冷却液物性参数对柴油机缸盖冷却性能的影响

向红林 杜巍

摘要：  为探索发动机冷却液各物性参数对发动机冷却性能的影响规律，针对某大功率柴油发动机气缸盖，在通过台架试验验证仿真计算的准确性和可靠性的基础上，利用数值模拟、相关性分析和回归分析确定了冷却液密度、比热容、导热系数和沸点对气缸盖水套表面最高温度、火力面最高温度、冷却液进出水口温差和缸盖内气体体积的影响规律、影响显著程度及拟合关系式，同时对比了50%体积浓度乙二醇水溶液和水的冷却效果。结果表明：水套表面最高温度、火力面最高温度均与密度、比热容、导热系数成正相关，与沸点成负相关，前者受沸点和导热系数影响较大，后者受沸点影响较大；进出水口温差与密度、比热容、沸点成负相关，与导热系数成正相关，且其受比热容影响较大；气体体积与4个物性参数均成负相关，其受比热容和沸点影响最大。由回归分析得出了水套表面最高温度、火力面最高温度、进出水口温差和气体体积关系式，各关系式误差分别在1%，0.5%，10%和30%以内。另外，在同等条件下，水的冷却效果比50%体积浓度的乙二醇水溶液的冷却效果好。

关键词：  冷却液；物性参数；气缸盖；冷却性能；相关性分析；回归分析

DOI  ：   10.3969/j.issn.1001-2222.2024.01.005

中图分类号：  TK422   文献标志码：  B   文章编号：   1001-２２２２（２０24）０1-００28-０9

发动机作为车辆的动力来源，高功率密度一直是其主要发展方向，随着功率强化水平的不断提高，发动机热负荷也不断增大，这对发动机冷却性能提出了更高的要求。对此，国内外学者对水套结构［1-2］、发动机材料［3-5］、过冷沸腾传热机制［6-8］和冷却介质［9-11］等方面进行了大量研究。

冷却液种类繁多，纳米流体冷却液、乙二醇型冷却液、丙二醇型冷却液、水等不同类型的冷却液具有不同的性能和优缺点。Ali等［12］在冷却液中分别加入氧化铝和二氧化钛纳米材料，发现较传统乙二醇水溶液，加入纳米材料后发动机水套壁面温度分别降低了7%和6.7%。Karagoz等［13］将氧化铜纳米颗粒掺杂入冷却液，与水作为冷却液时相比，随着氧化銅纳米颗粒浓度的提高，发动机在各功率下的传热性均能得到提升，最高可提高40%。Masoud等［14］通过研究四氧化三铁-银混合纳米流体在不同颗粒浓度下的黏度，发现当纳米颗粒浓度高于0.3%时，就会表现出非牛顿特性，这对于传热将起到负面影响。侯献军等［15］通过对比0%～1%浓度的石墨烯/氧化铝纳米冷却液也发现：与基液相比，当粒子浓度分别为0.1%，0.5%和1%时，导热系数分别提高3.2%，5%和10%，且导热系数随着冷却液温度的增大而增大，但是随着温度的进一步增加，出现粒子聚团和沉降，增长率呈现出下降趋势。骆清国等［16］研究了水、复合氧化物纳米流体、45号冷却液、自制130号冷却液和无水丙二醇5种冷却液对发动机性能的影响，结果表明：在相同条件下使用这5种冷却液，火力面温度和缸内爆发压力依次升高，而燃油消耗率依次减少。Dong等［17］对比使用常规乙二醇溶液和无水丙二醇冷却液时的工作温度、排放及燃油消耗率，发现当入口温度为80 ℃时，进出水口温差分别为2.1 ℃和0.77 ℃，润滑油温度均上升了5 ℃左右；在冷却水95 ℃和大负荷工况下，使用常规乙二醇溶液较无水丙二醇冷却液时NO  x 排放减小30%，但其余污染物排放增大；使用无水丙二醇冷却液时燃油消耗较常规乙二醇溶冷却液降低3.11%。朱振华等［18］以50%乙二醇水溶液为冷却介质，对比了不同进水温度下气缸盖的最高温度，结果表明入口温度为91.45 ℃和101.65 ℃时，缸盖最高温度分别为347.26 ℃和352.38 ℃，且均出现在排气门和油嘴之间的区域。Zhao等［19］提出流体在不同温度下的物性参数不同，通过试验测量管内传热参数和管壁温度，建立了热物性参数随温度变化的预测模型。

