冷却介质温度对柴油发动机经济性影响的实验研究

杨　帅, 唐振华, 杨　雪, 周　毅, 万　晓

(1. 同济大学 汽车学院， 上海　201804； 2. 同济大学 新能源汽车工程中心， 上海　201804；3. 同济大学 环境科学与工程学院，上海　201804)



冷却介质温度对柴油发动机经济性影响的实验研究

杨帅1,2, 唐振华1,2, 杨雪3, 周毅1,2, 万晓1,2

(1. 同济大学 汽车学院， 上海201804； 2. 同济大学 新能源汽车工程中心， 上海201804；3. 同济大学 环境科学与工程学院，上海201804)

研究了增压直喷柴油机冷却系在不同冷却出水温度及不同进水出水温度差条件下的燃油经济性变化特征，测试了柴油机在最大扭矩转速和标定转速时不同负荷工况条件下冷却系统进水与出水温差变化对柴油机油耗的影响规律。实验发现：在冷却系出水温度处于较高恒定温度条件下,随着进水与出水温度差的减小,柴油机油耗呈现下降趋势；柴油机在大负荷工况时,最佳油耗特性出现在高出水温度和较小进水出水温度差的时刻。

增压直喷柴油机； 冷却温度； 经济性

高性能热管理系统一方面可以迅速暖机,以减少冷启动过程中的排放和机械损失。另一方面可以在发动机处于稳态工况时,尤其是部分负荷条件下维持高温来优化发动机热力特性,提高燃料经济性、动力性以及发动机寿命等[1-5]。大力开展节能减排,降低车用发动机油耗和排放已成为我国目前能源领域的重大研究课题[6-10]。发动机热管理技术的一个重要控制目标是可依据发动机处于不同工况时,在满足燃油经济性最佳条件下发动机达到热平衡状态时冷却介质的出口温度,对发动机风扇,水泵和节温器阀门进行实时控制,最终使发动机经济性得到优化[11-16]。本文设计开发了发动机热管理系统实验平台,利用发动机测功机、油耗仪等设备,寻找出当前工况下发动机基于经济性最佳状态时冷却介质的实际出口温度。在建立了发动机冷却系热管理试验平台基础上,研究了冷却水参数对发动机油耗特性的影响规律。

1　实验平台简介

本文实验样机是一台直列4行程增压直喷中冷柴油机,标定功率和转速分别为132kW和2 300r·min-1,最大扭矩和转速分别为660N·m和1 400r·min-1,压缩比为18,怠速转速为700r/min。实验用油为国Ⅳ柴油。主要测试仪器包括：AVLAPA电力测功机,用于测量和控制发动机扭矩和转速；AVLPumaopen测试系统包含了AVL735、753、553、554、415及多种气体分析仪等硬件,其中AVL735用于测量燃油耗，AVL753用于控制燃油温度，AVL553用于测量和控制发动机循环水温度，AVL554用于测量机油温度，AVL415用于测量柴油机烟度，柴油机性能试验依据GB1105—87《柴油机台架性能试验》标准。

具体实验平台与设备如图1所示。实验过程中,在发动机测试台架的冷却水路加装了液体流量计,以测试发动机循环水体积流量。测试时,利用电力测功机控制台控制冷却水循环泵的循环流速,以达到控制发动机内部冷却水的瞬时流量。利用发动机水温控制系统控制冷却水温度,即发动机的进水温度。综合发动机实验台冷却水循环泵和水温控制系统可以对发动机进水温度,发动机循环水流速进行同时控制,即可实现对发动机进出水温差的控制。

图1　发动机实验台测试设备

2　结果分析

实验过程中,控制发动机冷却水出水温度90 ℃,通过实验台循环泵控制循环水流量,实现了改变发动机冷却系进水与出水温度差的功能,此时的控制策略是让柴油机的循环冷却水循环量增加,实现进水与出水温度差减小。实验发现,循环水流量越快,进出水温度差越小。图2是不同冷却水循环流量条件下,柴油机在最大扭矩转速时(1 400r/min)的负荷特性油耗变化图(图中T为扭矩，η为油耗)。从图2可以发现：柴油机在低负荷(小扭矩)工况时的油耗大于高负荷时的油耗；在柴油机处于低负荷工况时,当柴油机内部的循环水流量减少、同时为了保持发动机散热平衡,

图2　发动机在1 400 r/min时不同冷却水循环量条件下负荷特性油耗对比

即增大柴油机进水与出水的温度差,则柴油机在相同负荷条件时的油耗相对增加；当柴油机扭矩T从340Nm向高负荷增加时,当提高冷却水循环量时柴油机的油耗之间的差别减小。图3是柴油机转速在1 400r/min时不同进水与出水温度差油耗曲线对比,从图3中可以发现：在柴油机处于中低负荷工况时,进水与出水温度差Δt增加,油耗也增加；在柴油机处于大负荷工况时,进水与出水温度差增加,但是油耗之间的差别变化并不明显。

