在國家節(jié)能減排政策的驅(qū)動下，內(nèi)燃機(jī)呈現(xiàn)出高效可靠、緊湊輕量和低排放的發(fā)展趨勢，升功率密度不斷提高，加之諸多先進(jìn)技術(shù)的采用，更進(jìn)一步地導(dǎo)致其整機(jī)散熱量急劇增加。這對內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，需要其在更為惡劣的環(huán)境下具備更高的傳熱能力和效率。本次推文以某 4 缸增壓中冷柴油機(jī)為研究對象，基于AVL臺架搭建柴油機(jī)性能測試系統(tǒng)，獲得傳統(tǒng)的乙二醇(EGC)冷卻液和無水丙二醇(PGC)冷卻液對柴油機(jī)冷卻液出口溫度、潤滑油溫度、尾氣排放和燃油消耗量的影響規(guī)律，這將為開展內(nèi)燃機(jī)高效傳熱研究提供重要的思路。

01  試驗裝置及方法

研究樣機(jī)為一臺4缸水冷四氣門、增壓中冷柴油機(jī)，基于AVL臺架，搭建了柴油機(jī)性能測試系統(tǒng)，系統(tǒng)示意如圖1所示。
試驗過程中，在柴油機(jī)測試臺架的冷卻水路上加裝渦輪流量計，用來記錄柴油機(jī)循環(huán)冷卻液介質(zhì)的體積流量；利用水溫控制系統(tǒng)控制柴油機(jī)試驗臺架冷卻水箱循環(huán)溫度；同時在柴油機(jī)油底殼和冷卻液出口布置溫度傳感器，測量和記錄柴油機(jī)冷卻液出口溫度和潤滑油溫度。


圖1 試驗臺架示意

根據(jù)該柴油機(jī)配套卡車的整車路譜信息，設(shè)計近似整車實際運行工況的LV14工況點循環(huán)，測試并記錄柴油機(jī)冷卻液出口溫度、潤滑油溫度、尾氣排放和燃油消耗量等結(jié)果。具體試驗工況如表1所示。

為了模擬兩種不同冷卻工質(zhì)啟動、暖機(jī)和小負(fù)荷等冷卻系統(tǒng)溫度較低工況和在持續(xù)大負(fù)荷、滿負(fù)荷等冷卻系統(tǒng)溫度較高工況對柴油機(jī)工作性能的影響，在上述柴油機(jī)試驗工況下，設(shè)定兩種不同的柴油機(jī)試驗臺架冷卻水箱循環(huán)溫度，系統(tǒng)地開展柴油機(jī)性能試驗，冷卻水箱循環(huán)溫度分別為80和95℃。

圖2 LV14循環(huán)試驗工況


02  柴油機(jī)工作溫度對比

表2和表3為設(shè)定不同柴油機(jī)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度和在不同工況下，分別使用PGC和 EGC冷卻液對柴油機(jī)冷卻液出口溫度和潤滑油溫度的影響。當(dāng)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 80℃時，柴油機(jī)使用PGC冷卻液的平均出口溫度為 80.77℃，使用EGC冷卻液的平均出口溫度為 82.10℃，即柴油機(jī)使用PGC冷卻液的出口溫度低于使用 EGC 冷卻液；柴油機(jī)使用 PGC 和 EGC 冷卻液的潤滑油平均溫度分別為 81.90℃和 76.89℃，即柴油機(jī)使用PGC 冷卻液比使用EGC冷卻液潤滑油溫度上升5℃左右。這表明在柴油機(jī)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為80℃時，柴油機(jī)使用PGC冷卻液冷卻系統(tǒng)的散熱量較小，使得柴油機(jī)和潤滑系統(tǒng)升溫較快，有利于柴油機(jī)的冷啟動和快速暖機(jī)，進(jìn)而降低啟動時的尾氣排放和機(jī)械磨損。當(dāng)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃時，柴油機(jī)使用 PGC和EGC冷卻液的平均出口溫度分別為96.79℃和97.86℃，使用PGC和EGC冷卻液的潤滑油平均溫度分別為90.49℃和89.93℃，即使用PGC冷卻液的出口溫度和潤滑油溫度與使用EGC冷卻液相持平。這表明在柴油機(jī)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃時，柴油機(jī)使用PGC冷卻液仍然可以保持冷卻系統(tǒng)具有良好的散熱能力，滿足柴油機(jī)的工作需求。

