冷卻液物性參數(shù)對(duì)柴油機(jī)缸蓋冷卻性能的影響

向紅林 杜巍

摘要： ?為探索發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液各物性參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的影響規(guī)律，針對(duì)某大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，在通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬、相關(guān)性分析和回歸分析確定了冷卻液密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和沸點(diǎn)對(duì)氣缸蓋水套表面最高溫度、火力面最高溫度、冷卻液進(jìn)出水口溫差和缸蓋內(nèi)氣體體積的影響規(guī)律、影響顯著程度及擬合關(guān)系式，同時(shí)對(duì)比了50%體積濃度乙二醇水溶液和水的冷卻效果。結(jié)果表明：水套表面最高溫度、火力面最高溫度均與密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)成正相關(guān)，與沸點(diǎn)成負(fù)相關(guān)，前者受沸點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，后者受沸點(diǎn)影響較大；進(jìn)出水口溫差與密度、比熱容、沸點(diǎn)成負(fù)相關(guān)，與導(dǎo)熱系數(shù)成正相關(guān)，且其受比熱容影響較大；氣體體積與4個(gè)物性參數(shù)均成負(fù)相關(guān)，其受比熱容和沸點(diǎn)影響最大。由回歸分析得出了水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差和氣體體積關(guān)系式，各關(guān)系式誤差分別在1%，0.5%，10%和30%以內(nèi)。另外，在同等條件下，水的冷卻效果比50%體積濃度的乙二醇水溶液的冷卻效果好。

關(guān)鍵詞： ?冷卻液；物性參數(shù)；氣缸蓋；冷卻性能；相關(guān)性分析；回歸分析

DOI ?： ??10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.005

中圖分類號(hào)： ?TK422 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?B ??文章編號(hào)： ??1001-２２２２（２０24）０1-００28-０9

發(fā)動(dòng)機(jī)作為車輛的動(dòng)力來源，高功率密度一直是其主要發(fā)展方向，隨著功率強(qiáng)化水平的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷也不斷增大，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能提出了更高的要求。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水套結(jié)構(gòu)［1-2］、發(fā)動(dòng)機(jī)材料［3-5］、過冷沸騰傳熱機(jī)制［6-8］和冷卻介質(zhì)［9-11］等方面進(jìn)行了大量研究。

冷卻液種類繁多，納米流體冷卻液、乙二醇型冷卻液、丙二醇型冷卻液、水等不同類型的冷卻液具有不同的性能和優(yōu)缺點(diǎn)。Ali等［12］在冷卻液中分別加入氧化鋁和二氧化鈦納米材料，發(fā)現(xiàn)較傳統(tǒng)乙二醇水溶液，加入納米材料后發(fā)動(dòng)機(jī)水套壁面溫度分別降低了7%和6.7%。Karagoz等［13］將氧化銅納米顆粒摻雜入冷卻液，與水作為冷卻液時(shí)相比，隨著氧化銅納米顆粒濃度的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)在各功率下的傳熱性均能得到提升，最高可提高40%。Masoud等［14］通過研究四氧化三鐵-銀混合納米流體在不同顆粒濃度下的黏度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米顆粒濃度高于0.3%時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出非牛頓特性，這對(duì)于傳熱將起到負(fù)面影響。侯獻(xiàn)軍等［15］通過對(duì)比0%～1%濃度的石墨烯/氧化鋁納米冷卻液也發(fā)現(xiàn)：與基液相比，當(dāng)粒子濃度分別為0.1%，0.5%和1%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)分別提高3.2%，5%和10%，且導(dǎo)熱系數(shù)隨著冷卻液溫度的增大而增大，但是隨著溫度的進(jìn)一步增加，出現(xiàn)粒子聚團(tuán)和沉降，增長率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。駱清國等［16］研究了水、復(fù)合氧化物納米流體、45號(hào)冷卻液、自制130號(hào)冷卻液和無水丙二醇5種冷卻液對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明：在相同條件下使用這5種冷卻液，火力面溫度和缸內(nèi)爆發(fā)壓力依次升高，而燃油消耗率依次減少。Dong等［17］對(duì)比使用常規(guī)乙二醇溶液和無水丙二醇冷卻液時(shí)的工作溫度、排放及燃油消耗率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)入口溫度為80 ℃時(shí)，進(jìn)出水口溫差分別為2.1 ℃和0.77 ℃，潤滑油溫度均上升了5 ℃左右；在冷卻水95 ℃和大負(fù)荷工況下，使用常規(guī)乙二醇溶液較無水丙二醇冷卻液時(shí)NO ?x 排放減小30%，但其余污染物排放增大；使用無水丙二醇冷卻液時(shí)燃油消耗較常規(guī)乙二醇溶冷卻液降低3.11%。朱振華等［18］以50%乙二醇水溶液為冷卻介質(zhì)，對(duì)比了不同進(jìn)水溫度下氣缸蓋的最高溫度，結(jié)果表明入口溫度為91.45 ℃和101.65 ℃時(shí)，缸蓋最高溫度分別為347.26 ℃和352.38 ℃，且均出現(xiàn)在排氣門和油嘴之間的區(qū)域。Zhao等［19］提出流體在不同溫度下的物性參數(shù)不同，通過試驗(yàn)測(cè)量管內(nèi)傳熱參數(shù)和管壁溫度，建立了熱物性參數(shù)隨溫度變化的預(yù)測(cè)模型。

