海拔对柴油机热平衡的影响研究.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n海拔对柴油机热平衡的影响研究李章恒,刘典云,张文雄,张双付,解礼兵(中汽研汽车检验中心(昆明)有限公司,云南 昆明 )摘要:通过研究柴油机在不同海拔下的热量分配和热效率情况,表明随着海拔的增加,柴油机燃烧功率和输出功率逐渐降低,而排气散热功率逐渐增加.同时,循环水散热功率和占比均随着海拔的升高而降低,相比米降低 之间.余项热量损失功率和占比均随着转速的升高而增加;随着海拔的升高,排气热量和余项热损失占比保持不变,而柴油机热效率占比随着海拔的升高呈现下降的趋势,在负荷特性下,这些参数基本不受海拔的影响.在高海拔地区,随着发动机本体热负荷增加,在发动机零部件设计时应充分考虑高海拔带来的热应力增加,以保证高海拔下的零部件可靠性.关键词:柴油机;高海拔;热平衡;试验中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()R e s e a r c ho nI n f l u e n c eo fA l t i t u d eo nH e a tB a l a n c eo fD i e s e lE n g i n e sL iZ h a n g h e n g,L i uD i a n y u n,Z h a n gW e n x i o n g,Z h a n gS h u a n g f u,X i eL i b i n g(C AT A R CA u t o m o t i v eT e s tC e n t e r(K u n m i n g)C o,L t d,Y u n n a nK u n m i n g )A b s t r a c t:B ys t u d y i n g t h eh e a t d i s t r i b u t i o na n d t h e r m a l e f f i c i e n c yo fd i e s e l e n g i n e sa td i f f e r e n t a l t i t u d e s,i t i s s h o w nt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo f a l t i t u d e,t h e c o m b u s t i o np o w e r a n do u t p u tp o w e ro fd i e s e l e n g i n e sg r a d u a l l yd e c r e a s e,w h i l e t h ee x h a u s th e a td i s s i p a t i o np o w e rg r a d u a l l yi n c r e a s e s M e a n w h i l e,C i r c u l a t i n gw a t e rh e a td i s s i p a t i o np o w e ra n dp r o p o r t i o nd e c r e a s ew i t h t h e i n c r e a s e o f a l t i t u d e,w i t ha d e c r e a s e o f c o m p a r e d t o m e t e r s T h e r e m a i n i n gh e a t l o s s p o w e r a n dp r o p o r t i o n i n c r e a s ew i t h t h e i n c r e a s eo f s p e e d;W i t h t h e i n c r e a s eo f a l t i t u d e,t h ep r o p o r t i o no f e x h a u s t h e a t a n d r e s i d u