高压共轨柴油机高海拔热平衡模拟试验研究

许翔， 刘楠， 刘刚

(1. 军事交通学院军用车辆系, 天津 300161； 2. 海军工程大学研究生院, 湖北 武汉 430033)

高压共轨柴油机高海拔热平衡模拟试验研究

许翔1， 刘楠2， 刘刚1

(1. 军事交通学院军用车辆系, 天津 300161； 2. 海军工程大学研究生院, 湖北 武汉 430033)

在内燃机高海拔(低气压)模拟试验台上，对某高压共轨柴油机进行了模拟高原环境的热平衡试验，研究了海拔高度和冷却液温度对柴油机整机热流量分配的影响。结果表明：随着海拔的升高，转化为有效功的热量以及排气带走的热量逐渐下降，冷却液散热量逐渐增大，其他热量损失大幅增加；在相同海拔下，随着冷却液温度的升高，转化为有效功的热量和排气带走的热量逐渐增加，冷却液带走的热量大幅下降，其他热量损失明显增大；当海拔大于3 000 m后各项热流量分配的增幅或降幅变化更加明显。

高压共轨柴油机； 高原； 热平衡试验； 冷却液温度； 热流量

我国拥有世界上海拔最高、面积广阔的高原。高原环境大气压力下降、空气密度降低，对车用发动机的动力性、经济性、起动性、热平衡等性能产生显著影响[1]。由于现代车用发动机的强化程度越来越高，生产的热流密度明显增大，使得发动机零部件工作环境更加恶劣。尤其是在高原环境下，由于燃烧恶化使发动机受热零部件热负荷升高，空气密度下降导致发动机冷却系统的散热能力显著下降[2]，冷却水沸点随海拔升高而下降，以上因素共同作用导致车用发动机在高原使用时易出现排气管烧损、“开锅”、拉缸等故障，严重影响车用发动机在高原的正常使用。

目前国内外对发动机的热平衡研究主要集中在平原环境条件下[3-6]，高原环境条件下发动机的热平衡技术研究较少[7-8]。高原环境条件下车用发动机的热平衡问题在我国更加重要，为了研究燃料燃烧产生的热量在柴油机各系统中的分配情况，评价柴油机的热效率与设计水平，探索改善柴油机高原热平衡性能的技术途径，进一步提升高压共轨柴油机的高原环境适应性，本研究设计了柴油机高原热平衡模拟试验系统，开展了高压共轨柴油机高原热平衡性能模拟试验，研究了海拔(大气压力)和冷却液工作温度对高压共轨柴油机热流量分配等的影响规律，为高压共轨柴油机冷却系统的优化设计提供了参考依据。

1 试验装置与方法

1.1 柴油机高海拔热平衡模拟试验系统

柴油机高原热平衡模拟试验系统总体布置见图1。试验装置包括发动机进排气压力及温度模拟系统(海拔模拟范围0～6 000 m，大气温度模拟范围-41～35 ℃)、CW440电涡流测功机、CMFD瞬态油耗仪、LQY600冷却水恒温装置、ZL3000中冷恒温装置以及各种流量、温度和压力传感器等。试验测量参数主要包括燃油消耗量、进气流量、柴油机进出口冷却液温度、进排气温度和水泵流量等。试验用柴油机为1台经过喷油参数标定的重型高压共轨柴油机，其主要技术参数见表1。

1—测功机; 2—柴油机; 3—真空泵; 4—排气稳压箱; 5—进气稳压箱; 6—电动蝶阀; 7—进气流量计; 8—水流量计; 9—水泵; 10—压气机; 11—涡轮机; 12—节温器; 13—冷却水恒温; 14—中冷恒温; 15—温度计; 16—控制与采集系统 图1 柴油机高海拔热平衡模拟试验系统示意

表1 柴油机技术参数

1.2 试验条件及方法

试验环境温度为25 ℃，大气压力为100 kPa，湿度为40%。试验过程中，模拟海拔高度从平原(4 m)到5 000 m，每组试验间隔1 000 m。试验时柴油机全速全负荷运转，相同工况不同模拟海拔下喷油参数均保持不变。柴油机转速从900 r/min到2 100 r/min每隔400 r/min取1个转速测点。各测点柴油机内循环水流量保持基准流量，通过冷却液恒温装置将柴油机冷却液进口温度分别控制在50，60，70，80，90 ℃，当柴油机进、出水温差的波动不超过±0.1 ℃/min时，测量试验数据。