結(jié)合柴油機(jī)熱平衡和不同冷卻介質(zhì)物性，綜合分析兩種冷卻液在不同工況下的冷卻能力。雖然無水丙二醇冷卻液相對于乙二醇冷卻液的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較小，但是無水丙二醇冷卻液黏度隨溫度升高而降低，冷卻水腔內(nèi)的流量增加，從而提高換熱系數(shù)，增大冷卻項攜帶的能量，能夠滿足持續(xù)大負(fù)荷或滿負(fù)荷工況下，柴油機(jī)對冷卻系統(tǒng)的要求，使得柴油機(jī)在合理的溫度范圍內(nèi)工作。

表2 臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 80 ℃時柴油機(jī)工作溫度對比


表3 臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃時柴油機(jī)工作溫度對比


03  柴油機(jī)尾氣排放對比

圖2為各循環(huán)工況點使用PGC和EGC冷卻液對柴油機(jī)NOx排放的對比。圖2a所示臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為80℃時，柴油機(jī)使用PGC和EGC冷卻液的NOx排放加權(quán)平均值分別為 430.39×10-6和403.57×10-6，即在LV14 循環(huán)工況下，柴油機(jī)使用PGC冷卻液比使用 EGC冷卻液的NOx排放加權(quán)平均值增加了 6.65%。圖2b所示臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為95℃時，柴油機(jī)使用PGC和EGC冷卻液的NOx排放加權(quán)平均值分別為465.97×10-6和389.19×10-6，即在LV14循環(huán)工況下，柴油機(jī)使用PGC冷卻液比使用EGC冷卻液的NOx排放加權(quán)平均值增加了19.73%；當(dāng)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃，在大負(fù)荷工況2、5和11下運轉(zhuǎn)時，使用PGC冷卻液使得NOx排放增加了大約30%。主要原因是：柴油機(jī)使用PGC冷卻液，使得缸內(nèi)的溫度有所上升，增加氮氣在高溫環(huán)境的停留時間，提高了NOx的生成速率，使得NOx排放有所增加。


圖2 LV14 循環(huán)工況點兩種冷卻液對 NOx排放的影響

圖3為各循環(huán)工況點分別使用PGC和EGC冷卻液對柴油機(jī)煙度排放的對比。圖3a 所示臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為80℃時，使用PGC和EGC冷卻液的煙度排放加權(quán)平均值分別為 0.138 FSN和0.148 FSN，即在LV14循環(huán)工況下，使用 PGC 冷卻液相比于使用EGC冷卻液使柴油機(jī)煙度排放的加權(quán)均值減少了 6.8%。圖3b所示臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃時，使用 PGC 和 EGC 冷卻液的煙度排放加權(quán)平均值分別為 0.126 FSN和 0.133 FSN，即在LV14循環(huán)工況下，使用 PGC 冷卻液相比于使用EGC 冷卻液使柴油機(jī)煙度排放的加權(quán)平均值減少了5.3%。由此可以得出，通過提高臺架冷卻水箱循環(huán)溫度和使用 PGC 冷卻液都可以達(dá)到改善柴油機(jī)煙度排放的效果；當(dāng)柴油機(jī)在工況2和8煙度排放較高的狀態(tài)下，雖然通過增加臺架冷卻水箱循環(huán)溫度可以降低柴油機(jī)的煙度排放，但是使用 PGC 冷卻液對煙度排放的降低效果更加顯著。主要因為柴油機(jī)煙度產(chǎn)生的根本原因是燃油與空氣混合不均勻，雖然柴油機(jī)的空燃比較大，但是在實際運行中，缸內(nèi)仍然存在局部嚴(yán)重缺氧區(qū)，使得燃燒質(zhì)量下降造成煙度排放增加。通過提高臺架冷卻水箱循環(huán)溫度和使用 PGC 冷卻液，提高了柴油機(jī)工作溫度，有利于燃油快速蒸發(fā)，改善燃油與空氣混合的均勻性，從而降低柴油機(jī)的煙度排放。