上述研究工作对发动机冷却系统设计起到了积极的推动作用。与以往冷却系统性能研究工作不同，本研究针对不同物性参数的乙二醇水溶液，以某大功率柴油机气缸盖为研究对象，利用数值模拟的方法研究了沸腾情况下不同浓度乙二醇水溶液的密度、比热容、导热系数和沸点对气缸盖冷却性能的影响规律，利用相关性分析和回归分析确定了4个物性参数对冷却性能 的综合影响，并对比了50%体积浓度乙二醇水溶液与纯水对气缸盖冷却性能的影响。

1   仿真计算模型

1.1  气缸盖三维模型

根据缸盖实体模型进行三维建模，并抽取流体域模型，缸盖模型及水套流体域模型见图1和图2。为保证仿真精度，仅对缸盖模型进行部分简化，取消不重要的工艺孔和螺纹孔，保留大部分实体特征，对水套不做简化处理。

1.2  仿真计算数学模型

利用Fluent软件进行数值计算，由于发动机实际工作时水套鼻梁区散热较差，在近壁区容易出现过冷沸腾，为保证仿真精度，采用多相流沸腾模型模拟高温区沸腾现象，湍流模型采用 k-e 湍流模型，近壁区采用增强壁面处理。

1.3  缸盖流固耦合计算域网格划分

本研究采用多面体网格对缸盖模型进行网格划分（见图3）。缸盖实体部分采用4 mm网格尺寸，对部分曲面作适当细化，同时将火力面、进排气道表面、喷油器等传热表面网格尺寸细化至2 mm。流体域采用2 mm网格尺寸，将沸腾区域网格细化至1 mm，边界层第一层网格高0.3 mm，增长率1.2，总共4层，最终超过95%的网格1＜ Y +＜10，超过80%的网格 Y +位于1附近，满足增强壁面处理使用条件。

1.4  校核计算

1.4.1  试验条件

为验证仿真计算的准确性与可靠性，建立了缸盖的热负荷测试试验台，如图4所示。在火力面一侧布置高频电磁加热器，通过调节加热器保证试验缸盖火力面温度和发动机实际工作时火力面温度基本一致，并作为缸盖传热计算的边界条件之一。通过压力传感器监测冷却液出口压力，在水泵与缸盖入口之间设置流量计，测量进入缸盖的冷却液流量。在火力面的不同位置布置7个热电偶，用来监测火力面温度，测点位置如图5所示。试验时分别采用水和50%乙二醇水溶液作为冷却介质，进水速度3.3 m/s，出水表压0.1 MPa，冷却液进水温度353.15 K。

1.4.2  边界条件设置

仿真边界条件与试验条件保持一致，以水和50%乙二醇水溶液作为冷却介质，入口采用速度入口边界，流速取3.3 m/s，入口温度353.15 K，出口设定压力出口边界，表压0.1 MPa。除上述流动边界条件，本研究的热边界均为第三类边界条件，设置对象包括火力面、进排气道、进排气门导管、喷油器和外表面。由于燃料在燃烧室内燃烧情况复杂，火力面各处对流传热系数不尽相同，为了方便仿真计算，同时保证计算精度，将火力面划分为如图6所示的9个区域，对9个区域分别施加热边界条件。

通过一维柴油机性能仿真软件的计算，得到整个火力面的平均温度和平均传热系数，再根据试验时火力面的温度及其对流传热系数的变化趋势，对各计算区域加载不同的对流传热系数，将各区域的温度设为加权平均温度［20］。在给定各区域对流传热系数时，需要满足以下关系［21］：

∑ 9 i=1 A ih i=Ah  a 。  （1）

式中： A i 为各区面积； A 为火力面总面积； h i 为各区传热系数； h  a 为火力面加权平均传热系数。通过边界条件各参数的调整和试算，确保仿真计算的火力面温度与试验值接近。所得热边界条件汇总见表1和表2［22］。

1.4.3  试验结果和计算结果对比

仿真结果与试验测试结果对比见表3。从表中数据可以看出，冷却介质为水时，试验结果与仿真结果在最高温度点误差率为0.81%，最低温度点误差率为1.46%，所有测点最大误差率为1.46%；冷却介质为50%乙二醇时，试验结果与仿真结果在最高温度点误差率为1.40%，最低温度点误差率为0.97%，所有测点最大误差率为1.91%。可见所选择的仿真模型计算结果与试验结果具有较好的一致性，认为各物理、数学模型的参数选择合理。

