柴油机城市拥堵工况冷却系统传热分析

熊思琴 周欢

摘要：试验采用模拟城市拥堵工况即选取了怠速、启停、加速-减速工况，分别对4105ZL柴油机热机状况下的机体燃烧室缸盖及冷却水套布置的测温点进行测温。结果表明：小循环模式下，鼻梁区高温位置更易出现过冷沸腾传热，热机怠速时间越长冷却效果越差，适当减少冷却液流量可利用过冷沸腾增强换热;频繁启停发动机过冷沸腾受抑制，不利于发动机散热;增加大循环冷却液流量提高热机状态下循环加速-减速缸体散热程度。

关键词：怠速;启停;加速-减速;过冷沸腾

中图分类号：TK428                                   文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2021）16-0073-02

0  引言

近年来柴油机技术由于电气程度增加，综合性能得到极大提升的同时其输出功率、强化程度、热负荷程度也随之增加，冷却系统对柴油机的热负荷控制起着关键的作用。冷却不足，做功与排气部分的热量将会增加，整机的动力性和经济性得到提升，但部分零部件承载的热负荷快速增加，致使长期处于该情况中的机械零部件出现热疲劳、热变形，严重影响着柴油机的工作可靠性与耐久性等问题，而冷却过量会造成柴油机动力性与经济性能下降问题。

重庆受其地形地貌条件限制，其道路等级低、狭窄且线形复杂，近十年的发展市内建筑数量翻番人口密集，红绿灯陡然增加，致使城市行驶工况下柴油机车辆需要频繁起步、怠速、加速、制动等操作，车辆处于低速行驶状况，燃烧室内燃烧情况较差，排放物颗粒物和NOX增加，为了解城市工况下长期处于低速运行的柴油机内部传热特性以及传热特点，本文中以4105ZL型柴油机作为研究对象，试验模拟城市拥堵工况研究其机体及冷却水套进水侧和排气侧的温度场，获得其温度分布规律，了解拥堵工况下冷却系统的传热特点，为城市工况下冷却系统的冷却策略提供依据。

1  试验设备及方案

试验发动机为轿车用潍柴4105ZL型柴油机，其相关技术参数见表1所示。

1.1 温度的测量方法

由于发动机热电偶法能够较为方便地测得各种工况下的发动机相应零件温度，测量精度较高且成本相对较低，确定在本次试验中温度测量采用热电偶法。

1.2 测温布置点

缸盖测温点选取1缸和3缸进排气门中间鼻梁区，电偶探头直径2mm，进排气鼻梁区中轴位置测点1、3，距进排气鼻梁区中轴位置8mm测点2、4，其测点分布如图1所示。水套测温点冷布置在缸体水套的水平面上，1缸、3缸进水侧测点5、测点7和排气侧测点6、测点8，如图2所示。

1.3 实验布置

台架冷却散热系统由水泵、发动机冷却水腔、换热器旁通水路、散热器、膨胀水箱及内部循环管路等组成。（图3）

2  温度测量结果及分析

2.1 怠速温度分析

根据表2（缸盖测温点温度）中怠速变化过程中各测温点温度分析可看出，怠速时间从3分钟达到10分钟时，3缸鼻梁区测温点3温度总计增加了20℃，测温点4温度总计增加20.9℃，1缸鼻梁区测温点1处温度增加了21℃，测温点2温度却增加了22.2℃;5分钟时3缸水套进排侧冷却液温差为3.1℃、15分钟时2.2℃，1缸水套进排侧水温差分别为2.7℃、1.6℃。发动机怠速情况下转速未发生变化，单位时间内冷却液流量保持不变，随着怠速时间增加缸内温度攀升，缸壁与水套壁温温差出现逐渐增大趋势，致使缸壁与冷却液温差增大。根据鼻梁区测点1、3经冷却后的温升程度稍低于测点2、4，说明1、3处换热程度更高，测点1、3属于气缸中的高温鼻梁区域，水温处于较高状态，冷却液与缸壁过冷度较小的位置出现过冷沸腾，增加了冷却液换热能力，在冷却液流量不变的情况下狭窄水腔内部更易于出现过冷沸腾现象，相同时间内传热增加，致使进排两侧温差增大，但该位置温升幅度减小。随着怠速时间增加过冷度增大，热交换程度降低。

2.2 启停温度分析

分析表2中启停过程中缸盖测得温度发现：随着启停频率增加，发动机热负荷增加，从5次/10min到15次/10min变化过程中，热机1缸鼻梁区测温点1温升增长率为11.7%远低于冷机测温点1的71.5%，同等情况下热机3缸测温点3温度增长率12.38%远低于冷机测温点3的73.7%;热机状态下随着启停频率增加，1缸、3缸水套进排侧水套温差呈现降低趋势，比较热机1缸测温点1的最大温升为21.1℃与测温点2最大温升19.8℃，3缸测温点3的最大温升为22.4℃与测温点2最大温升20.4℃，表明冷却液带走的热量呈减少趋势，且进排气门鼻梁区位置测点1、3的温升高于非鼻梁区测点2、4，说明启停次数的增加使得缸体温度增加增大了过冷度，气缸盖发生的过冷沸腾传热程度降低，发动机缸盖出现快速温升。

2.3 加速-减速温度分析

观察表2中循环加速-减速模式下缸盖温度可随着循环频率增加，水套进排两侧温差无太大变化，气缸盖温度攀升幅度最大为9.2%，由于加速-减速循环提高了发动机转速，且缸体温度处于较高状态，发动机冷却系统进行大循环，增加了冷却液单位时间内的流量，促进发动机整体冷却程度增加，再观察测温点1、3与2、4，均有着1、3温度增加幅度分别高于2、4，随着冷却液流量的增加，气缸盖传热以对流换热方式进行，鼻梁区冷却液流量低于非鼻梁区，致使其冷却程度降低，但发动机冷却液冷却能力降低。

3  结论

①怠速状态下发动机转速较低，发动机冷却系统混合循环模式，即城市工况下车辆怠速大都处于热机状态，怠速时间越长，冷却液与缸壁过冷度增大，鼻梁区过冷沸腾程度降低，冷却液热交换程度受抑，缸体易出现局部过热情况。在此种工况下，可利用过冷沸腾增加冷却系统换热能力，即进一步减少循环冷却液量，提高冷却液温度，降低过冷度，增加散热程度。②启停工况发动机冷却系统小循环模式，随着频率增加缸体温度增加热机冷却系统过冷度增加，换热能力一定程度降低。③循环加速-减速工况发动机冷却系统大循环模式，随着循环加速-减速次数的增加，缸体温度上升幅度逐渐增加，鼻梁区未出现过冷沸腾传热，此时应通过增加冷却液流量增加对发动机的散热程度。

参考文献：

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