a l h e a t l o s s r e m a i n su n c h a n g e d,w h i l e t h ep r o p o r t i o no f d i e s e l e n g i n e t h e r m a l e f f i c i e n c y s h o w s ad e c r e a s i n g t r e n dw i t ht h e i n c r e a s eo f a l t i t u d e U n d e r l o a dc h a r a c t e r i s t i c s,t h e s ep a r a m e t e r sa r eb a s i c a l l yn o t a f f e c t e db ya l t i t u d e I nh i g h a l t i t u d ea r e a s,a s t h e t h e r m a l l o a do f t h ee n g i n eb o d y i n c r e a s e s,t h e i n c r e a s e i nt h e r m a l s t r e s sc a u s e db yh i g ha l t i t u d es h o u l db ef u l l yc o n s i d e r e d i n t h ed e s i g no f e n g i n e c o m p o n e n t s t oe n s u r e t h e r e l i a b i l i t yo f c o m p o n e n t s a th i g ha l t i t u d e K e yw o r d s:D i e s e l e n g i n e;H i g ha l t i t u d e;H e a tb a l a n c e;T e s t作者简介:李章恒(),男,硕士研究生,主要研究方向为机动车高原检测认证及测试技术.概述柴油机作为应用广泛的动力设备,在国民工业的各行各业发挥着重要的作用,在柴油机工作的实际工程中,喷入缸内的燃油燃烧后释放的热量仅有不到一半转化为有效功,另外很大一部分都被排气气流、发动机冷却水、中冷散热器及发动机机体对外辐射散热等耗散.我国高原地区幅员辽阔,海拔高于 m的国土面积约占全国的 ,常驻人口达到 亿,载货汽车保有量 万辆,大中型农用机械和占全国比重达到 .与平原相比,高原地区大气压力低,含氧量低,海拔起伏大,相对于东部低海拔地区,柴油机在高原环境下燃烧恶化、热负荷增大等引起柴油机的动力性、经济性和热平衡性等指标发生显著变化,使设备难以满足工作要求.海拔对柴油机热平衡的影响是一个复杂的理化现象,涵盖了物理学、化学和工程学的多方面知识.随着全球海拔差异化的发展,探究海拔对柴油机热平衡的影响显得尤为重要.随着海拔的升高,柴油机进气量减小、缸内氧含量降低、油气混合质量变差、滞燃期变长,燃油燃烧不充分,燃烧状况恶化,小负荷下火焰淬熄和局部缺氧加剧、缸内燃烧温度增加、后燃现象严重等导致燃油燃烧不完全,T H C、C O和碳烟颗粒排放增加、排气温度升高,机体热负荷增加,同时冷却系统的散热能力也会下降.因此通过试验研究柴油机在高原环境下的热平衡就显得十分重要.韩冰通过搭建柴油机试验台架研究了不同转速、负荷及冷却水温度下的柴油机各部分热量的分配和平衡情况.杨春浩等人通过建立发动机热平衡试验系统,验证了在不同海拔条件下的两级增压柴油机热平衡性能,结果表明,两级增压柴油机在高海拔条件下工作时,缸内燃烧的最高温度将提高,发动机热负荷将增加;在高原环境下通过采用两级增压技术可以使得柴油机的动力性获得恢复,但是低转速的动力性恢复没有中高转速好.熊祖明通过搭建的柴油机热平衡试验台架,研究了不同水温条件下柴油机的热平衡分布,得到随着进水温度升高,柴油机冷却水散热量将越少,同时排气温度将升高导致排气带走的热量将增加,并且在柴油机中小负荷对油耗也会有所改善.