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1、2012118 大氣壓力對柴油機冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究 許 翔1 ，劉瑞林1 ，劉 剛1 ，任曉江2 ，周 平2 ( 1. 軍事交通學院汽車工程系，天津 300161; 2. 軍事交通學院研究生大隊，天津 300161) ［摘要］ 針對內(nèi)燃叉車柴油機在高原上的熱平衡問題，建立了柴油機高海拔熱平衡試驗臺和冷卻系統(tǒng)仿真模 型，對某型叉車柴油機冷卻系統(tǒng)進行了熱平衡試驗和仿真計算，得到了不同海拔高度條件下柴油機燃燒放熱量的分 配比例和冷卻液溫 度 等 信 息。結(jié) 果 表 明，隨 著 海 拔 的 升 高，柴油機出口冷卻水溫度逐漸增大; 當海拔高度接近 4 00

2、0m，環(huán)境溫度為 30℃ 時冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)過熱問題，通過增大風扇的流量或提高散熱器的換熱效率，降低了發(fā)動機 的出水溫度，緩解了柴油機冷卻系統(tǒng)的高原過熱問題。 關(guān)鍵詞: 內(nèi)燃叉車; 柴油機; 冷卻系統(tǒng); 大氣壓力; 熱平衡 A Research on the Effects of Atmospheric Pressure on the Thermal Balance of Cooling System in Diesel Engine Xu Xiang1 ，Liu Ruilin1 ，Liu Gang1 ，Ren Xiaojiang2 ＆ Zhou Ping2 1. Automotive

3、 Engineering Department，Military Transportation University，Tianjin 300161; 2. Postgraduate Training Brigade，Military Transportation University，Tianjin 300161 ［Abstract］ Aiming at the thermal balance problem of diesel engine in internal-combustion forklift at plateau， a thermal balance tes

4、t bench and a simulation model for its cooling system at high altitude are set up． Both thermal balance test and simulation on the cooling system of an internal-combustion forklift are conducted，and the informa- tion on the distribution of released heat from combustion and the coolant temperature

5、of diesel engine at different heights above sea level is obtained． The results show that the outlet coolant temperature of coolant rises with the in- crease of altitude; when the altitude approaches 4000m with an ambient temperature of 30℃ the cooling system will overheats． By increasing the ai

6、r flow of cooling fan or raising the heat transfer efficiency of radiator，the outlet cool- ant temperature of engine lowers and hence the overheat problem of cooling system of diesel engine at plateau is miti- gated． Keywords: internal-combustion forklift; diesel engine; cooling system; atmosp

7、heric pressure; thermal balance 重，導(dǎo)致故 障 率 升 高，嚴 重 影 響叉車的綜合作業(yè)效 率［1］。 柴油機冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能直接關(guān)系到叉車 能否正常工作和柴油機的使用壽命。因 此，研 究 其 冷卻系統(tǒng)的熱平衡性能，分析高海拔( 低氣壓) 對其 熱平衡性能的影響，對合理設(shè)計和改進內(nèi)燃叉車柴 油機冷卻系統(tǒng)，提高內(nèi)燃叉車的高原環(huán)境適應(yīng)性具 有重要的意義［1 － 2］。 本文 中 基 于 FlowMaster2 仿 真 軟 件 建 立 了 某 型 前言 內(nèi)燃叉車是一種使用廣泛的裝卸搬運機械。目 前，高原地區(qū)使用的內(nèi)燃叉車大都是普通平原型叉 車。

8、由于高原地區(qū)大氣壓力低，使水的沸點下降，發(fā) 動機熱負荷增大和冷卻系統(tǒng)散熱能力變差等因素， 內(nèi)燃叉車在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象， 尤其是叉車在大負荷情況下連續(xù)作業(yè)時過熱問題嚴 原稿收到日期為 2011 年 5 月 12 日，修改稿收到日期為 2011 年 7 月 22 日。 2012( Vol． 34) No． 7 許翔，等: 大氣壓力對柴油機冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究 · 593 · 內(nèi)燃叉車柴油機冷卻系統(tǒng)仿真模 型，利 用 柴 油 機 高 海拔( 低氣 壓) 熱平衡試驗臺對柴油機冷卻系統(tǒng)仿 真模型進行驗證，分析了不同海拔高度( 大氣壓力) 對冷卻系統(tǒng)熱平衡性能的影

