高原环境下柴油机冷却系统性能仿真

刘建敏，康琦，王普凯，刘艳斌，董意

(陆军装甲兵学院车辆工程系，北京 100072)

我国拥有世界上面积最大的高原，平均海拔在2 000～4 500 m，约占我国国土面积的1/3[1-2]。高原条件下，柴油机缸内燃烧恶化、冷却系统传散热能力降低，若不加控制和处理，将会严重影响高温部件与冷却液之间的传热，导致柴油机出现功率下降、水油温升高超限、热负荷过高、可靠性下降等问题，最终严重影响装甲车辆的作战性能[2-5]。因此，研究不同海拔下柴油机及其冷却系统性能的变化规律具有较强的实际意义。

本研究以某装甲车辆柴油机及其冷却系统为研究对象，建立了高原环境下柴油机工作过程和冷却系统的一维模型，采用直接耦合方法实现了工作过程和冷却系统之间流动与传热边界条件双向传递，完成对柴油机及其冷却系统更为精准的稳态计算。通过高原模拟台架试验数据验证了模型的正确性，进而研究了高原环境对柴油机及其冷却系统性能的影响规律。最后以柴油机出口水温不超过报警值为目标，计算求得了柴油机最大允许负荷和风扇最小体积流量增幅MAP图。

1 理论分析

1.1 冷却系统传热分析

冷却系统的传热主要集中在散热器部件上，该装甲车辆采用管带式紧凑散热器，冷却方式为强制风冷。散热器内部热流和冷流的传热及散热器传热量[6]可采用式(1)和式(2)计算求得。

(2)

式中：QM，QS和QR分别为冷却液、空气和散热器散热量；mM，mS分别为冷却液和空气质量流量；CpM，CpS分别为冷却液和空气比热容；TM′，TM″分别为冷却液入口和出口温度；TS′，TS″分别为空气入口和出口温度；KR为散热器传热系数；AR为散热器传热面积；ΔTm为散热器对数平均温差。

管带式散热器和大气接触的散热片，在传热计算上可当作肋片处理[6]，其传热系数为

(3)

式中：hM，hS分别为热流体与壁面间对流传热系数和冷流体与肋表面间对流传热系数；δ，λ分别为肋片厚度和导热系数；β，η分别为肋化系数和肋化效率。

通过传热计算理论分析，可以发现大气热力参数主要通过改变散热器传热系数、流经散热器的空气质量流量和冷热流体对数平均温差等参数来影响冷却系统的散热性能。

1.2 海拔对冷却参数影响分析

1.2.1海拔对传热系数的影响

海拔主要是影响散热器冷侧对流传热系数进而影响传热系数，分析冷侧对流传热系数随海拔的变化规律，对不同海拔的传热系数进行修正。

对流传热系数通过努赛尔关联式[7]计算得到：

(5)

联立以上得到对流传热系数：

(6)

式中：h为流体与壁面间对流传热系数；k为流体热传导率；L为特征长度；μ为流体动力黏度；Cp为流体比定压热容；ρ为流体密度；v为流体流动速度。

将式(6)代入式(3)，即可求得散热器传热系数。

分析式(6)中各参数，只有流体密度随海拔升高而明显减少，从而使冷侧对流传热系数明显减少，最终导致散热器能力不断下降。

1.2.2海拔对散热器空气质量流量的影响

流经散热器的空气质量流量由冷却排风扇性能和系统阻力共同决定[8]，分析流经散热器的空气质量流量随海拔的变化规律，对不同海拔的空气质量流量进行修正。

根据风机流量相似和扬程相似定律[8]建立不同海拔体积流量和压力的数学模型(见式(7))。

(7)

对于同一台风扇，尺寸相同，即Dalt=D0，且H=P/ρ，则式(7)可写成：

(8)

