優(yōu)能120納米冷卻液對油-電混動車運行熱效率的影響

羅逸，徐長明，何延，辛莎，田力

(1.華中科技大學化學與化工學院，湖北武漢 430074；2.武漢優(yōu)能納米流體技術有限公司，湖北武漢 430014)

0 引言

通過改進設計提高內(nèi)燃機的熱效率已經(jīng)變得相當困難，因為通過一百多年的發(fā)展人們對它的研究已接近極致，并且研發(fā)費用高昂。通過改換冷卻液來減小它與機油之間的溫差，構造小溫差發(fā)動機，將是一種簡單有效的減少熱損失及提高熱機效率的方法。

基于專利技術[1]的抗高溫發(fā)動機納米冷卻液是近年來開發(fā)的一種應用于內(nèi)燃機系統(tǒng)冷卻的新型換熱劑產(chǎn)品，3年的實車(汽、柴油動力機車)運行結果證實：在降低油耗、減少尾氣排放、快速散熱及縮短冷啟動時間等性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)冷卻液[2-4]，表明我國在納米流體高溫冷卻技術及內(nèi)燃機應用領域已經(jīng)跨入世界前沿。

有關納米流體能否作為電動機車的冷卻劑目前未見報道，本文作者以某油-電混動車為研究對象，分析和探討納米冷卻液對發(fā)動機溫度、油耗及發(fā)電功率等動力負荷特性行為的影響，為實車運行的可行性評估提供技術依據(jù)。

1 臺架試驗

冷卻液：測試樣為優(yōu)能120納米冷卻液，參比樣為普通防凍液。

試驗方法：設定的發(fā)動機冷卻液進口端溫度為90、95 ℃，轉速為1 800、2 000、2 500 r/min，功率為10、15、20 kW，試驗負荷為不超過80%發(fā)動機總負荷。

數(shù)據(jù)采集：發(fā)動機穩(wěn)定運轉后，持續(xù)30 min，每5 min采集一次數(shù)據(jù)，記錄下發(fā)動機進口及出口的冷卻液溫度、功率及油耗量。

測試過程：90 ℃各組試驗正常，當進口溫度為95 ℃及功率為15 kW時，6組平行試驗中的2組由于水溫過高觸發(fā)發(fā)動機啟停，故后續(xù)20 kW功率試驗未繼續(xù)進行。

數(shù)據(jù)處理：

ΔT=T120-Tcool

(1)

式中：ΔT為出口溫度變化；T120為加入優(yōu)能120后出口溫度；Tcool為參比防凍液出口溫度。

(2)

式中：Δη為發(fā)電效率變化；P120為加入優(yōu)能120后發(fā)電功率；Pcool為參比防凍液發(fā)電功率。

(3)

式中：ΔQ為油耗變化；Q120為加入優(yōu)能120后油耗量；Qcool為參比防凍液油耗量。

2 結果與討論

換裝優(yōu)能120納米冷卻液的影響主要表現(xiàn)為：

(1)提高氣缸溫度及熱機效率

優(yōu)能120可提高氣缸溫度，且進口溫度越高則其升溫越明顯。如表1所示，由90 ℃至95 ℃時，它與防凍液間的溫差急劇擴大至9.29 ℃，油耗率變化也明顯加大。若同時加大轉速、功率分別至2 500 r/min、15 kW，冷卻液溫度接近109 ℃(臨界溫度)，此時，6次平行試驗中2次過熱停機，但油耗大幅下降-18.1%，引擎熱效率至最高。它表明：在安全工作范圍內(nèi)，優(yōu)能120具備現(xiàn)行防凍液所缺少的促使發(fā)動機達到最佳燃燒溫度的能力，是使內(nèi)燃機具有較低油耗及燃油經(jīng)濟性的主要原因之一。

(2)提高發(fā)電效率

增加發(fā)動機功率時無論何種冷卻液其發(fā)電功率都獲得相應提高，但優(yōu)能120相對變化幅度較大，兩種溫度下的平均變化率+2.25%，表明它可以提高發(fā)電效率，且發(fā)動機工作溫度越高時變化幅度差異越小(表1)。

表1 油-電混動車換裝納米冷卻液前后臺架試驗結果

注：變化率“+”為提高，“-”為降低。

(3)降低冷卻器汽化熱損及動力能耗

將進口溫度由90 ℃提高95 ℃，傳統(tǒng)防凍液平均油耗增加57 mL/5 min，優(yōu)能120僅增加了9.67 mL/5 min(表2)，即前者的高溫能損要比后者大5倍。其原因在于，防凍液的沸點為104 ℃，此時其出口溫度約為100 ℃(表1)，流體近乎沸騰狀態(tài)，由之產(chǎn)生的汽化潛熱損失及循環(huán)流動氣阻能耗很大，因此它遠大于具備高沸點(120 ℃)且出口溫度為103～108 ℃的優(yōu)能120納米冷卻液，顯然，這兩種能耗的降低也是高沸點納米冷卻液在高溫下工作時相對比較節(jié)省燃油的原因之一。

(4)循環(huán)熱平衡運行機制

上述高溫燃燒產(chǎn)生的高溫冗余熱量必須通過水箱快速傳導到環(huán)境中，否則會導致發(fā)動機過熱，為此納米流體的高溫強化換熱特性在此過程中將起著關鍵作用。它提高了水箱的散熱速度與效率，確保冷卻流體溫度快速下降至安全工作溫度以下，從而形成“發(fā)動機高溫燃燒→水箱快速散熱→發(fā)動機高溫燃燒” 周期性熱平衡的良性循環(huán)。

表2 改變冷卻液進口溫度對發(fā)動機油耗及發(fā)

對于此次試驗，由于發(fā)動機進口溫度被恒定至設定值，納米流體的快速散熱降溫效果未能在循環(huán)冷卻過程中得以體現(xiàn)，故在測試中出現(xiàn)了過熱停機現(xiàn)象。實際上，讓冷卻循環(huán)過程自然運行，并通過調(diào)節(jié)流量建立發(fā)動機出口處溫度在108 ℃附近(即低于安全臨界溫度)時的循環(huán)熱平衡，那么此時的發(fā)動機熱效率應該最高。

3 結論

采用發(fā)動機臺架試驗方法研究了在改變進口溫度、功率及轉速條件下，換裝優(yōu)能120納米冷卻液對油-電混動車運行熱效率的影響。結果表明，將溫度由90 ℃切換至95 ℃時，發(fā)動機出口溫度至108 ℃，比參比防凍液要高9.29 ℃、相對平均油耗由2.81%下降至 -11.85%，最大油耗下降-18.1%、發(fā)電效率提高0.52%～3.97%，并且入口溫度提高后其增加的油耗量僅占防凍液的20%左右。

熱機效率的提高是納米冷卻液提升了氣缸工作溫度，高沸點與高換熱率降低了流體由于汽化產(chǎn)生的氣阻與熱損失，及“發(fā)動機高溫燃燒→水箱快速散熱→發(fā)動機高溫燃燒”周期性循環(huán)熱平衡運行機制三者共同作用的結果。試驗出現(xiàn)過熱停機現(xiàn)象是由于發(fā)動機進口溫度被恒定至設定值，流經(jīng)水箱的納米流體的快速降溫作用無法體現(xiàn)所致。