9、響，提出了該柴油機冷 卻系統(tǒng)的改進措施。 氣式柴油機，主要技術(shù)參數(shù)見表 2。 表 2 柴油機主要技術(shù)參數(shù) 1 柴油機熱平衡臺架試驗 柴油機熱平衡臺架試驗不僅可了解柴油機各部 分的傳熱特性和熱量分配，也是驗證冷卻系統(tǒng)熱平 衡仿真結(jié)果的重要依據(jù)［3］。 1. 1 試驗方法 圖 1 為柴油機高海拔( 低氣壓) 熱平衡試驗臺示 意圖。 1. 2 熱平衡試驗原理 柴油機燃油燃燒產(chǎn)生的總熱量一般可分為以下 幾個部分: 轉(zhuǎn)化為柴油機的有效功率、排氣帶走的熱 量、傳入冷卻介質(zhì)的熱量和余項熱量損失 ( 機體、缸 蓋和油底殼表面的散 熱 量) 。由此可得到柴油機的 熱平衡方程［3］為

10、 ( 1) Qf = Qe + Qw + Qex + Qres 式中: Qf 為燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量; Qe 為 轉(zhuǎn) 化 為 有 效功的熱量; Qw 為冷卻液帶走的熱量; Qex 為排氣帶 走的熱量; Qres 為余項熱量損失。 1. 3 試驗結(jié)果分析 試驗時測量柴油機的有效功率、燃油消耗量、進 排氣溫度及冷卻系統(tǒng)各部件進出口處的溫 度 和 流 量，數(shù)據(jù)記錄儀采樣時間間隔為 30s。在每個試驗工 況，發(fā) 動 機 進、出水溫差的波動 不 超 過 0. 1℃ / min 時，認為發(fā)動機達到了熱平衡。 圖 2 為柴油機額定工況熱平衡時熱量分布圖。 圖 1 柴油機高

11、海拔( 低氣壓) 熱平衡試驗臺示意圖 試驗臺利用進氣節(jié)流和排氣抽真空的方法模擬 柴油機在低氣壓下的工作狀態(tài)，它 可 模 擬 海 拔 0 ～ 6 000m范圍內(nèi)的大氣壓力; 將冷卻系統(tǒng)膨脹水箱與 排氣穩(wěn)壓箱連接，模擬不同海拔大氣壓力下冷卻水 的沸點。試驗中大氣壓力、空氣密度和水的沸點與 海拔高度的對應(yīng)關(guān)系見表 1。 表 1 氣壓、空氣密度和水沸點與海拔高度的關(guān)系 圖 2 柴油機額定工況熱量分布圖 從圖 2 可知，在平原時，燃料燃燒放出的總熱量 約有 38% 轉(zhuǎn)化為有效功率，排氣散熱量占總熱量的 35% ，冷 卻 液 散 熱 量 為 14% ，余項熱量損失約占 13%

12、 左右。隨著海拔的升高 ( 大氣壓力降低) ，由于 進氣量減少、燃燒惡化等原因，柴油機的有效功率和 排氣散熱量下降，不完全燃燒造成的熱損失、機體散 失的熱量和其他熱損 失 不 斷 增 加。和 平 原 相 比，海 拔 5 000m 時，有效功率所占比例下降了 15. 6 個 百 試驗臺架主要由柴油機高海拔 ( 低 氣 壓 ) 模 擬 系統(tǒng)、CW260 電渦流測功機、油耗儀、進排氣壓力傳 感器、溫度傳感器、空氣和冷卻水流量計等儀器設(shè)備 組成。試驗用柴油機為某型內(nèi)燃叉車配備的自然吸 海拔高度 / m 0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 大氣壓力 /

13、 kPa 101. 3 89. 8 79. 5 70. 1 61. 7 54. 0 水沸點 / ℃ 100. 0 96. 9 93. 8 91. 2 88. 6 86. 7 空氣密度 / ( kg / m3 ) 1. 225 1. 112 1. 006 0. 909 0. 819 0. 763 參數(shù) 數(shù)值 柴油機型式 直噴、水冷、4 缸 缸徑 × 行程 / mm 90 × 100 壓縮比 18 2 650r / min 時額定功率 / kW 37 1 800r / min 時最大轉(zhuǎn)矩 / ( N·m) ≥148 ·

14、594 · 汽 車 工 程 2012 年( 第 34 卷) 第 7 期 分點，排氣散熱量比例下降了 20. 6 個 百 分 點，余 項 熱量損失的比例增大了 35. 0 個百分點，冷卻液散熱 量所占比例變化不明顯。 圖 3 為不同海拔高度下柴油機排氣溫度隨轉(zhuǎn)速 的變化趨勢。 由式( 3) 可知，除了空氣密度外，空氣的其他物 性參數(shù)隨海拔變化不明顯。空氣密度隨海拔高度升 高明顯降低，使得空氣側(cè)換熱系數(shù)減小，最終導(dǎo)致散 熱量下降，冷卻效果變差。 2. 3 仿真模型 該柴油機冷卻系統(tǒng)主要由水泵、散 熱 器、節(jié) 溫 器、膨脹水 箱、發(fā)動機機體和 氣缸蓋中的水套等組