式中：Q为风扇体积流量；D为风扇几何尺寸；V为风扇转速；H为风扇扬程；Δp为风扇压差；ρ为空气密度；下脚标alt、0分别代表高海拔和海平面。

从式(8)可得：不同海拔下冷却风扇的体积流量和转速成正比；冷却风扇的压差和转速平方成正比，和密度成正比。

空气流动阻力[8]计算式为

(9)

式中：ρ为空气密度；V为空气流动速度；f为摩擦因数；L为特征长度；D为水力直径；Q为体积流量；A为流通面积。

对于空气侧来说，其流动状态一般为紊流，其摩擦因数f值变化不大，可视为常数。则从式(9)可以看出，系统阻力和空气密度成正比，和体积流量平方成正比。

在实际工作点，风扇压差等于空气流动阻力，即Δpalt=ΔP。将式(8)和式(9)代入可知：不同海拔风扇工作点对应的体积流量相同，即其工作点对应的质量流量与空气密度成反比。

2 模型建立

2.1 柴油机工作过程模型

某柴油机的基本参数见表1。根据柴油机工作过程数值仿真的基本理论，建立了柴油机工作过程仿真模型。参考文献[9]高原标定方法对工作模型进行了修正。

表1 柴油机基本参数

2.2 冷却系统模型

2.2.1散热器模型

散热器传热计算公式[10]为

(10)

式中：ρ为壁面材料密度；V为壁面体积；Cp为壁面材料比热容；h为流体与壁面间对流传热系数；A为冷、热流体与壁面传热面积；ΔT为流体与壁面间温差；下脚标M、S分别代表散热器热侧和冷侧。

该装甲车辆使用的水散热器结构型式和参数见表2。

表2 散热器结构型式及参数

2.2.2水泵模型

水泵流量-扬程数值仿真模型是根据水泵特性试验数据建立。水泵特性曲线[11]定义如下：

(11)

(13)

水泵由柴油机曲轴按固定传动比1∶1.5驱动，流量-扬程特性曲线见图1。

图1 水泵流量-扬程特性曲线

2.2.3风扇模型

该冷却系统采用叶片后弯型式的离心式冷却风扇，风扇特性曲线同水泵特性曲线的定义相似。

其他转速下的风扇特性通过相似准则计算：

(15)

式中：nr为风扇参考转速；na为风扇实际转速；Δpr为参考全压；Δpa为实际全压。

2.3 柴油机及其冷却系统耦合模型

根据柴油机及其冷却系统数值仿真理论，利用GT-suite软件[12-14]建立柴油机工作过程和冷却系统模型，采用直接耦合方法实现工作过程和冷却系统之间流动与传热边界条件双向传递，进而可以实现对柴油机及其冷却系统更为精准的稳态计算。其中大气环境为冷却风扇、散热器冷侧和柴油机进排气管路的数值计算提供边界条件。

柴油机及其冷却系统耦合模型见图2。图3至图7为其子模型，同时示出各个子模型相互连接关系，图4至图7共同构成柴油机冷却系统模型。其中，图3示出柴油机工作过程模型，包括进排气系统、涡轮增压系统、喷油器、缸盖-活塞-缸套和曲轴箱等；图4示出柴油机传散热模型，包括柴油机本体冷却水道、气缸套、气缸盖和机油回路等；图5和图6分别示出冷却液和机油散热模型,包括水泵、水散热器热侧、膨胀水箱和机油散热器热侧等；图7示出动力舱传热模型，包括冷却风扇、水散热器冷侧和机油散热器冷侧等。

图2 柴油机及其冷却系统耦合模型

图3 柴油机工作过程模型

图4 柴油机传散热模型

图5 冷却液散热模型

图7 动力舱传热模型

3 模型验证

为验证耦合模型的准确性，在标定工况下进行了高海拔台架热平衡试验，试验采用-10号柴油，冷却液为软化水，大气温度为25 ℃。将海拔1 000 m，3 700 m和4 500 m条件下的柴油机出口水温、散热器散热量、水泵流量和柴油机功率等参数的试验值和仿真值进行对比，结果见表3至表5。

