大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究

许 翔，刘瑞林，刘 刚，任晓江，周 平

(1.军事交通学院汽车工程系，天津 300161;2.军事交通学院研究生大队，天津 300161)

前言

内燃叉车是一种使用广泛的装卸搬运机械。目前，高原地区使用的内燃叉车大都是普通平原型叉车。由于高原地区大气压力低，使水的沸点下降，发动机热负荷增大和冷却系统散热能力变差等因素，内燃叉车在使用过程中经常出现温度过高的现象，尤其是叉车在大负荷情况下连续作业时过热问题严重，导致故障率升高，严重影响叉车的综合作业效率［1］。

柴油机冷却系统的热平衡性能直接关系到叉车能否正常工作和柴油机的使用寿命。因此，研究其冷却系统的热平衡性能，分析高海拔(低气压)对其热平衡性能的影响，对合理设计和改进内燃叉车柴油机冷却系统，提高内燃叉车的高原环境适应性具有重要的意义［1－2］。

本文中基于FlowMaster2仿真软件建立了某型内燃叉车柴油机冷却系统仿真模型，利用柴油机高海拔(低气压)热平衡试验台对柴油机冷却系统仿真模型进行验证，分析了不同海拔高度(大气压力)对冷却系统热平衡性能的影响，提出了该柴油机冷却系统的改进措施。

1 柴油机热平衡台架试验

柴油机热平衡台架试验不仅可了解柴油机各部分的传热特性和热量分配，也是验证冷却系统热平衡仿真结果的重要依据［3］。

1.1 试验方法

图1为柴油机高海拔(低气压)热平衡试验台示意图。试验台利用进气节流和排气抽真空的方法模拟柴油机在低气压下的工作状态，它可模拟海拔0～6 000m范围内的大气压力;将冷却系统膨胀水箱与排气稳压箱连接，模拟不同海拔大气压力下冷却水的沸点。试验中大气压力、空气密度和水的沸点与海拔高度的对应关系见表1。

表1 气压、空气密度和水沸点与海拔高度的关系

试验台架主要由柴油机高海拔(低气压)模拟系统、CW260电涡流测功机、油耗仪、进排气压力传感器、温度传感器、空气和冷却水流量计等仪器设备组成。试验用柴油机为某型内燃叉车配备的自然吸气式柴油机，主要技术参数见表2。

表2 柴油机主要技术参数

1.2 热平衡试验原理

柴油机燃油燃烧产生的总热量一般可分为以下几个部分:转化为柴油机的有效功率、排气带走的热量、传入冷却介质的热量和余项热量损失(机体、缸盖和油底壳表面的散热量)。由此可得到柴油机的热平衡方程［3］为

式中:Qf为燃料燃烧产生的总热量;Qe为转化为有效功的热量;Qw为冷却液带走的热量;Qex为排气带走的热量;Qres为余项热量损失。

1.3 试验结果分析

试验时测量柴油机的有效功率、燃油消耗量、进排气温度及冷却系统各部件进出口处的温度和流量，数据记录仪采样时间间隔为30s。在每个试验工况，发动机进、出水温差的波动不超过0.1℃/min时，认为发动机达到了热平衡。

图2为柴油机额定工况热平衡时热量分布图。

从图2可知，在平原时，燃料燃烧放出的总热量约有38%转化为有效功率，排气散热量占总热量的35%，冷却液散热量为14%，余项热量损失约占13%左右。随着海拔的升高(大气压力降低)，由于进气量减少、燃烧恶化等原因，柴油机的有效功率和排气散热量下降，不完全燃烧造成的热损失、机体散失的热量和其他热损失不断增加。和平原相比，海拔5 000m时，有效功率所占比例下降了15.6个百分点，排气散热量比例下降了20.6个百分点，余项热量损失的比例增大了35.0个百分点，冷却液散热量所占比例变化不明显。

图3为不同海拔高度下柴油机排气温度随转速的变化趋势。

从图3可知，随着海拔高度的升高，发动机排气温度不断升高，柴油机热负荷增加;海拔每升高1 000m，发动机排气温度平均上升1.5% ～4.5%。随着海拔高度升高，大气压力下降，柴油机进气流量减少，而相同转速时柴油机供油量基本不变，因而过量空气系数减小，使发动机燃烧不充分，后燃严重，导致发动机排气温度升高。

2 冷却系统模型

2.1 高原大气压力的修正

大气压力和空气密度随海拔高度的增加明显减小，不仅使进气量减小，影响柴油机缸内燃烧，还改变冷却系统空气侧换热系数，使冷却系的冷却能力变差。

大气压力和海拔高度的对应关系为

式中:p0为标准大气压力;H为海拔高度。

2.2 散热器换热系数的修正

散热器的换热系数由散热器的结构形式、换热表面的传热特性(传热因子j)和传热介质的物性参数等决定［2］。大气压力变化对散热器水侧换热系数的影响可忽略［4］;而散热器空气侧的换热系数［5］为