15、 成。基于 FlowMaster2 軟件建立的柴油機冷卻系統(tǒng) 仿真模型如圖 4 所示。 圖 3 不同海拔高度柴油機排氣溫度曲線 從圖 3 可知，隨著海拔高度的升高，發(fā)動機排氣 溫度不 斷 升 高，柴油機熱負荷增 加; 海 拔 每 升 高 1 000m，發(fā)動機排氣溫度平均上升 1. 5% ～ 4. 5% 。 圖 4 冷卻系統(tǒng)仿真模型示意圖 隨著海拔高度升高，大氣壓力下降，柴油機進氣流量 減少，而相同轉(zhuǎn)速時柴油機供油量基本不變，因而過 量空氣系數(shù)減小，使發(fā)動機燃燒不充分，后 燃 嚴 重， 導(dǎo)致發(fā)動機排氣溫度升高。 2. 4 模型驗證 針對某型內(nèi)燃叉車柴油機冷卻系

16、統(tǒng)，應(yīng) 用 該 仿 真模型進行 了 計 算，環(huán) 境 溫 度 為 10℃ ，部 分 試 驗 數(shù) 據(jù)和仿真結(jié)果的對比見表 3。試驗數(shù)據(jù)為柴油機在 平原( 海拔 2m) 和高原( 海拔 3 000m) 額定工況達到 熱平衡時的冷卻液 溫 度。從 表 3 可 知，仿 真 結(jié) 果 與 試驗結(jié)果的誤差小于 5% ，表明仿真結(jié)果是可信的。 表 3 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比 2 冷卻系統(tǒng)模型 2. 1 高原大氣壓力的修正 大氣壓力和空氣密度隨海拔高度的增加明顯減 小，不僅使進氣量減小，影響柴油機缸內(nèi)燃燒，還 改 變冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)換熱系數(shù)，使冷卻系的冷卻能力 變差。 大氣壓力和海拔高度的對應(yīng)關(guān)系為

17、 5. 256 pair = p0 ( 1 － 0. 02257H) ( 2) 式中: p0 為標準大氣壓力; H 為海拔高度。 2. 2 散熱器換熱系數(shù)的修正 散熱器的換熱系數(shù)由散熱器的結(jié)構(gòu)形式、換 熱 表面的傳熱特性( 傳熱因子 j) 和傳熱介質(zhì)的物性參 數(shù)等決定［2］。大氣壓力變化對散熱器水側(cè)換熱系數(shù) 的影響可忽略［4］; 而散熱器空氣側(cè)的換熱系數(shù)［5］為 注: Ti 為發(fā)動機進水溫度，To 為發(fā)動機出水溫度。 3 仿真結(jié)果和分析 圖 5 為平原熱平衡試驗過程中發(fā)動機出水溫度 隨時間的變化。試驗時環(huán)境溫度為 10℃ ，發(fā)動機額 定工況運行; 節(jié)溫器開啟溫 度

18、 為 75℃ ，全 開 溫 度 為 85℃ 。發(fā)動機出水溫度隨節(jié)溫器開度在 75 ～ 85℃ 范圍內(nèi)波動。 n － n n － 1 n ha = C( λv η de ) ρ ( 3) 式中: C、n 為無因次常數(shù); v 為空氣流速; λ 為空氣導(dǎo) 熱系數(shù); ρ 為空氣密度; η 為空氣動力黏度; de 為換熱 表面當量直徑。 海拔 2m 海拔 3 000m Ti / ℃ To / ℃ Ti / ℃ To / ℃ 試驗 66. 5 75. 4 67. 1 77. 5 仿真 69. 4 78. 5 69. 9 80. 9

19、 誤差 4. 4% 4. 1% 4. 2% 4. 4% 2012( Vol． 34) No． 7 許翔，等: 大氣壓力對柴油機冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究 · 595 · 表 4 改進前后發(fā)動機進出水溫度對比 升隨流量增大而減小; 當水泵流量達到一定值時，再 增大水泵流量發(fā)動機出水溫度反而有小幅的升高。 因此，通過盲目提高水泵流量來降低發(fā)動機出水溫 度是不可取的［6］。 圖 5 發(fā)動機出水溫度的變化曲線 圖 6 為環(huán)境溫度為 30℃ 、發(fā)動機額定工況運行 達到熱平衡時，發(fā)動機進出水溫度隨海拔高度的變 化。從圖 6 可知，發(fā)動機進出水溫度隨海拔升高逐 漸增