表3 海拔1 000 m时标定工况试验值与仿真值对比

表4 海拔3 700 m时标定工况试验值与仿真值对比

表5 海拔4 500 m时标定工况试验值与仿真值对比

试验值和仿真值的最大误差为5.58%，满足工程计算的精度要求，验证了柴油机及其冷却系统耦合模型的准确性。

4 计算结果及分析

通过改变柴油机及其冷却系统耦合模型的边界条件，分析研究了不同海拔外特性工况下柴油机及其冷却系统性能。

4.1 柴油机出口水温变化规律

柴油机出口水温变化曲线见图8。由图8可以看出：1)柴油机出口水温随海拔升高而升高，海拔每升高1 000 m，柴油机出口水温平均升高5%，可以看出高原环境对柴油机出口水温影响较为显著。一方面是因为大气压力下降、空气密度减小，导致柴油机进气量减少，后燃现象严重，缸盖和气缸套等受热部件温度升高；另一方面是因为高海拔条件下散热器散热能力下降。2)从0 m升高到5 000 m柴油机出口水温最大升高25.96%，最小升高19.16%，柴油机转速越高，海拔对出口水温影响越明显。这是由于柴油机高转速时空气需求量大，对缸内燃烧影响更显著，后燃现象更严重，缸内热负荷更高。3)出口水温在转速1 400 r/min时最高，在转速2 000 r/min时最低，并且随着海拔升高，温差减少。这一方面是转速为1 400 r/min时最接近柴油机的最大扭矩工况，此时热负荷较高；另一方面柴油机转速越高，流经散热器空气流量越大，散热器散热能力越强。4)柴油机出口水温报警温度为103 ℃，因此该装甲车辆在海拔1 000 m以下时可以正常使用；在海拔1 000～2 600 m时高转速区可以正常使用，低转速区需要降负荷使用；在海拔2 600 m以上时冷却液温度过高，必须降负荷或者提高冷却系统散热能力后使用。

图8 柴油机出口水温随海拔的变化

4.2 散热器性能变化规律

4.2.1散热器冷侧对流传热系数

柴油机散热器冷侧对流传热系数变化曲线见图9。由图9可以看出：1)散热器冷侧对流传热系数随海拔升高而减小，并且海拔越高对流传热系数减少幅度越小。海拔每升高1 000 m，对流传热系数平均减小9.36%，其中转速2 000 r/min时，海拔从0 m升高到5 000 m，对流传热系数降低4 904.79 W/(m2·K)，可以看出高原环境对散热器冷侧对流传热系数影响显著。这是由于随着海拔升高，空气密度显著减小，根据式(6)可知对流传热系数随之减小。2)散热器对流传热系数与柴油机转速近似呈正线性关系。这是由于柴油机转速越高，流经散热器的空气流速越大，根据式(6)可得对流传热系数随之增加。

图9 散热器对流传热系数随海拔的变化

4.2.2散热器散热量

柴油机散热器散热量变化曲线见图10。由图10可以看出：1)散热器散热量随海拔升高而减少，海拔每升高1 000 m，散热量平均减小6.25%，并且海拔越高散热量减少幅度越大。这是由于一方面海拔越高，散热器冷侧对流传热系数越小，另一方面海拔升高，空气密度下降，在相同的空气体积流量下，空气质量流量减少。2)从0 m升高到5 000 m散热器散热量最大降低38.73%，最小降低25.66%，柴油机转速越低，高原环境对散热量影响越明显。这是由于柴油机低转速时空气进气量需求小，导致缸内后燃程度较低，热负荷增加少。