柴油机燃料完全燃烧产生的热量Qf一般可分为以下几个部分：转化为柴油机有效功的热量Qe、排气带走的热量Qex、冷却液带走的热量Qw以及余项损失Qres(柴油机机体、缸盖和油底壳等表面的散热量)，其中各部分热量的计算方法可参考文献[3],在此不再详细介绍。

柴油机的热平衡方程为

Qf=Qe+Qw+Qex+Qres。

(1)

2 试验结果与分析

2.1 海拔对热流量分配的影响

图2示出柴油机在标定转速时各种热流量分配比例随海拔的变化。当柴油机工况稳定时，随着海拔的升高，转化为有效功的热量和排气带走的热量均逐渐下降，而冷却水带走的热量和余项损失却逐渐增加。

图2 柴油机热流量分配随海拔的变化

图3示出柴油机转化为有效功的热量随海拔的变化。随着海拔的升高，转化为有效功的热量逐渐下降，海拔每升高1 000 m，转化为有效功的热量下降2.5%～8.4%，平均下降约11.1 kW，且低转速区下降幅度比高转速区大。随着海拔的升高，大气压力和空气密度下降，导致柴油机进气流量下降明显(见图4)，涡轮增压器效率下降，尤其是低转速下降更明显，当喷油参数不变时，缸内油气混合质量变差，燃烧恶化，平均指示压力减小，柴油机热效率下降，最终导致转化为有效功的热量下降[9]。

图3 转化为有效功的热量随海拔的变化

图4 柴油机进气流量随海拔的变化

由图5可看出，随着海拔的升高，冷却液带走的热量逐渐增加。海拔每升高1 000 m，冷却液带走的热量平均增加5.3%，约8 kW。由于大气压力的下降及空气密度的减小，使得柴油机进气流量减少，引起过量空气系数的下降，缸内燃烧不充分，后燃严重，导致柴油机缸内工质及活塞和缸体等受热零部件温度整体升高，在相同冷却液工作温度下，柴油机缸体冷却水套传给冷却液的热量也相应增大，且随着海拔的升高增幅明显增大。

图5 冷却液带走的热量随海拔的变化

排气带走的热量和排气温度随海拔的变化见图6和图7。随着海拔的升高，排气带走的热量逐渐下降，且高转速区下降幅度比低转速区大。海拔每升高1 000 m，不同转速下排气带走的热量平均下降了13.3 kW，约为4.6%。排气带走热量与进排气流量和排气温度有关，海拔每升高1 000 m，不同转速下进气流量平均下降了93.7 kg/h，下降约7.6%，且高转速区进气流量的下降幅度比低转速区要大。进气流量的减少会导致缸内油气混合变差、燃烧不充分，后燃严重，造成排气温度的升高。但是，柴油机排气流量的下降比排气温度的升高对排气带走的热量值影响更大，故最终导致了排气带走热量的下降。

图6 排气带走的热量随海拔的变化

余项损失随海拔的变化见图8。海拔每升高1 000 m，各转速下余项热量损失平均增加了16.4 kW，约为40.1%，增幅非常明显；高转速工况下余项热量损失的增幅最大。在喷油参数和燃料燃烧产生的总热量保持不变的前提下，高海拔条件下柴油机缸内燃烧恶化，热负荷增大，缸内工质、活塞和缸体以及机体等温度整体升高，导致大量热量通过高温机体以导热、对流或热辐射的方式散失。

图7 排气温度随海拔的变化

图8 余项损失随海拔的变化

2.2 冷却液温度对热流量分配的影响

当柴油机在最大扭矩工况下稳定运转，喷油参数不变，柴油机入口冷却液温度分别控制在50，60，70，80，90 ℃时，不同海拔下转化为有效功的热量变化见图9。在海拔为4，3 000，5 000 m时，冷却液温度每升高10 ℃，柴油机转化为有效功的热量分别增加了2.6%，2.9%和3.7%。在同一转速下，柴油机的热功转换效率随冷却液温度的升高而增大[10]。随着冷却液温度的升高，高海拔区域转化为有效功的热量增加的幅度更大，柴油机动力性提高得更明显。

图9 转化为有效功的热量随冷却液温度的变化

不同海拔下冷却液带走的热量随冷却液温度的变化见图10。柴油机本体传给冷却液的热量随冷却液温度的变化非常明显。冷却液温度每升高10 ℃，冷却液带走的热量平均降低了14.5%。当海拔、冷却液温度和流量一定时，影响冷却液带走热量的主要因素是缸内工质平均温度和冷却液与缸体水套之间的传热系数。海拔和冷却液温度对缸内燃气与气缸壁面之间的对流换热系数影响较小。由于高原缸内平均燃烧温度较高、热负荷大，气缸内工质温度和冷却液之间的温差更大。因此，随着冷却液温度的升高，高海拔区域相对于低海拔区域冷却液带走的热量下降幅度更大。