20、 大，進出水溫差逐漸 減 小; 海 拔 高 度 為 3 000、 4 000和5 000m時，發(fā)動機的出水溫度分 別 為 84. 2、 94. 4 和 105. 4℃ 。值 得 指 出 的 是，高 原 條 件 下 使 發(fā) 動機熱狀況更加惡化的另一個重 要 原 因 是，水 的 沸 點隨著海拔高度的升高而降低。圖 6 中同時示出冷 卻水沸點的曲 線。由 圖 可 知，海 拔 高 度 達 到4 000m 之前，冷 卻 液 溫 度 已 超 過 沸 點，發(fā) 動 機 將 出 現(xiàn)“開 鍋”現(xiàn)象。為滿足高海拔地區(qū)的冷卻要求，須進一步 強化冷卻系的冷卻能力，或采用密封加壓式冷卻系 統(tǒng)，提高冷卻水在高原的沸點

21、。 4 結(jié)論 ( 1) 首次建立柴油機高海拔 ( 低 氣 壓) 熱 平 衡 試驗臺，研究了大氣壓力對柴油機機體冷卻熱平衡 的影響，得到了不同海拔高度條件下柴油機的有效 功率、冷卻液循環(huán)散熱量、排氣散熱量和其他余項熱 損失的分配比例，為驗證仿真模型提供試驗依據(jù)。 ( 2) 建立的內(nèi)燃叉車柴油機冷卻系統(tǒng)熱平衡模 型可預(yù)測海 拔 高 度 ( 大 氣 壓 力) 變化對冷卻系統(tǒng)性 能的影響。仿真模型在一定程度上能夠模擬內(nèi)燃叉 車柴油機冷卻系統(tǒng)的傳熱過程，對冷卻系統(tǒng)和各關(guān) 鍵部件的性能進行評價，同時可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的設(shè) 計與匹配。 ( 3) 通過仿真計算證明該型內(nèi)燃叉車柴油機冷 卻系

22、 統(tǒng) 的 熱平衡性能不理 想，當海拔高度超過 4 000m、環(huán)境溫度 30℃ 時，冷卻系統(tǒng)的冷卻能力不 能滿足熱平衡要求。通過增大風扇流量或提高散熱 器的換熱效率，降低了柴油機出水溫度，緩解了柴油 機冷卻系統(tǒng)的高原過熱問題。 參考文獻 ［1］ 劉瑞林，鄭智，郝士祥，等． 內(nèi)燃叉車高原環(huán)境適應(yīng)性研究［J］． 軍事交通學院學報，2010，12( 4) : 52 － 55． 姚仲鵬，王新國． 車輛冷卻傳熱［M］． 北 京: 北京理工大學出版 社，2001． 劉忠民，俞小莉，沈 瑜 銘． 發(fā) 動 機 熱 平 衡 試 驗 研 究［J］． 浙 江 大 學學報，2008，42( 7) : 1

23、247 － 1250． 汪茂海，陳濤，張揚軍，等． 高原發(fā)動機熱管理系統(tǒng)性能分析研 究［J］． 汽車工程，2010，32( 10) : 851 － 853． 李毅，李遠才，劉景 平． 高原車用散熱器的傳熱計 算［J］． 華 中 科技大學學報，2009，37( 9) : 90 － 93． 成曉北，潘立，周祥軍． 車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計 算［J］． 汽車工程，2008，30( 9) : 758 － 763． 圖 6 發(fā)動機進出水溫度隨海拔高度的變化曲線 ［2］ 表 4 為對原機型冷卻系統(tǒng)改進后發(fā)動機進出水 溫度對比。保持其他參 數(shù) 不 變，改 進 方 案 1 中 只

24、增 大風扇的體積流 量，由 0. 84m3 / s 變 為 1. 12m3 / s; 改 進方案 2 中將散熱器的換熱效率從 0. 6 提高至 0. 7; 改進方案 3 中只改變水泵流量( 120 ～ 220L / min) 。 從表 4 可 知，增大冷卻風扇的流量 ( 改 進 方 案 1) 或提高散熱器換熱效率( 方案 2) 均能提高冷卻能 力，發(fā)動機進出水溫度得 到 了 控 制。水 泵 流 量 的 變 ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ 化 ( 方案3 ) 對發(fā)動機出水溫度影響很小 ，進出水溫 海拔 4 000m 海拔 5 000m Ti / ℃ To / ℃ Ti / ℃ To / ℃ 原機型 88. 2 94. 4 101. 8 105. 4 改進方案 1 78. 9 86. 1 94. 1 97. 9 改進方案 2 80. 1 88. 7 95. 0 99. 1 改進方案 3 86. 7 ～ 88. 9 93. 0 ～ 94. 7 98. 4 ～ 102 103 ～ 105. 8