2   仿真计算内容

乙二醇水溶液是目前常用的一种冷却液，不同浓度的乙二醇水溶液具有不同的物性，如密度、比热容、导热系数、沸点，而不同物性参数带来的冷却效果不同。以温度353.15 K和表压0.1 MPa下不同浓度的乙二醇水溶液物性参数作为参考，确定各物性数值区间，计算分析不同的物性参数与水套表面最高温度、火力面最高溫度、进出水口温差和水套内气体体积的变化关系。

乙二醇水溶液在给定温度下的密度、比热容、导热系数均通过“ASHRAE手册2005”获取，沸点通过拉乌尔定律获得［23］，不同浓度乙二醇水溶液物性参数见表4。

参考表4中各物性参数的变化范围，各取5个计算点进行仿真计算：密度取900，950，1 000，1 050，1 100 kg/m3；比热容取2 500，2 875，3 250，3 625，4 000 J/（kg·K）；导热系数取0.2，0.325， 0.45，0.575，0.7 W/（m·K）；沸点取394.0，404.5，415.0，425.5，436.0 K。为研究某单一参数的影响，规定一组标准参数：密度为971.8 kg/m3，比热容为4 195.7 J/（kg·K），导热系数为0.67 W/（m·K），沸点为393.5 K。

3   计算结果分析

3.1  密度对冷却的影响

图7示出缸盖水套表面最高温度、火力面最高温度、进出水口温差与冷却液密度的关系。由图中可见，水套表面和火力面最高温度随着冷却液密度的增大呈现下降趋势，密度从900 kg/m3增大到1 100 kg/m3，水套表面和火力面最高温度分别下降0.3 K和1.6 K，降幅分别为0.07%和0.25%。进出水口温差也随冷却液密度的增大而下降，900 kg/m3时温差为4.9 K，1 100 kg/m3时的温差为3.9 K，相比下降1 K，降幅20.41%。图8示出不同密度下缸盖水套内的气体含量。密度从900 kg/m3增大到1 100 kg/m3，气体体积减少14.63 mm3，降幅74.21%。

火力面最高温度、水套表面最高温度和进出水口温差均随密度增大而减小，原因是单位体积的冷却液所能吸收的热量随着密度的增大而增大，因此冷却液吸热能力增强，且吸收相同热量后的温度变化更小，沸腾程度也更小。密度的改变对水套表面温度和火力面温度影响较小，对进出水口温差影响较大，这对于提升各缸及各缸盖的热均匀性具有积极作用，同时沸腾程度的减小也降低了缸盖内“开锅”的可能性，对冷却系统的正常工作具有积极作用。

3.2  比热容对冷却的影响

缸盖水套表面最高温度、火力面最高温度和进出水口温差与冷却液比热容的关系见图9。从图中可以看出，冷却液比热容从2 500 J/（kg·K）增大到4 000 J/（kg·K），水套表面最高温度、火力面最高温度和进出水口温差均呈下降趋势，其中前两者随比热容变化幅度较小，其最大差值分别为6 K和1.8 K，降幅分别为1.39%和0.28％，而进出水口温差最大差值为2.7 K，降幅为36.99％。由图10可见，随着比热容的增大，气体体积减少幅度逐渐减小，最大比热容时的气体体积比最小比热容时少192.2 mm3，降幅为92.09%。

单位体积冷却液所能吸收的热量随着比热容的增大而逐渐增大，因此火力面最高温度、水套表面最高温度和进出水口温差减小，同时沸腾程度也随之减小。同密度变化带来的积极作用类似，增大比热容对提升冷却的均匀性以及防止缸盖内“开锅”具有积极作用。

3.3  导热系数对冷却的影响

缸盖水套表面最高温度、火力面最高温度和进出水口温差与冷却液导热系数的关系见图11。导热系数从0.2 W/（m·K）增大至0.7 W/（m·K），水套表面和火力面最高温度分别下降24.1 K和7.7 K，降幅分别为5.36%和1.18%，且随着导热系数的增大，二者变化幅度越来越小。进出水口温差升高0.3 K，增幅为6.98%。由图12可见，缸盖内气体体积随导热系数的增大而减小，导热系数从0.2 W/（m·K）增大到0.7 W/（m·K），气体体积减少17.54 mm3，降幅为59.18%。