图3　发动机在1 400 r/min时不同进水与出水温度差油耗曲线对比

图4是不同冷却水循环流量条件下,柴油机在标定转速(2 300r/min)时的负荷特性油耗变化图。从图4可以发现,柴油机在低负荷工况时的油耗大于高负荷时的油耗。在柴油机处于低负荷工况时,当柴油机内部的循环水流量减少,即增大了柴油机进出水的温度差,柴油机在相同负荷条件时的油耗也相对增加；当柴油机的扭矩从282Nm向高负荷增加时,在相同负荷条件下,增加冷却水循环量,柴油机的油耗降低。图5是柴油机在标定转速时不同进水出水温度差油耗曲线对比,从图中可以发现,在柴油机处于不同负荷工况时,进水出水温度差增加,则油耗也增加。

图4　发动机在2300 r/min时不同冷却水循环量条件下负荷特性油耗对比

图5　发动机在2 300 r/min时不同进水与出水温度差油耗曲线对比

3　结论

(1) 发动机出水温度恒定在90 ℃时,随着冷却水环量循的增加,即改变了进水温度,则油耗成增加趋势。结合发动机负荷特性油耗对比,及发动机不同进水与出水温度差油耗对比,在柴油机处于低负荷条件下,进出水温度差增加,油耗也随之增加。

(2) 发动机在大负荷工况时,最佳油耗特性出现在高出水温度、较小进出水温度差之时。

(3) 柴油机在实际车辆运行过程中,发动机的转速和水泵转速是成正比的,随着发动机转速增加,循环

水冷却量也增加。由此可以发现,在发动机处于中高转速、中高负荷工况下,在保证安全的出水温度条件下尽可能使进出水温差减小,对发动机的油耗会有减小作用。

References)

[1] 周龙保.内燃机学[M].3版. 北京:机械工业出版社,2011.

[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] 杨世铭,陶文铃.传热学[M]. 北京:高等教育出版社,1998.

[4] 齐斌,倪计民,顾宁,等.发动机热管理系统试验和仿真研究[J].车用发动机,2008(4):40-43.

[5] 顾宁,倪计民,仲韵,等.基于KULI的发动机热管理瞬态模型的参数设置与仿真[J].计算机应用,2009(7):1963-1965,1977.

[6] 李云龙,王湘卿,王敬,等.车辆动力舱冷却风道流场的仿真研究[J].车辆与动力技术,2005(3):27-31.

[7] 袁侠义,谷正气,杨易,等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程,2009(9):843-847.

[8] 周建军,杨坤.数值模拟在整车热管理中的应用[J].上海汽车,2009(7):16-17.

[9] 梁小波.运用一维/三维耦合仿真的汽车热管理分析[J].汽车工程,2010(9):793-798.

[10] 张宝亮,范秦寅.整车热管理的一维与三维耦合仿真[J].汽车工程,2011,33(6):492-496.

[11] 邓义斌,黄荣华,王兆文,等.车辆热管理系统及其研究[J].汽车工程师,2011(1):52-62.

[12] 郭新民,邢娟,袁燕利,等.汽车发动机电动冷却风扇控制系统的研究[J].汽车电器,1996(5):13-15.

[13] 翟丽,齐自成,王新源,等.汽车发动机冷却系统的单片机控制[J].农机化研究,2001(2):38-39.

[14] 卢广峰,郭新民,孙运柱,等.汽车发动机冷却系统的发展与现状[J]. 农机化研究,2002(2):129-131.

[15] 傅寿宇,郭新民,张坤,等.柴油机双回路冷却系统的设计和试验[J]. 内燃机学报,2010(3):265-268.

[16] 孙新年,郭新民,杨文霞,等.装载机冷却系统控制装置设计与试验研究[J]. 内燃机学报,2008(2):188-191.

Experimentalstudyoneffectsofcoolingmediatemperatureonfueleconomycharacteristicofdieselengine

YangShuai1,2,TangZhenhua1,2,YangXue3,ZhouYi1,2,WanXiao1,2

(1.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804,China； 2.NewEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804,China； 3.CollegeofEnvironmentScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Theruleoffueleconomiccharacteristicwasstudiedwhencoolingsystemwatertemperaturedifferencewaschangingonaturbochargeddirectinjectiondieselengine.Whenthedieselenginewasindifferentloadoperationconditionsatthemaximumtorqueandthemaximumratedspeed,theeffectsofthecoolingwatertemperaturechangesatinletandoutletonthefuelconsumptionaretested.Thetestresultsshowthatwhentheoutletwatertemperatureundertheconstantcondition,withthedecreaseofinletandoutletwatertemperaturedifference,thefuelconsumptionofdieselengineisdeclining;whenthedieselengineisunderthehighloadcondition,theoptimalfuelconsumptioncharacteristicsappearwhentheoutletwaterisathightemperatureandthetemperaturedifferencebetweeninletandoutletislower.

turbochargeddirectinjectiondieselengine;coolingtemperature;fueleconomy

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.014

2016-01-24修改日期：2016-03-17

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目；同济大学课程建设实验教改资助项目；同济大学教学改革资助项目；同济大学精品实验资助项目

杨帅(1980—)，男，上海，博士，副教授，研究方向为车用动力系统性能研究与开发.

E-mail：mermaid04@126.com

TK421.5

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1002-4956(2016)7-0055-03