率低，且受進氣狀態(tài)影響較大。

圖13 柴油機功率隨海拔的變化

圖14 燃油消耗率隨海拔的變化

5 柴油機冷卻系統匹配與改進

由第4.1節(jié)可知，該裝甲車輛在海拔1 000～2 600 m低轉速狀態(tài)和海拔2 600 m以上時冷卻液溫度過高，必須降負荷或者提高冷卻系統散熱能力后使用。參考文獻[2]和文獻[7]，采用降低柴油機負荷和增加風扇體積流量兩種方式來降低出口水溫，使其滿足使用要求。

在GT-suite中單獨改變柴油機負荷和風扇體積流量兩個參數，以出口水溫不超過報警值為目標進行迭代計算，得到不同海拔不同轉速下柴油最大允許負荷和風扇體積流量最小增幅MAP圖(見圖15和圖16)。

圖15 柴油機最大允許負荷MAP圖

圖16 風扇最小體積流量增幅MAP圖

6 結論

a) 海拔每升高1 000 m，柴油機及其冷卻系統產生如下性能變化：柴油機出口水溫平均升高5.01%，且高速區(qū)下降幅度比低速區(qū)大；散熱器冷側對流傳熱系數平均減小9.36%，高低速區(qū)下降幅度近似相等；散熱器散熱量平均減小6.25%，且低速區(qū)下降幅度比高速區(qū)大；風扇質量流量平均減小11.20%，高低速區(qū)下降幅度近似相等；風扇揚程平均減小7.38%，高低速區(qū)下降幅度近似相等；柴油機功率平均減小3.55%，且低速區(qū)下降幅度比高速區(qū)大；燃油消耗率平均增加4.67%，且低速區(qū)下降幅度比高速區(qū)大。

b) 該裝甲車輛在海拔1 000 m以下時可以正常使用；在海拔1 000～2 600 m時高轉速狀態(tài)可以正常使用，低轉速狀態(tài)需要降負荷使用；在海拔2 600 m以上時冷卻液溫度過高，必須降負荷或者提高冷卻系統散熱能力后使用。

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