图10 冷却液带走热量随冷却液温度的变化

排气带走的热量随冷却液温度的变化见图11。排气带走的热量随冷却液入口温度升高而逐渐增大。在海拔4，3 000，5 000 m时，冷却液温度每升高10 ℃，排气带走的热量分别增加了1.9%，2.0%和3.0%。相对于低海拔区，在冷却液温度升高相同的幅度下，高海拔区冷却液带走的热量下降幅度更大，导致气缸内燃气内能增加的幅度更大，热量增加更多，而增加的热量大部分由废气排出柴油机体外，使得排气温度有更大程度的增加，进而导致排气带走的热量增加幅度更大。

图11 排气带走热量随冷却液温度的变化

由图12可看出，余项损失随冷却液温度的升高逐渐增大。冷却液温度每升高10 ℃，余项热量损失平均增加19.4%。在相同冷却液温度下，随着海拔的升高，余项损失不断增加，且海拔越高，增加的幅度越大。在冷却液温度升高相同幅度下，高海拔区相比于低海拔区，一方面缸内燃气温度升高更多，传递给柴油机零部件的热量更多，导致缸体表面散热量和辐射散热量更多，另一方面机油温度升高更多，油底壳散热量更大，从而造成余项损失增加的幅度更大。

图12 余项损失随冷却液温度的变化

图13示出柴油机在海拔5 000 m、标定转速时各部分热流量分配比例随冷却液温度的变化。由图可知，冷却液温度对冷却系统散热量以及通过柴油机机体、缸盖和油底壳等表面的散热量影响显著。当柴油机在高原地区工作时，柴油机冷却系统必须提供足够的冷却强度才能降低冷却液工作温度，进而控制柴油机的热负荷。

图13 海拔5 000 m热流量分配随冷却液温度的变化

3 结论

a) 海拔每升高1 000 m，转化为有效功的热量下降2.5%～8.4%，且低转速区下降幅度比高转速区大，冷却液带走的热量增加5.3%，排气带走的热量下降4.6%，且高转速区下降幅度比低转速区大，余项损失增加40.1%；

b) 冷却液温度每升高10 ℃，转化为有效功的热量和排气带走的热量平均增加3%，且随着海拔升高增幅变大，冷却液带走的热量降低14.5%，余项损失增加19.4%；

c) 在高海拔条件下，燃料释放的大部分热量损失在废热中，3 000 m是柴油机热流量分配发生变化的“拐点”，当海拔高度大于3 000 m后各项热流量分配的增幅或降幅变化更加明显；

d) 随着冷却液工作温度的改变，不同海拔柴油机热流量分配的变化规律基本一致，在保证柴油机热负荷满足使用要求的前提下，适当增大冷却液工作温度可以降低缸内传热损失，进而提高柴油机的热功转换效率。

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[2] 王宪成,郭猛超,张晶,等. 高原环境重型车用柴油机热负荷性能分析[J].内燃机工程,2012,33(1):49-53.

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[编辑： 潘丽丽]

Simulation Test on Thermal Balance of Common Rail Diesel Engine at High Altitude

XU Xiang1， LIU Nan2， LIU Gang1

(1. Department of Military Vehicle, Military Transportation Institute, Tianjin 300161, China;2. Postgraduate School, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The thermal balance performance of common rail diesel engine at different altitudes was studied on the plateau-simulated test bench. The influences of altitude and coolant temperature on heat flow distribution of diesel engine were analyzed. The results indicate that the converted heat from effective output power and the heat taken away by the exhaust gas decrease gradually, the transferred energy to coolant increases and the other unaccounted heat losses increase largely with the increase of altitude. At the same altitude, the converted heat from effective output power and the heat taken away by the exhaust gas increase gradually, the transferred energy to coolant decrease and the other unaccounted heat losses still increase largely with the increase of coolant temperature. It is also found that all the heat flow distributions change sharply beyond the altitude of 3 000 m.

high pressure common rail diesel engine; plateau; thermal balance test; coolant temperature; heat flow

2016-03-28；

2016-06-15

军内科研项目(ZL2012500)

许翔(1978—)，男，讲师，博士，主要研究方向为车用发动机环境适应性技术；xu1978@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.010

TK421

B

1001-2222(2016)06-0052-05