圖3 LV14循環(huán)工況點兩種冷卻液對煙度的影響

圖4為各循環(huán)工況點分別使用PGC和EGC冷卻液對柴油機(jī)CO排放的對比。在LV14循環(huán)工況下，使用PGC冷卻液相比于使用EGC冷卻液使柴油機(jī)CO排放的加權(quán)平均值減少了3.57%。圖4b所示臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)為 95℃時，使用PGC和EGC冷卻液的CO排放加權(quán)平均值分別為541.07×10-6和556.25×10-6，即在 LV14 循環(huán)工況下，使用 PGC 冷卻液相比于EGC冷卻液使柴油機(jī)CO排放的加權(quán)平均值減少了2.73%。這是因為 PGC 冷卻液的定壓比熱容相對較小，熱量吸收能力相對于 EGC 冷卻液較小，使得柴油機(jī)燃燒室可以保持較高的溫度，有利于CO氧化為CO2，同時燃燒室溫度升高促進(jìn)燃油蒸發(fā)，進(jìn)而形成更加均勻的混合氣，改善燃燒品質(zhì)減少CO排放。


圖4 LV14循環(huán)工況點兩種冷卻液對CO排放的影響

圖5為各循環(huán)工況點分別使用PGC和EGC冷卻液對柴油機(jī)HC排放的對比。在不同臺架冷卻水箱循環(huán)溫度下，使用PGC冷卻液對試驗的各個工況都能夠達(dá)到降低HC排放的效果。綜合排放分析可以得出，使用PGC冷卻液使得柴油機(jī)燃燒室溫度升高，燃油霧化更好，蒸發(fā)快，油、氣混合均勻，火焰快速傳播，導(dǎo)致燃燒充分和穩(wěn)定。由于燃燒室溫度提高導(dǎo)致NOx排放略微增加，但是柴油機(jī)的煙度、CO和HC都降低，尤其是在煙度、CO和HC排放較大的工況，使用PGC冷卻液被降低效果更加顯著。


圖5 LV14循環(huán)工況點兩種類型冷卻液對HC排放的影響

04  柴油機(jī)燃油消耗量對比

圖6為在LV14循環(huán)工況下使用PGC和EGC冷卻液的燃油消耗量對比。在LV14循環(huán)工況下，柴油機(jī)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為80℃時，柴油機(jī)使用 EGC 冷卻液的加權(quán)平均燃油消耗量為7.35 kg/h，更換PGC冷卻液進(jìn)行試驗，加權(quán)平均燃油消耗量為7.29 kg/h，即 LV14 循環(huán)工況的加權(quán)平均燃油消耗量降低 0.81% ；當(dāng)臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃時，使用EGC冷卻液加權(quán)平均燃油消耗量為7.40 kg/h，更換PGC冷卻液進(jìn)行試驗，加權(quán)平均燃油消耗量為7.17 kg/h，即LV14 循環(huán)工況的加權(quán)平均燃油消耗量降低了3.11%。


圖6 發(fā)動機(jī)兩種冷卻液的燃油消耗量對比

結(jié)論

(1) 當(dāng)柴油機(jī)試驗臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為80℃時，柴油機(jī)使用PGC冷卻液和使用 EGC 冷卻液的出口溫度分別為80.77℃和 82.81℃，潤滑油溫平均上升5℃左右；當(dāng)柴油機(jī)試驗臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為95℃時，使用PGC冷卻液的出口溫度和潤滑油溫度與使用EGC冷卻液相持平，表明在冷卻系統(tǒng)溫度較低時，使用PGC冷卻液有利于發(fā)動機(jī)的冷啟動和快速暖機(jī)，同時當(dāng)冷卻系統(tǒng)溫度較高時，使用PGC冷卻液仍然可以保持冷卻系統(tǒng)具有良好的散熱能力。

(2) 柴油機(jī)使用 PGC 冷卻液相比于使用 EGC冷卻液，在柴油機(jī)試驗臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為95℃和大負(fù)荷工況下NOx排放增加大約 30%，其他工況增加較??；在不同臺架冷卻水箱循環(huán)溫度下，使用 PGC 冷卻液對于柴油機(jī)的煙度、CO和 HC排放都有不同程度的降低，尤其是在煙度、CO和 HC排放較高的工況，降低效果更加顯著。

(3) 在柴油機(jī)試驗臺架冷卻水箱循環(huán)溫度設(shè)定為 95℃時，柴油機(jī)使用PGC冷卻液比使用 EGC 冷卻液的加權(quán)平均燃油消耗量降低了3.11%。