裴兆强通过仿真模拟压力和温度的变化来模拟不同澳元环境对柴油机各部分热量的变化,表明海拔升高,有效热效率下降,排气和中冷器带走的热量将减小,循环水和余项热损失将增加.许翔等人通过自行搭建的热平衡模拟试验台,研究了柴油机的热流量分配随海拔高度变化的关系,得到柴油机功率和排气损失功随海拔的升高而降低.通过研究柴油机在不同海拔下的热量分配问题,能够为在高原特殊环境下工作的柴油机匹配循环水散热系统的关键产生设计优化、如水泵扬程、流量的匹配设计;有助于分析判断柴油机在高海拔下工作时,机体零部件是否会 年第 期出现热集中现象,从而影响使用寿命;通过了解高海拔下的柴油机热量的分布,对进一步利用余项热损失提供指导,改善柴油机的热效率和经济性.研究方法、对象及设备 研究方法通过在发动机台架试验室运用海拔模拟设备测试发动机不同海拔下的外特性和负荷特性,记录燃油消耗量根据燃油热值换算为燃油燃烧功率,通过测功机测得的功率计算发动机热效率,通过测量进气流量和燃油流量及排气温度得到排气散热功率,通过测量水流量和进出水温度得到循环水散热功率,最后得到随机体辐射、燃油为完全燃烧等的余项热损失,分析随着海拔的升高,各分项热负荷的变化,并开展产生变化的机理研究.研究对象本次试验以一台轻型国四自然吸气柴油机为研究对象,该柴油机采用电控高压共轨、缸内直喷、废弃再循环技术,其主要技术参数见表.表柴油机主要技术参数项目内容发动机型式直列缸四冲程缸数缸径/mm 排量/L 压缩比 :进气方式自然吸气额定功率/k W 额定功率转速/r e v/m i n 最大扭矩/N m 最大扭矩转速/r e v/m i n 怠速转速/r e v/m i n 后处理型式D O CD P F后处理工作温度/测试设备研究用测试设备主要包括进气海拔模拟系统、电力测功机、油耗仪、进气流量计、循环水冷却系统等,主要测试设备参数见表.表试验用测试设备参数设备名称参数AV L k W电力测功机扭矩:Nm功率:k W油耗仪流量:k g/h冷却系统温度:流量:L/m i n进排气海拔模拟系统模拟海拔:米流量计流量:k g/h研究结果及分析 燃油燃烧功率受海拔的影响图不同海拔燃油燃烧功率图表示不同海拔下,柴油机外特性下燃油完全燃烧能够发出的功率随转速的变化.从图上可以得知,相同海拔下随着转速的增加,柴油机燃烧功率增加,并随着海拔的升高,相同转速下的燃油燃烧功率降低.高原相比平原环境,由于大气压力降低,进入气缸的空气量减小,导致喷油量和燃烧产生的功率相应减小,海拔越高下降幅度越大,海拔 米时燃烧产生的功率平均降低 ,米时达到 ,米最大降幅为 ,海拔 米下降幅度可达 .输出功率和热效率受海拔的影响高原环境大气稀薄,氧含量低,发动机在高海拔进气量不足,将导致输出功率降低,同时热负荷增加,发动机热效率减小.图表示不同高原环境下,柴油机输出功率随海拔的变化.由图可知,在同一海拔下,随着转速的增加外特性下的输出功率同步增加,随着海拔的升高相同转速下的输出功率随之降低,米海拔相比平原在 r e v/m i n额定转速降低 .图不同海拔输出功率由图可知,同一海拔下,柴油机外特性热效率随转速的增加而降低,同时随着海拔的升高,柴油机热效率降低,平原外特性下的平均热效率为 ,米为 ,米降为 ,米为 ,米降为 .图不同海拔热效率 排气散热功率受海拔的影响发动机排出的尾气由于温度较高会带走很大一部分燃烧产生的热量.如图和图所示,在同一高原环境下,排气带走的散热功率随着转速的增加而升高,同时排气带走的热量占燃油燃烧发出的热量的比例也同步升高在额定点时占比达到.随着海拔的增加导致发动进气量减小,排气散热功率呈现下降的趋势,但是排气散热占燃油总热量的比例在 r e v/m i n以下随着还得升高降低,在 r e v/m i n以上基本不受海拔变化的影响.图不同海拔排气散热功率内燃机与配件w w w n r j p j c n图不同海拔排气散热占比 循环水散热功率受海拔的影响燃油在缸内燃烧时,会通过热辐射和热传导将热量传递给发动机机体,同时曲柄连杆活塞机构的相对摩擦也会产生大量的热能,为降低发动机机体的热负荷,需要通过循环水带走这部分热量,使发动机机体处于一个合理的工作温度.