车辆冷却系统高原热平衡性能研究

2021-03-08许翔王丹徐俊芳王普凯刘刚

装备环境工程 2021年2期

许翔，王丹，徐俊芳，王普凯，刘刚

（1.中汽研（常州）汽车工程研究院有限公司，江苏常州 213164；2.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300；3.陆军装甲兵学院，北京 100072；4.陆军军事交通学院，天津 300161）

我国拥有世界上海拔最高、面积辽阔的高原。由于高原大气压力和空气密度低，车辆普遍存在动力下降明显、油耗和热负荷大、冷却系统散热能力严重不足等问题，导致发动机“开锅”、汽缸垫和排气管烧损、拉缸等故障频发[1-5]。根本原因是设计车辆冷却系统时未考虑高原环境条件对冷却系统散热性能的影响，冷却系统散热能力不能满足车辆的高原散热需求[6]。因此，研究高原环境条件对车辆及发动机冷却系统热平衡性能的影响规律，确定不同海拔与运行工况下冷却系统的最佳运行参数，对于车辆冷却系统的高原优化匹配设计，提高车辆的高原环境适应性具有重要意义。

文中通过高原模拟试验与仿真相结合的方法，研究了高原环境条件对发动机热平衡性能以及车辆冷却系统散热性能的影响规律，分析了海拔高度（大气压力）、环境温度、冷却液温度以及冷却风量等对车辆冷却系统散热性能的影响，为车辆冷却系统匹配、优化以及控制提供了依据。

图1 发动机高海拔热平衡模拟试验系统 Fig.1 Sketch of the engine high altitude heat balance simulation test system

1 发动机高原热平衡模拟试验

1.1 试验系统

发动机是车辆冷却系统的主要热源，为了获得发动机在不同海拔、运行工况和冷却条件下传给冷却液的热量，为车辆冷却系统高原热平衡性能仿真提供边界数据，设计了发动机高海拔（低气压）热平衡模拟试验系统（见图1）。该系统主要包括发动机进排气压力与温度模拟系统、电涡流测功机、瞬态油耗仪、冷却液恒温装置、中冷恒温装置、电控水泵以及各种流量、温度和压力传感器。试验系统具有以下功能和特点：试验过程中发动机的进气温度和进排气压力可控，可以模拟发动机在0~6000 m海拔范围内的工作状态；发动机冷却系统的运行参数可控，即冷却液流量和温度可根据试验需要进行精确控制。试验用发动机的主要技术参数见表1。

表1 发动机技术参数 Tab.1 Technical parameters of engine

1.2 试验结果

假设发动机的燃料充分燃烧，则燃烧产生的总热量Q0可以分为以下几个部分：转化为有效功的热量Qe、排气带走的热量Qex、冷却液带走的热量Qw以及余项热损失Qres（包括发动机摩擦损失、机体和油底壳等表面的散热量及其他能量损失）。

在发动机进排气压力和进口冷却液温度控制的条件下，进行了发动机变海拔热平衡模拟试验。发动机进口冷却液温度80 ℃时，发动机水套散热量随海拔高度和转速的变化如图2所示。海拔每升高1000 m，发动机水套散热量平均增加5.3%。由于海拔升高使发动机进气量减少，进而使缸内燃烧不充分，后燃严重，发动机缸内工质以及活塞和缸体等部件温度升高，导致发动机通过冷却水套传给冷却液的热量随着海拔升高明显增大。

图2 发动机水套散热量随海拔高度的变化 Fig.2 Change of heat dissipation of the engine water jacket with the altitude

发动机水套散热量随海拔高度和发动机入口冷却液温度的变化如图3所示。冷却液温度每升高10 ℃，水套散热量平均降低约14.5%。当海拔高度、冷却液温度和循环流量一定时，影响水套散热量的主要因素是发动机缸内燃气平均温度和冷却液与发动机水套之间的换热系数。由于海拔高度和冷却液温度对缸内燃气与气缸壁面之间的换热系数影响较小[7]。高原发动机气缸内平均燃烧温度升高[8-9]，使缸内燃气和冷却液之间的温差变大，随着冷却液温度的升高，海拔越高发动机水套的散热量下降幅度越明显。

图3 不同海拔下发动机水套散热量随冷却液温度的变化 Fig.3 Change of heat dissipation of the engine water jacket with the coolant temperature at different altitudes