图10 散热器散热量随海拔的变化

4.3 风扇性能变化规律

柴油机风扇质量流量变化曲线见图11。由图11可以看出：1)风扇质量流量随海拔升高而减小，海拔每升高1 000 m，质量流量平均减小11.20%，并且海拔越高，质量流量减小幅度越小。这是由于海拔升高，大气压力下降，空气密度减小，并且风扇工作点的体积流量近似相等。2)不同转速下从0 m升高到5 000 m，风扇质量流量下降比例为56%左右，近似相等。这是由于在体积流量相同的情况下，只有空气密度对风扇质量流量有显著影响，而空气密度与海拔有关，与转速无关。

柴油机风扇扬程变化曲线见图12。由图12可以看出：1)风扇扬程随海拔升高而降低，海拔每升高1 000 m，风扇扬程平均减小7.38%。这是由于海拔升高，空气密度减小，根据式(9)可得空气流动阻力减少。2)不同转速下从0 m升高到5 000 m，风扇扬程下降比例为37%左右，近似相等。这是由于在风扇转速一定情况下，空气流动速度和摩擦因数近似不变，只有空气密度对空气系统阻力有显著影响。

图11 风扇质量流量随海拔的变化

图12 风扇扬程随海拔的变化

4.4 柴油机动力性和经济性变化规律

柴油机功率变化曲线见图13。由图13可以看出： 1)柴油机功率随海拔升高而减小，海拔每升高1 000 m，功率平均减小3.55%。这是由于海拔升高，大气压力和空气密度下降，导致进气流量明显下降，当喷油量一定时，缸内油气混合质量变差，后燃现象严重，有效指示压力降低，最终导致柴油机功率下降。2)海拔从0 m升高到5 000 m，功率最大降低35.48%，最小降低11.02%，柴油机转速越低，高原环境对功率影响越明显。这是由于低速时增压器补偿作用减弱，压比降低。

柴油机燃油消耗率变化曲线见图14。由图14可以看出：1)燃油消耗率随海拔升高而增加，海拔每升高1 000 m，燃油消耗率平均增加4.67%。这是由于海拔升高，进气流量下降明显，导致燃烧缺氧，在循环供油量一定条件下，热效率下降。2)从0 m升高到5 000 m，燃油消耗率最大增长54.99%，最小增长12.39%，柴油机转速越低，高原环境对燃油消耗率影响越明显。这是由于低速时热效率低，且受进气状态影响较大。

图13 柴油机功率随海拔的变化

图14 燃油消耗率随海拔的变化

5 柴油机冷却系统匹配与改进

由第4.1节可知，该装甲车辆在海拔1 000～2 600 m低转速状态和海拔2 600 m以上时冷却液温度过高，必须降负荷或者提高冷却系统散热能力后使用。参考文献[2]和文献[7]，采用降低柴油机负荷和增加风扇体积流量两种方式来降低出口水温，使其满足使用要求。

在GT-suite中单独改变柴油机负荷和风扇体积流量两个参数，以出口水温不超过报警值为目标进行迭代计算，得到不同海拔不同转速下柴油最大允许负荷和风扇体积流量最小增幅MAP图(见图15和图16)。

图15 柴油机最大允许负荷MAP图

图16 风扇最小体积流量增幅MAP图

6 结论

a) 海拔每升高1 000 m，柴油机及其冷却系统产生如下性能变化：柴油机出口水温平均升高5.01%，且高速区下降幅度比低速区大；散热器冷侧对流传热系数平均减小9.36%，高低速区下降幅度近似相等；散热器散热量平均减小6.25%，且低速区下降幅度比高速区大；风扇质量流量平均减小11.20%，高低速区下降幅度近似相等；风扇扬程平均减小7.38%，高低速区下降幅度近似相等；柴油机功率平均减小3.55%，且低速区下降幅度比高速区大；燃油消耗率平均增加4.67%，且低速区下降幅度比高速区大。

b) 该装甲车辆在海拔1 000 m以下时可以正常使用；在海拔1 000～2 600 m时高转速状态可以正常使用，低转速状态需要降负荷使用；在海拔2 600 m以上时冷却液温度过高，必须降负荷或者提高冷却系统散热能力后使用。

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