如图和图所示,在同一高原环境下,随着转速的增加发动机循环水带走的热量增加增加,同时占总热量的比例随着转速的升高而降低,由低 转 速 的 降低到高转速 .高海拔下,由于燃油喷射量减小,总热量降低,循环水散热功率随着海拔的升高而降低,米相比米降低 之间,同时循环水散热占比随着海拔的升高而升 高,由米 的 升高到 米的 .图不同海拔循环水散热功率图不同海拔循环水散热占比 余项热量损失受海拔的影响图不同海拔余项热损失功率燃油燃烧产生的热能除了转换为输出功、排气散热和循环水散热外,还存在发动机本体向外辐射的热、燃油未完全燃烧的热量损失等.从图和可知,随着转速的升高,余项散热功率随之增加,并且随着海拔的增加余项散热功率略微降低,余项散热占比在整个转速区域内维持在 左右,随着海拔的增加余项散热占比呈现略微增加.图不同海拔余项热损失占比 负荷特性对热量分布的影响通过研究柴油机在 r e v/m i n时,不同负荷下的热量分布.通过图 可以看到燃油燃烧功率与负荷呈现线性变化关系,随着负荷增加而增加,且不受海拔变化的影响.这是由于柴油机为质调节,海拔变化只能影响最大负荷下的进气量,对于部分负荷则没有影响.图 负荷特性燃油燃烧功率在低负荷时由于摩擦阻力等占比较高,导致柴油机热效率低.由图 可知,柴油机负荷特性下有效功率随着负荷的增加呈现线性增加,而图 热效率随负荷的增加而增加但最终趋近于 左右,负荷特性下有效功率和热效率在不同海拔下的变化趋势表现一致,都不受海拔变化的影响.图 负荷特性有效功率图 负荷特性热效率图 表明 r e v/m i n的负荷特性下,排气散热功率 年第 期同样随着负荷的增加而呈现线性增加,不同海拔下的排气散热功率变化趋势一致;图 表明,排气散热占比在低负荷时虽然排气散热功率不高,但占比最高能达到 左右,随着负荷的增大呈现下降的趋势并最终趋于 左右,这是由于在低负荷时,有效功占比偏低,致使排气散热占比偏大,同时不同海拔对中低负荷的排气散热影响较大.图 负荷特性排气散热功率图 负荷特性排气散热占比图 是 r/m i n下不同负荷的循环水散热功率和占比,可以看到循环水散热功率随着负荷的增加而增加,而在低负荷时,循环水带走的热量能够占到总体热量的 ,循环水散热占比随着负荷的增大而下降并趋于 左右,且海拔变化对循环水散热功率和占比影响不大.图 负荷特性循环水散热功率图 负荷特性循环水散热占比图 是余项热损失功率和占比,随着负荷的增加余项热损失功率增加,而热损失占比 由 降 低 到,同时不同海拔对余项散热影响较大,这主要是热效率、排气散热和循环水散热受到海拔的影响.图 负荷特性余项热损失功率图 负荷特性余项热损失占比结论随着海拔的升高,柴油机燃油喷射量减小,燃油燃烧产生的功降低,并导致发动机有效功、循环水散热功、排气带走的热量和余项热损失同步降低.同时柴油机热效率占比随着海拔的升高同样呈现下降的趋势,而循环水散热占比和余项热量损失占比随着海拔的升高而增加,但柴油机的排气散热占比随着海拔的升高基本保持不变.另外,柴油机不同负荷下热效率、排气散热占比、循环水散热占比和余项热损失占比基本不受海拔的影响.从本次的研究结果可知,海拔升高通过发动机本体的散热占比将增加,意味着在高海拔地区,发动机本体热负荷增加,在发动机零部件设计时应充分考虑高海拔带来的热应力增加,以保证高海拔下的零部件可靠性.参考文献:刘瑞林柴油机高原环境适应性研究M北京:北京理工大学出版社 周广猛,刘瑞林,董素荣,等柴油机高原环境适应性研究综述J车用发动机,()俞小莉,李婷发动机热平衡仿真研究现状与发展趋势J车用发动机,()韩冰,柴油机的热平衡及缸盖的传热研究D陕西:西安交通大学 杨春浩,刘瑞林,焦宇飞,等二级可调增压柴油机变海拔热平衡试验J热科学与技术,():熊祖明,基于冷却水温度的柴油机热平衡试验的研究D合肥:安徽农业大学 裴兆强,高原柴油机热量分配计算及研究D大连:大连理工大学 许翔,刘楠,刘刚高压共轨柴油机高海拔热平衡模拟试验研究J车用发动机,():张万里,焦其伟WD 发动机低负荷热平衡分析C中国内燃机学会 年学术年会暨燃烧、测试分会联合学术年会论文集 :