上述研究工作對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到了積極的推動(dòng)作用。與以往冷卻系統(tǒng)性能研究工作不同，本研究針對(duì)不同物性參數(shù)的乙二醇水溶液，以某大功率柴油機(jī)氣缸蓋為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬的方法研究了沸騰情況下不同濃度乙二醇水溶液的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和沸點(diǎn)對(duì)氣缸蓋冷卻性能的影響規(guī)律，利用相關(guān)性分析和回歸分析確定了4個(gè)物性參數(shù)對(duì)冷卻性能 的綜合影響，并對(duì)比了50%體積濃度乙二醇水溶液與純水對(duì)氣缸蓋冷卻性能的影響。

1 ??仿真計(jì)算模型

1.1 ?氣缸蓋三維模型

根據(jù)缸蓋實(shí)體模型進(jìn)行三維建模，并抽取流體域模型，缸蓋模型及水套流體域模型見圖1和圖2。為保證仿真精度，僅對(duì)缸蓋模型進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，取消不重要的工藝孔和螺紋孔，保留大部分實(shí)體特征，對(duì)水套不做簡(jiǎn)化處理。

1.2 ?仿真計(jì)算數(shù)學(xué)模型

利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)水套鼻梁區(qū)散熱較差，在近壁區(qū)容易出現(xiàn)過冷沸騰，為保證仿真精度，采用多相流沸騰模型模擬高溫區(qū)沸騰現(xiàn)象，湍流模型采用 k-e 湍流模型，近壁區(qū)采用增強(qiáng)壁面處理。

1.3 ?缸蓋流固耦合計(jì)算域網(wǎng)格劃分

本研究采用多面體網(wǎng)格對(duì)缸蓋模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（見圖3）。缸蓋實(shí)體部分采用4 mm網(wǎng)格尺寸，對(duì)部分曲面作適當(dāng)細(xì)化，同時(shí)將火力面、進(jìn)排氣道表面、噴油器等傳熱表面網(wǎng)格尺寸細(xì)化至2 mm。流體域采用2 mm網(wǎng)格尺寸，將沸騰區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化至1 mm，邊界層第一層網(wǎng)格高0.3 mm，增長率1.2，總共4層，最終超過95%的網(wǎng)格1＜ Y +＜10，超過80%的網(wǎng)格 Y +位于1附近，滿足增強(qiáng)壁面處理使用條件。

1.4 ?校核計(jì)算

1.4.1 ?試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性，建立了缸蓋的熱負(fù)荷測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，如圖4所示。在火力面一側(cè)布置高頻電磁加熱器，通過調(diào)節(jié)加熱器保證試驗(yàn)缸蓋火力面溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作時(shí)火力面溫度基本一致，并作為缸蓋傳熱計(jì)算的邊界條件之一。通過壓力傳感器監(jiān)測(cè)冷卻液出口壓力，在水泵與缸蓋入口之間設(shè)置流量計(jì)，測(cè)量進(jìn)入缸蓋的冷卻液流量。在火力面的不同位置布置7個(gè)熱電偶，用來監(jiān)測(cè)火力面溫度，測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)分別采用水和50%乙二醇水溶液作為冷卻介質(zhì)，進(jìn)水速度3.3 m/s，出水表壓0.1 MPa，冷卻液進(jìn)水溫度353.15 K。