随导热系数不断增加，水套表面最高温度和火力面最高温度下降幅度逐渐减小，这是因为当导热系数较小时，冷却液热阻较缸盖固体侧热阻对传热影响更大，当导热系数增大到一定程度后，缸盖固体侧热阻较冷却液热阻对传热影响更大。由于缸盖水套表面温度降低量比较大，所以对沸腾起到了一定的抑制作用，因此气体体积减少。

3.4  沸点对冷却的影响

图13示出缸盖水套表面最高温度、火力面最高温度和进出水口温差与冷却液沸点的关系。从图中可以看出，随着沸点的升高，水套表面最高温度、火力面最高温度表现出明显的上升趋势。沸点从394.0 K上升到436.0 K，水套表面和火力面最高溫度分别上升53.8 K和20.4 K，增幅分别为12.59%和3.15%。进出水口温差则变化很小，温差最大值和最小值仅相差0.041 K，降幅为0.90%。图14示出缸盖内气体体积与沸点的关系。从图中可以看出，随着冷却液沸点的升高，气体体积逐渐减小，而且在低沸点阶段，减小幅度更大。沸点从394.0 K增大到404.5 K，气体体积减小9.40 mm3，占总气体减少量的92.31%；沸点为436.0 K时，缸盖内气体体积仅0.001 mm3，即在该沸点下缸盖内仅有少量冷却液沸腾。

沸点对缸盖内冷却液沸腾影响较大。如图15所示，沸点为394.0 K时缸盖内气体所占体积占水套内总体积的1.54×10-5，而沸点为436.0 K时仅占总体积的1.77×10-9。随着沸点的降低，水套内气体体积呈几何倍数上升，虽然缸盖换热得到了提升，但缸盖内“开锅”的可能性也增大，容易对冷却系统造成不良影响。

3.5  相关性分析及回归分析

通过仿真计算，得到了20组不同物性参数的计算结果。将4个物性参数定义为自变量，水套表面最高温度、火力面最高温度、进出水口温差和沸腾产生的气体体积定义为因变量，对每个因变量与自变量进行相关性分析。表5示出自变量与因变量之间的相关性。数值表示自变量与因变量之间的相关程度，数值正负表示正相关或负相关。从表中可以看出，水套表面最高温度受沸点影响最大，其次受导热系数影响较大，而受密度和比热容影响较小；火力面最高温度受沸点影响最大，受其余3个物性参数影响较小；进出水口温差受比热容影响最大，受其余3个物性参数影响较小；沸腾产生的气体体积受比热容和沸点影响最大，受密度和导热系数影响较小。

对仿真数据进行多元回归分析，得到水套表面最高温度（ T  w ）、火力面最高温度（ T  p ）、进出水口温差（  Δ T ）和气体体积（ V ）关于4个物性参数的拟合关系式（见式（2）～式（5））。

T  w=-37.341-0.01 ρ-0.003C  p-38.358 k+1.297T  b ，  （2）

T  p=-442.944-0.001 ρ-0.001C  p-14.393 k+0.553T  b ，  （3）

Δ T=-17.6-0.005ρ-0.002C  p-0.48 k-0.001T  b ，  （4）

V= EXP（97.4-0.001 ρ-5×10-11C  p3-4.045 k3-0.226T  b） 。  （5）

式中：  T  w ， T  p ，  Δ T 和 V 分别为水套表面最高温度、火力面最高温度、进出水口温差和气体体积； ρ ， C  p ， k ， T  b 分别为密度、比热容、导热系数和沸点。

图16示出20组物性参数对应的仿真结果与拟合结果对比。从图中可以看出，水套表面最高温度仿真结果和拟合结果误差率大体在1%以内；火力面最高温度仿真结果和拟合结果误差率均在0.5%以内；进出水口温差仿真结果和拟合结果误差率均在10%以内；当气体体积较小（ V ＜21.77 mm3）时，其仿真结果和拟合结果误差率可保证在30%以内，当气体体积较大时，拟合关系式精度有所下降，最终整体误差率在50%以内。