式中:C、n为无因次常数;v为空气流速;λ为空气导热系数;ρ为空气密度;η为空气动力黏度;de为换热表面当量直径。

由式(3)可知，除了空气密度外，空气的其他物性参数随海拔变化不明显。空气密度随海拔高度升高明显降低，使得空气侧换热系数减小，最终导致散热量下降，冷却效果变差。

2.3 仿真模型

该柴油机冷却系统主要由水泵、散热器、节温器、膨胀水箱、发动机机体和气缸盖中的水套等组成。基于FlowMaster2软件建立的柴油机冷却系统仿真模型如图4所示。

2.4 模型验证

针对某型内燃叉车柴油机冷却系统，应用该仿真模型进行了计算，环境温度为10℃，部分试验数据和仿真结果的对比见表3。试验数据为柴油机在平原(海拔2m)和高原(海拔3 000m)额定工况达到热平衡时的冷却液温度。从表3可知，仿真结果与试验结果的误差小于5%，表明仿真结果是可信的。

表3 仿真结果与试验结果的对比

3 仿真结果和分析

图5为平原热平衡试验过程中发动机出水温度随时间的变化。试验时环境温度为10℃，发动机额定工况运行;节温器开启温度为75℃，全开温度为85℃。发动机出水温度随节温器开度在75～85℃范围内波动。

图6为环境温度为30℃、发动机额定工况运行达到热平衡时，发动机进出水温度随海拔高度的变化。从图6可知，发动机进出水温度随海拔升高逐渐增大，进出水温差逐渐减小;海拔高度为3 000、4 000和5 000m时，发动机的出水温度分别为84.2、94.4和105.4℃。值得指出的是，高原条件下使发动机热状况更加恶化的另一个重要原因是，水的沸点随着海拔高度的升高而降低。图6中同时示出冷却水沸点的曲线。由图可知，海拔高度达到4 000m之前，冷却液温度已超过沸点，发动机将出现“开锅”现象。为满足高海拔地区的冷却要求，须进一步强化冷却系的冷却能力，或采用密封加压式冷却系统，提高冷却水在高原的沸点。

表4为对原机型冷却系统改进后发动机进出水温度对比。保持其他参数不变，改进方案1中只增大风扇的体积流量，由0.84m3/s变为1.12m3/s;改进方案2中将散热器的换热效率从0.6提高至0.7;改进方案3中只改变水泵流量(120～220L/min)。

从表4可知，增大冷却风扇的流量(改进方案1)或提高散热器换热效率(方案2)均能提高冷却能力，发动机进出水温度得到了控制。水泵流量的变化(方案3)对发动机出水温度影响很小，进出水温升随流量增大而减小;当水泵流量达到一定值时，再增大水泵流量发动机出水温度反而有小幅的升高。因此，通过盲目提高水泵流量来降低发动机出水温度是不可取的［6］。

表4 改进前后发动机进出水温度对比

4 结论

(1)首次建立柴油机高海拔(低气压)热平衡试验台，研究了大气压力对柴油机机体冷却热平衡的影响，得到了不同海拔高度条件下柴油机的有效功率、冷却液循环散热量、排气散热量和其他余项热损失的分配比例，为验证仿真模型提供试验依据。

(2)建立的内燃叉车柴油机冷却系统热平衡模型可预测海拔高度(大气压力)变化对冷却系统性能的影响。仿真模型在一定程度上能够模拟内燃叉车柴油机冷却系统的传热过程，对冷却系统和各关键部件的性能进行评价，同时可指导冷却系统的设计与匹配。

(3)通过仿真计算证明该型内燃叉车柴油机冷却系统的热平衡性能不理想，当海拔高度超过4 000m、环境温度30℃时，冷却系统的冷却能力不能满足热平衡要求。通过增大风扇流量或提高散热器的换热效率，降低了柴油机出水温度，缓解了柴油机冷却系统的高原过热问题。

［1］刘瑞林，郑智，郝士祥，等.内燃叉车高原环境适应性研究［J］.军事交通学院学报，2010，12(4):52 －55.

［2］姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

［3］刘忠民，俞小莉，沈瑜铭.发动机热平衡试验研究［J］.浙江大学学报，2008，42(7):1247 －1250.

［4］汪茂海，陈涛，张扬军，等.高原发动机热管理系统性能分析研究［J］.汽车工程，2010，32(10):851 －853.

［5］李毅，李远才，刘景平.高原车用散热器的传热计算［J］.华中科技大学学报，2009，37(9):90 －93.

［6］成晓北，潘立，周祥军.车用发动机冷却系统工作过程与匹配计算［J］.汽车工程，2008，30(9):758 －763.