1.4.2 ?邊界條件設(shè)置

仿真邊界條件與試驗(yàn)條件保持一致，以水和50%乙二醇水溶液作為冷卻介質(zhì)，入口采用速度入口邊界，流速取3.3 m/s，入口溫度353.15 K，出口設(shè)定壓力出口邊界，表壓0.1 MPa。除上述流動(dòng)邊界條件，本研究的熱邊界均為第三類邊界條件，設(shè)置對(duì)象包括火力面、進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門導(dǎo)管、噴油器和外表面。由于燃料在燃燒室內(nèi)燃燒情況復(fù)雜，火力面各處對(duì)流傳熱系數(shù)不盡相同，為了方便仿真計(jì)算，同時(shí)保證計(jì)算精度，將火力面劃分為如圖6所示的9個(gè)區(qū)域，對(duì)9個(gè)區(qū)域分別施加熱邊界條件。

通過一維柴油機(jī)性能仿真軟件的計(jì)算，得到整個(gè)火力面的平均溫度和平均傳熱系數(shù)，再根據(jù)試驗(yàn)時(shí)火力面的溫度及其對(duì)流傳熱系數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)各計(jì)算區(qū)域加載不同的對(duì)流傳熱系數(shù)，將各區(qū)域的溫度設(shè)為加權(quán)平均溫度［20］。在給定各區(qū)域?qū)α鱾鳠嵯禂?shù)時(shí)，需要滿足以下關(guān)系［21］：

∑ 9 i=1 A ih i=Ah ?a 。 ?（1）

式中： A i 為各區(qū)面積； A 為火力面總面積； h i 為各區(qū)傳熱系數(shù)； h ?a 為火力面加權(quán)平均傳熱系數(shù)。通過邊界條件各參數(shù)的調(diào)整和試算，確保仿真計(jì)算的火力面溫度與試驗(yàn)值接近。所得熱邊界條件匯總見表1和表2［22］。

1.4.3 ?試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比

仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表3。從表中數(shù)據(jù)可以看出，冷卻介質(zhì)為水時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在最高溫度點(diǎn)誤差率為0.81%，最低溫度點(diǎn)誤差率為1.46%，所有測(cè)點(diǎn)最大誤差率為1.46%；冷卻介質(zhì)為50%乙二醇時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在最高溫度點(diǎn)誤差率為1.40%，最低溫度點(diǎn)誤差率為0.97%，所有測(cè)點(diǎn)最大誤差率為1.91%?？梢娝x擇的仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，認(rèn)為各物理、數(shù)學(xué)模型的參數(shù)選擇合理。

2 ??仿真計(jì)算內(nèi)容

乙二醇水溶液是目前常用的一種冷卻液，不同濃度的乙二醇水溶液具有不同的物性，如密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、沸點(diǎn)，而不同物性參數(shù)帶來的冷卻效果不同。以溫度353.15 K和表壓0.1 MPa下不同濃度的乙二醇水溶液物性參數(shù)作為參考，確定各物性數(shù)值區(qū)間，計(jì)算分析不同的物性參數(shù)與水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差和水套內(nèi)氣體體積的變化關(guān)系。

乙二醇水溶液在給定溫度下的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)均通過“ASHRAE手冊(cè)2005”獲取，沸點(diǎn)通過拉烏爾定律獲得［23］，不同濃度乙二醇水溶液物性參數(shù)見表4。

參考表4中各物性參數(shù)的變化范圍，各取5個(gè)計(jì)算點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算：密度取900，950，1 000，1 050，1 100 kg/m3；比熱容取2 500，2 875，3 250，3 625，4 000 J/（kg·K）；導(dǎo)熱系數(shù)取0.2，0.325， 0.45，0.575，0.7 W/（m·K）；沸點(diǎn)取394.0，404.5，415.0，425.5，436.0 K。為研究某單一參數(shù)的影響，規(guī)定一組標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：密度為971.8 kg/m3，比熱容為4 195.7 J/（kg·K），導(dǎo)熱系數(shù)為0.67 W/（m·K），沸點(diǎn)為393.5 K。

3 ??計(jì)算結(jié)果分析

3.1 ?密度對(duì)冷卻的影響

圖7示出缸蓋水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差與冷卻液密度的關(guān)系。由圖中可見，水套表面和火力面最高溫度隨著冷卻液密度的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，密度從900 kg/m3增大到1 100 kg/m3，水套表面和火力面最高溫度分別下降0.3 K和1.6 K，降幅分別為0.07%和0.25%。進(jìn)出水口溫差也隨冷卻液密度的增大而下降，900 kg/m3時(shí)溫差為4.9 K，1 100 kg/m3時(shí)的溫差為3.9 K，相比下降1 K，降幅20.41%。圖8示出不同密度下缸蓋水套內(nèi)的氣體含量。密度從900 kg/m3增大到1 100 kg/m3，氣體體積減少14.63 mm3，降幅74.21%。