3.6  水和50 %  乙二醇水溶液冷却性能对比预测

根据GB 29734 2013标准，低温下特种车辆用乙二醇型稀释冷却剂的体积分数一般为50%，考虑到在特殊情况下无法获取标准冷却液时，较容易获取水作为替代冷却液，因此分别通过仿真计算和拟合计算预测50%乙二醇冷却液和水的冷却效果。表6示出水和50%乙二醇溶液物性参数。和水相比，50%乙二醇水溶液密度和沸点均增大，而比热容和导热系数均减小。通过仿真分析和关系式拟合得到两种冷却液在对应物性参数下的水套表面最高温度、火力面最高温度、进出水口温差和气体体积（见表7）。从表中数据可以看出，两种冷却液下水套表面最高温度和火力面最高温度误差率均小于1%，进出水口温差误差率均小于10%，气体体积误差率均小于20%，可见通过回归分析得出的拟合关系式满足要求。同时可以看出：以水作为冷却液时，缸盖散热增强，各区域最高温度均有所下降；因沸腾而产生的气体更少，沸腾程度更低；进出水口温差更小，热均匀性更好。

4   结论

a） 水套表面最高温度和火力面最高温度与密度、比热容、导热系数呈正相关性，而与沸点呈负相关性；进出水口温差与密度、比热容、沸点呈负相关性，与导热系数呈正相关性；气体体积与4个物性参数均呈负相关性；

b） 相关性分析表明：水套表面最高温度受沸点影响最大，其次受导热系数影响较大；火力面最高温度受沸点影响最大；进出水口温差受比热容影响最大；沸腾产生的气体体积受比热容和沸点影响最大；因此，在初选冷却液时，为满足缸盖冷却要求，应优先考虑沸点和导热系数的影响；为满足热均匀性要求，应优先考虑比热容的影响；为防止缸盖内沸腾，应优先考虑比热容和沸点的影响；

c） 水和50%乙二醇水溶液冷却效果相比，水套表面最高温度、火力面最高温度、进出水口温差和沸腾产生的气体体积分别减少4.34%，1.55%，11.36%，47.15%，可见在特殊情况下以水作为冷却液在一定程度上比乙二醇水溶液具有更好的冷却性能。

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Effect of Coolant Physical Parameter on Cooling Performance of  Diesel Engine Cylinder Head

XIANG Honglin，DU Wei

（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：  In order to explore the influence of various physical parameters of engine coolant on the cooling performance， the accuracy and reliability of simulation calculation were verified through bench test， and the influences， influencing significance degree and fitting relationship of coolant density， specific heat capacity， thermal conductivity and boiling point on the maximum surface temperature of cylinder head water jacket， the maximum temperature of fire surface， the temperature difference between the coolant inlet and outlet and the gas volume in the cylinder head were determined by using numerical simulation， correlation analysis and regression analysis based on a high-power diesel engine cylinder head. In addition， the cooling effects of 50% volume concentration ethylene glycol solution and water were compared. The results show that the maximum temperatures of water jacket surface and fire surface are positively correlated with density， specific heat capacity and thermal conductivity， and negatively correlated with the boiling point. The former is greatly affected by the boiling point and thermal conductivity， while the latter is greatly affected by the boiling point. The temperature difference between inlet and outlet is negatively correlated with density， specific heat capacity and boiling point， positively correlated with thermal conductivity， and greatly affected by specific heat capacity. The gas volume is negatively correlated with the four physical parameters， which is most affected by the specific heat capacity and boiling point. Based on the regression analysis， the relations of maximum surface temperature of water jacket， maximum temperature of fire surface， temperature difference between inlet and outlet and gas volume are acquired， and the corresponding error for each relation is within 1%， 0.5%， 10% and 30% respectively. Under the same conditions， the cooling effect of water is better than that of ethylene glycol solution with 50% volume concentration.

Key  words：  coolant；physical parameter；cylinder head；cooling performance；correlation analysis；regression analysis

［編辑： 潘丽丽］

收稿日期：   2023-05-31； [HT6H]修回日期：   2023-07-14

基金项目：    国家自然科学基金项目（51976011）

作者简介：    向红林（1998—），男，硕士，研究方向为机油散热器冷却性能；xhlin1230@163.com。

通讯作者：   杜巍（1974—），男，副教授，工学博士，研究方向为动力系统的综合性能和热平衡；dwei@bit.edu.cn。