两级增压中冷柴油机冷却散热系统高海拔性能研究

刘建敏， 何盼攀， 王普凯， 刘艳斌， 韩立军

(1. 装甲兵工程学院训练部， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)



两级增压中冷柴油机冷却散热系统高海拔性能研究

刘建敏1， 何盼攀2， 王普凯2， 刘艳斌2， 韩立军2

(1. 装甲兵工程学院训练部， 北京 100072； 2. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

为研究某两级增压中冷柴油机冷却散热系统的高原适应性，利用GT-power软件建立了该柴油机工作过程和冷却散热系统的耦合计算模型，经过实验数据验证后利用该模型预测分析了柴油机在变海拔条件下冷却散热性能的变化规律。结果表明：随着海拔的升高，柴油机的功率、冷却空气质量流量、中冷器和散热器的散热量均减小，为后续该柴油机变海拔性能的改进提供了理论依据。

柴油机； 两级增压中冷； 海拔； 冷却散热

高海拔地区的空气稀薄、大气压力低，导致军用车辆柴油机的进气量减少、燃烧恶化、热负荷增加，从而使其动力性、可靠性和经济性受到影响，作战性能大打折扣。因此，开展高海拔条件下柴油机冷却散热性能的预测和分析对提高柴油机的高原适应性具有重要意义。

通过传统的实车试验来研究高原环境下柴油机的冷却散热能力不仅耗时耗力，而且试验结果的精确性也难以保证，因此可采用仿真的方法进行分析计算。任素慧等[1]对一台16缸增压中冷柴油机在高原条件下的速度特性进行了数值模拟研究，但在分析外界环境时仅仅考虑了大气压力的影响，其研究存在一定的局限性；汪茂海等[2]对高海拔下发动机性能和冷却系统有关参数进行了修正，并通过发动机热管理系统模型对某型工程车辆进行了分析，有效解决了其高原过热问题，但该发动机与大功率军用柴油机有较大的区别，结论不具备通用性；刘瑞林等[3]通过GT-suite仿真软件建立了某型车用柴油机冷却散热系统仿真模型，并利用该模型分析了不同海拔高度对柴油机冷却散热性能的影响，但未对增压器和中冷器进行研究。

基于此，笔者以某两级增压中冷柴油机为研究对象，利用GT-power软件建立其工作过程和冷却散热系统的仿真模型，研究不同海拔条件下柴油机冷却系统散热的变化规律，以期为后续柴油机性能的改进和试验研究奠定良好的基础。

1　数学模型

1.1缸内热力过程

将由气缸盖底面、活塞顶面和气缸套内壁面围成的空间作为一个热力系统，采用零维燃烧模型计算其热力过程，利用压力、温度、质量和组成成分参数描述工质状态，它们由能量守恒方程、质量守恒方程及气体状态方程[4]联系起来，经联立求解后得到工质状态参数随曲轴转角的变化关系。其中：能量守恒方程为

(1)

根据缸内热力系统质量守恒，可得缸内质量守恒方程为

(2)

理想气体状态方程为

pV=mRT。

(3)

式中：φ为曲轴转角；m为缸内气体质量；p、V、T分别为缸内气体的压力、容积和温度；Qb、Qw为与气体的交换热量；λ为过量空气系数；∂为气体定容比热；U为缸内单位质量气体对应的内能；H为缸内单位质量气体对应的焓；H2为流入气缸单位质量气体对应的焓；mb为缸内燃油质量；me为流经进气门的气体质量；ma为流经排气门的气体质量；R为理想气体常数。

1.2冷却介质传热模型

冷却介质主要包括冷却液和动力舱空气等。冷却介质流经柴油机部件和换热器芯体时，与其所接触的部件传递热量，对应的传热流量Qci由传热系数和换热温差决定：

Qci=aciAwi(Tci-Twi)。

(4)

式中：aci为冷却介质的传热系数，与冷却介质的物理性质和流动情况有关；Tci为冷却介质温度；Twi为冷却介质与其所接触部件的壁面温度；Awi为冷却介质与其所接触部件的传热面积。对于不同的流体介质、换热部位，采用不同的壁面传热系数计算公式。

2　仿真模型

2.1耦合模型的建立

该柴油机采取了两级增压加两级中冷的性能强化措施。在柴油机工作时，新鲜空气经两级压缩和两级中冷提高进气密度，并在进气门开启时流入气缸，与燃油混合燃烧后产生的废气经排气门流入排气系统，两级涡轮从废气中回收能量，用以驱动两级增压机工作。

图1为柴油机工作过程模型。在建模过程中对两级涡轮增压、两级中冷、两级涡轮的旁通阀、双进排气门等结构特性进行了最大限度的保留[5]，对结构复杂、模拟困难且对最终结果影响不大的部件和实体进行了部分简化。

图1　柴油机工作过程模型

图2为柴油机冷却系统传散热模型，该模型包含高温冷却循环和低温冷却循环2大部分。其中：

图2　柴油机冷却系统传散热模型

高温冷却循环系统由高温水泵、机体冷却系统、一级中冷系统和高温水散热器组成；低温冷却循环系统由低温水泵、二级中冷系统、机油冷却系统和低温水散热器组成。

高温循环系统主要通过冷却液对机体和一级中冷器进行冷却，一级中冷器和机体的热量均通过工作过程计算模型得到，高温水散热器负责对整个高温循环系统的冷却液进行冷却。低温循环系统主要负责对二级中冷器和润滑油进行冷却，运行方式和原理与高温循环系统相似。

2.2模型的验证

在大气压力为1.01 bar、温度为25 ℃、转速为2 200 r/min、油门为100%的工况条件下，柴油机冷却散热实验值和计算值对比如表1所示。可以看出：除了二级中冷器处散热量误差较大外，其余指标误差均控制在较小的范围内。