火力面最高溫度、水套表面最高溫度和進(jìn)出水口溫差均隨密度增大而減小，原因是單位體積的冷卻液所能吸收的熱量隨著密度的增大而增大，因此冷卻液吸熱能力增強(qiáng)，且吸收相同熱量后的溫度變化更小，沸騰程度也更小。密度的改變對(duì)水套表面溫度和火力面溫度影響較小，對(duì)進(jìn)出水口溫差影響較大，這對(duì)于提升各缸及各缸蓋的熱均勻性具有積極作用，同時(shí)沸騰程度的減小也降低了缸蓋內(nèi)“開鍋”的可能性，對(duì)冷卻系統(tǒng)的正常工作具有積極作用。

3.2 ?比熱容對(duì)冷卻的影響

缸蓋水套表面最高溫度、火力面最高溫度和進(jìn)出水口溫差與冷卻液比熱容的關(guān)系見圖9。從圖中可以看出，冷卻液比熱容從2 500 J/（kg·K）增大到4 000 J/（kg·K），水套表面最高溫度、火力面最高溫度和進(jìn)出水口溫差均呈下降趨勢(shì)，其中前兩者隨比熱容變化幅度較小，其最大差值分別為6 K和1.8 K，降幅分別為1.39%和0.28％，而進(jìn)出水口溫差最大差值為2.7 K，降幅為36.99％。由圖10可見，隨著比熱容的增大，氣體體積減少幅度逐漸減小，最大比熱容時(shí)的氣體體積比最小比熱容時(shí)少192.2 mm3，降幅為92.09%。

單位體積冷卻液所能吸收的熱量隨著比熱容的增大而逐漸增大，因此火力面最高溫度、水套表面最高溫度和進(jìn)出水口溫差減小，同時(shí)沸騰程度也隨之減小。同密度變化帶來的積極作用類似，增大比熱容對(duì)提升冷卻的均勻性以及防止缸蓋內(nèi)“開鍋”具有積極作用。

3.3 ?導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)冷卻的影響

缸蓋水套表面最高溫度、火力面最高溫度和進(jìn)出水口溫差與冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見圖11。導(dǎo)熱系數(shù)從0.2 W/（m·K）增大至0.7 W/（m·K），水套表面和火力面最高溫度分別下降24.1 K和7.7 K，降幅分別為5.36%和1.18%，且隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增大，二者變化幅度越來越小。進(jìn)出水口溫差升高0.3 K，增幅為6.98%。由圖12可見，缸蓋內(nèi)氣體體積隨導(dǎo)熱系數(shù)的增大而減小，導(dǎo)熱系數(shù)從0.2 W/（m·K）增大到0.7 W/（m·K），氣體體積減少17.54 mm3，降幅為59.18%。

隨導(dǎo)熱系數(shù)不斷增加，水套表面最高溫度和火力面最高溫度下降幅度逐漸減小，這是因?yàn)楫?dāng)導(dǎo)熱系數(shù)較小時(shí)，冷卻液熱阻較缸蓋固體側(cè)熱阻對(duì)傳熱影響更大，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)增大到一定程度后，缸蓋固體側(cè)熱阻較冷卻液熱阻對(duì)傳熱影響更大。由于缸蓋水套表面溫度降低量比較大，所以對(duì)沸騰起到了一定的抑制作用，因此氣體體積減少。

3.4 ?沸點(diǎn)對(duì)冷卻的影響

圖13示出缸蓋水套表面最高溫度、火力面最高溫度和進(jìn)出水口溫差與冷卻液沸點(diǎn)的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著沸點(diǎn)的升高，水套表面最高溫度、火力面最高溫度表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。沸點(diǎn)從394.0 K上升到436.0 K，水套表面和火力面最高溫度分別上升53.8 K和20.4 K，增幅分別為12.59%和3.15%。進(jìn)出水口溫差則變化很小，溫差最大值和最小值僅相差0.041 K，降幅為0.90%。圖14示出缸蓋內(nèi)氣體體積與沸點(diǎn)的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著冷卻液沸點(diǎn)的升高，氣體體積逐漸減小，而且在低沸點(diǎn)階段，減小幅度更大。沸點(diǎn)從394.0 K增大到404.5 K，氣體體積減小9.40 mm3，占總氣體減少量的92.31%；沸點(diǎn)為436.0 K時(shí)，缸蓋內(nèi)氣體體積僅0.001 mm3，即在該沸點(diǎn)下缸蓋內(nèi)僅有少量冷卻液沸騰。