2 车辆冷却系统仿真模型

基于Flow Master软件建立的车辆冷却系统仿真模型如图4所示。仿真模型中，水泵、节温器和散热器等关键部件的流阻特性和传热特性根据零部件实验数据确定。发动机传给冷却液的热量由发动机高原热平衡模拟试验提供。

散热器是车辆冷却系统的关键散热部件，也是受高原环境影响最大的冷却系统部件。在高原地区，由于海拔高度对空气的压力、密度、温度和运动黏度等物性参数有显著的影响，进而影响流经散热器冷却空气的质量流量和散热器的传热系数。研究表明，随着海拔的升高，流经散热器空气的流量和雷诺数减小，导致散热器的换热系数随海拔升高而减小。因此，在进行车辆冷却系统高原散热性能仿真时，必须对散热器的传热模型进行海拔高度的修正。具体修正方法可以参考文献[10]。

为了验证冷却系统模型高原仿真的精度，利用某型车辆冷却系统在海拔4200~4700 m条件下，2挡爬8%坡时的道路热平衡试验数据，对仿真模型进行了对比。发动机进出口冷却液温度的仿真结果与试验值对比见表2，仿真精度满足工程计算的需要。

表2 仿真结果与试验值的对比 Tab.2 Comparison between simulation results and test values

图4 车辆冷却系统仿真模型 Fig.4 Simulation model of vehicle cooling system

3 仿真结果及分析

不同散热器进口风速下，流经散热器的冷却空气质量流量随海拔高度的变化如图5所示。冷却空气的质量流量随着海拔的升高而显著降低。当海拔从0 m升高到5500 m时，冷却空气的质量流量平均下降约50.2%。

冷却系统散热量和发动机出口冷却液温度随环境温度的变化如图6所示。环境温度每降低10 ℃，冷却系统的散热量平均增大16.4%，散热器出口冷却液温度平均下降2 ℃。高原地区，年平均气温较低，海拔升高1000 m，大气温度平均下降约6 ℃。由于温度对冷却空气的密度等物性参数以及散热器的换热系数都有显著的影响，高原低温环境条件对发动机冷却系统散热是有利的。

图5 不同海拔下的冷却空气质量流量 Fig.5 Mass flow rate of cooling air at different altitudes

图6 散热量和出口冷却液温度随环境温度的变化 Fig.6 Change of heat dissipation and outlet coolant temperature with ambient temperature

图7 冷却系统散热量随海拔的变化 Fig.7 Change of heat dissipation of the cooling system with the altitudes

当环境温度为25 ℃、发动机出口冷却液温度为86 ℃时，不同海拔高度和散热器迎面风速对冷却系统散热量的影响如图7所示。当海拔高度从平原升高到5500 m时，冷却系统的散热量分别下降41.2%。5500 m海拔下，冷却系统的散热量仅为平原的58.8%。海拔每升高1000 m，散热量下降9.0%。冷却系统散热能力降低会导致发动机达到热平衡时冷却液的温度明显升高。

平原条件下，环境温度为25 ℃，发动机出口冷却液温度保持在86 ℃时，散热器入口冷却空气流速随发动机转速和负荷变化的MAP图见图8。

图8 空气流速-发动机转速-负荷MAP图 Fig.8 Air velocity - engine speed - engine load MAP

当环境温度为25 ℃，额定转速下发动机出口冷却液温度保持在86 ℃时，散热器入口空气流速随发动机负荷和海拔高度变化的MAP图见图9。

图9 空气流速-发动机负荷-海拔高度MAP图 Fig.9 Air velocity - engine load - altitudes MAP

环境温度为25 ℃，额定工况下发动机出液温度保持在86 ℃时，散热器入口冷却空气流速和流量随海拔的变化如图10所示。与平原相比，海拔5500 m 时冷却系统所需的冷却空气流量增大了48.2%。海拔平均每升高1000 m，冷却系统所需的冷却空气流量平均增大8.8%。在相同环境温度、转速及负荷条件下，为了保持相同的发动机热平衡状态（出口冷却液温度一定），冷却系统的散热能力必须随着海拔的升高而增大，而且海拔越高，增大幅度越大，冷却风扇的转速（流量）必须根据海拔高度的变化进行调节控制。