3　海拔高度影响分析

利用上述模型分别选取0、1、2、3、4、5 km这6种海拔高度计算分析其对柴油机冷却散热的影响。表2为不同海拔高度下的大气各项性能参数。

表1　柴油机冷却散热实验值与计算值对比

表2　不同海拔高度下的大气各项性能参数

3.1柴油机功率随海拔的变化趋势

图3　柴油机功率随海拔变化曲线

图3为柴油机功率随海拔变化曲线。可以看出：海拔高度在2 km以下时，海拔每升高1 km，柴油机功率下降2 kW左右；当海拔高度在2～4 km之间时，下降幅度增加到6 kW/km；当海拔由4 km上升到5 km时，功率下降超过了10 kW。与大气的各项性能参数相比，随着海拔升高，柴油机功率下降的相对幅度并不大，即使在海拔5 km时，功率下降也未超过3%，表明该柴油机两级涡轮增压系统具有良好的高原适应性。

3.2冷却空气质量流量随海拔变化趋势

图4为冷却空气质量流量随海拔变化曲线。可以看出：随着海拔升高，冷却空气的质量流量不断减小，这是由于冷却风扇的传动比及转速是固定的，因此冷却空气的质量流量只与同海拔高度时的空气密度相关。

图4　冷却空气质量流量随海拔变化曲线

3.3中冷器散热量随海拔的变化趋势

图5为中冷器散热量随海拔变化曲线。可以看出：1)在较低海拔时，一级中冷器的散热量随海拔升高而增大，这是由于压气机对空气增压的影响大于随海拔升高空气温度降低的影响，而在海拔超过2 km以后，空气温度降低的影响大于压气机对空气增压的影响，散热量随海拔升高开始减小；2)二级中冷器散热量随海拔升高而逐渐减小，这是由于在经历了一级增压中冷之后，新鲜空气的温度基本保持稳定，随着海拔升高，大气温度的降低对进气温度的影响已可忽略，二级中冷器换热量只与新鲜空气质量流量呈正相关。

图5　中冷器散热量随海拔变化曲线

3.4高温散热器散热量随海拔的变化趋势

图6为高温散热器散热量随海拔变化曲线。可以看出：高温散热器散热量随海拔升高而不断减小，这是由于冷却空气的质量流量随海拔的升高而不断减小，冷却空气带走热量的能力不断下降；海拔在2 km以下时，高温散热器散热量的下降幅度较小，这是因为一级中冷器的散热量在海拔2 km以下时逐渐增加，在一定程度上延缓了高温散热器散热量的减小。

图6　高温散热器散热量随海拔变化曲线

3.5冷却液出水温度随海拔的变化趋势

图7为机体冷却液出水温度随海拔变化曲线。可以看出：机体冷却液出水温度随海拔升高而不断升高，这是由于机体冷却液出水温度的变化与气缸套传递给冷却液的热量有直接关系[6]，而气缸套的热量是由燃气传递过来的，它的变化规律与燃气带走热量的变化规律相同。

图7　机体冷却液出水温度随海拔变化曲线

4　结论

笔者利用GT-power软件建立了某军用柴油机工作过程及冷却散热模型,利用软件内部数据传递的方法将中冷器工作过程模型内部的换热量传递给冷却散热模型，从而实现了两者之间的耦合计算，并通过实验证明了该模型的正确性。

通过改变模型的参数值，研究了不同海拔下柴油机的工作状态。结果表明：随着海拔升高，由于空气压力、密度、温度、空燃比和燃油效率的降低，柴油机的功率、新鲜空气流量、两级中冷器的散热量和散热器的散热量等都呈下降趋势，机体冷却液的出水温度随海拔上升而不断升高，但变化幅度并不大，考虑到模型存在一定程度的误差，还需作进一步的研究。

[1]任素慧，李人宪.高原条件下柴油机速度特性的计算模拟[J].内燃机，2007,(1):25-28.

[2]汪茂海，陈涛，张扬军，等.高原发动机热管理系统性能分析研究[J].汽车工程，2010,32(10):851-853.

[3]刘瑞林，王凯，周磊，等.海拔高度对柴油机冷却系统性能影响的仿真研究[J].军事交通学院学报，2014,16(9):26-30.

[4]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011:48-49.

[5]王普凯.车用大功率内燃机热状态建模与计算研究[D].北京:装甲兵工程学院,2009.

[6]刘晓，毕小平，李义军，等.冷却系统热流量分配计算与试验对比分析[J].车辆与动力技术，2013，129(1):41-44.

(责任编辑: 尚菲菲)

Study on Variable Altitude Capability of the Cooling and Radiating System in Two-stage Turbocharged and Intercooled Diesel Engine

LIU Jian-min1, HE Pan-pan2, WANG Pu-kai2, LIU Yan-bin2, HAN Li-jun2

(1. Department of Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To analyze the plateau adaptability of the cooling and radiating system in the two-stage turbocharged and intercooled diesel engine, the coupling calculation model of working process, cooling and radiating system is established using the software of GT-power. After being certificated by the experiment data, then the model is used to predict the changing law of cooling and radiating capability of the diesel engine at variable altitude. The result shows that with the increase of altitude, the power, mass flow of the cooling air, the heat volume of cooling and radiating engine, and the temperature of cooling water in the diesel engine are all decreased, which provides a theoretical basis to improve the cooling and radiating of the diesel engine.

diesel engine; two stage turbocharged and intercooled; altitude; cooling and radiating

1672-1497(2016)04-0035-05

2016-04-12

国家“973”计划项目

刘建敏(1963-)，男，教授，博士。

TK424.2

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.04.007