沸點(diǎn)對(duì)缸蓋內(nèi)冷卻液沸騰影響較大。如圖15所示，沸點(diǎn)為394.0 K時(shí)缸蓋內(nèi)氣體所占體積占水套內(nèi)總體積的1.54×10-5，而沸點(diǎn)為436.0 K時(shí)僅占總體積的1.77×10-9。隨著沸點(diǎn)的降低，水套內(nèi)氣體體積呈幾何倍數(shù)上升，雖然缸蓋換熱得到了提升，但缸蓋內(nèi)“開鍋”的可能性也增大，容易對(duì)冷卻系統(tǒng)造成不良影響。

3.5 ?相關(guān)性分析及回歸分析

通過仿真計(jì)算，得到了20組不同物性參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。將4個(gè)物性參數(shù)定義為自變量，水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差和沸騰產(chǎn)生的氣體體積定義為因變量，對(duì)每個(gè)因變量與自變量進(jìn)行相關(guān)性分析。表5示出自變量與因變量之間的相關(guān)性。數(shù)值表示自變量與因變量之間的相關(guān)程度，數(shù)值正負(fù)表示正相關(guān)或負(fù)相關(guān)。從表中可以看出，水套表面最高溫度受沸點(diǎn)影響最大，其次受導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，而受密度和比熱容影響較?。换鹆γ孀罡邷囟仁芊悬c(diǎn)影響最大，受其余3個(gè)物性參數(shù)影響較小；進(jìn)出水口溫差受比熱容影響最大，受其余3個(gè)物性參數(shù)影響較??；沸騰產(chǎn)生的氣體體積受比熱容和沸點(diǎn)影響最大，受密度和導(dǎo)熱系數(shù)影響較小。

對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，得到水套表面最高溫度（ T ?w ）、火力面最高溫度（ T ?p ）、進(jìn)出水口溫差（ ?Δ T ）和氣體體積（ V ）關(guān)于4個(gè)物性參數(shù)的擬合關(guān)系式（見式（2）～式（5））。

T ?w=-37.341-0.01 ρ-0.003C ?p-38.358 k+1.297T ?b ， ?（2）

T ?p=-442.944-0.001 ρ-0.001C ?p-14.393 k+0.553T ?b ， ?（3）

Δ T=-17.6-0.005ρ-0.002C ?p-0.48 k-0.001T ?b ， ?（4）

V= EXP（97.4-0.001 ρ-5×10-11C ?p3-4.045 k3-0.226T ?b） 。 ?（5）

式中： ?T ?w ， T ?p ， ?Δ T 和 V 分別為水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差和氣體體積； ρ ， C ?p ， k ， T ?b 分別為密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和沸點(diǎn)。

圖16示出20組物性參數(shù)對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果與擬合結(jié)果對(duì)比。從圖中可以看出，水套表面最高溫度仿真結(jié)果和擬合結(jié)果誤差率大體在1%以內(nèi)；火力面最高溫度仿真結(jié)果和擬合結(jié)果誤差率均在0.5%以內(nèi)；進(jìn)出水口溫差仿真結(jié)果和擬合結(jié)果誤差率均在10%以內(nèi)；當(dāng)氣體體積較?。?V ＜21.77 mm3）時(shí)，其仿真結(jié)果和擬合結(jié)果誤差率可保證在30%以內(nèi)，當(dāng)氣體體積較大時(shí)，擬合關(guān)系式精度有所下降，最終整體誤差率在50%以內(nèi)。

3.6 ?水和50 % ?乙二醇水溶液冷卻性能對(duì)比預(yù)測(cè)

根據(jù)GB 29734 2013標(biāo)準(zhǔn)，低溫下特種車輛用乙二醇型稀釋冷卻劑的體積分?jǐn)?shù)一般為50%，考慮到在特殊情況下無法獲取標(biāo)準(zhǔn)冷卻液時(shí)，較容易獲取水作為替代冷卻液，因此分別通過仿真計(jì)算和擬合計(jì)算預(yù)測(cè)50%乙二醇冷卻液和水的冷卻效果。表6示出水和50%乙二醇溶液物性參數(shù)。和水相比，50%乙二醇水溶液密度和沸點(diǎn)均增大，而比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均減小。通過仿真分析和關(guān)系式擬合得到兩種冷卻液在對(duì)應(yīng)物性參數(shù)下的水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差和氣體體積（見表7）。從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩種冷卻液下水套表面最高溫度和火力面最高溫度誤差率均小于1%，進(jìn)出水口溫差誤差率均小于10%，氣體體積誤差率均小于20%，可見通過回歸分析得出的擬合關(guān)系式滿足要求。同時(shí)可以看出：以水作為冷卻液時(shí)，缸蓋散熱增強(qiáng)，各區(qū)域最高溫度均有所下降；因沸騰而產(chǎn)生的氣體更少，沸騰程度更低；進(jìn)出水口溫差更小，熱均勻性更好。

4 ??結(jié)論

a） 水套表面最高溫度和火力面最高溫度與密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)性，而與沸點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)性；進(jìn)出水口溫差與密度、比熱容、沸點(diǎn)呈負(fù)相關(guān)性，與導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)性；氣體體積與4個(gè)物性參數(shù)均呈負(fù)相關(guān)性；

b） 相關(guān)性分析表明：水套表面最高溫度受沸點(diǎn)影響最大，其次受導(dǎo)熱系數(shù)影響較大；火力面最高溫度受沸點(diǎn)影響最大；進(jìn)出水口溫差受比熱容影響最大；沸騰產(chǎn)生的氣體體積受比熱容和沸點(diǎn)影響最大；因此，在初選冷卻液時(shí)，為滿足缸蓋冷卻要求，應(yīng)優(yōu)先考慮沸點(diǎn)和導(dǎo)熱系數(shù)的影響；為滿足熱均勻性要求，應(yīng)優(yōu)先考慮比熱容的影響；為防止缸蓋內(nèi)沸騰，應(yīng)優(yōu)先考慮比熱容和沸點(diǎn)的影響；

c） 水和50%乙二醇水溶液冷卻效果相比，水套表面最高溫度、火力面最高溫度、進(jìn)出水口溫差和沸騰產(chǎn)生的氣體體積分別減少4.34%，1.55%，11.36%，47.15%，可見在特殊情況下以水作為冷卻液在一定程度上比乙二醇水溶液具有更好的冷卻性能。

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Effect of Coolant Physical Parameter on Cooling Performance of ?Diesel Engine Cylinder Head

XIANG Honglin，DU Wei

（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract： ?In order to explore the influence of various physical parameters of engine coolant on the cooling performance， the accuracy and reliability of simulation calculation were verified through bench test， and the influences， influencing significance degree and fitting relationship of coolant density， specific heat capacity， thermal conductivity and boiling point on the maximum surface temperature of cylinder head water jacket， the maximum temperature of fire surface， the temperature difference between the coolant inlet and outlet and the gas volume in the cylinder head were determined by using numerical simulation， correlation analysis and regression analysis based on a high-power diesel engine cylinder head. In addition， the cooling effects of 50% volume concentration ethylene glycol solution and water were compared. The results show that the maximum temperatures of water jacket surface and fire surface are positively correlated with density， specific heat capacity and thermal conductivity， and negatively correlated with the boiling point. The former is greatly affected by the boiling point and thermal conductivity， while the latter is greatly affected by the boiling point. The temperature difference between inlet and outlet is negatively correlated with density， specific heat capacity and boiling point， positively correlated with thermal conductivity， and greatly affected by specific heat capacity. The gas volume is negatively correlated with the four physical parameters， which is most affected by the specific heat capacity and boiling point. Based on the regression analysis， the relations of maximum surface temperature of water jacket， maximum temperature of fire surface， temperature difference between inlet and outlet and gas volume are acquired， and the corresponding error for each relation is within 1%， 0.5%， 10% and 30% respectively. Under the same conditions， the cooling effect of water is better than that of ethylene glycol solution with 50% volume concentration.

Key ?words： ?coolant；physical parameter；cylinder head；cooling performance；correlation analysis；regression analysis

［編輯： 潘麗麗］

收稿日期： ??2023-05-31； [HT6H]修回日期： ??2023-07-14

基金項(xiàng)目： ???國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51976011）

作者簡(jiǎn)介： ???向紅林（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)油散熱器冷卻性能；xhlin1230@163.com。

通訊作者： ??杜?。?974—），男，副教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)的綜合性能和熱平衡；dwei@bit.edu.cn。