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冷却液中加空气来实现发动机传热效率优化

2020-03-31 08:08:38·  来源：内燃机学报  
　
共勉 4天前冷却液中加空气来实现发动机传热效率优化01引言随着油耗法规的升级以及发动机强化程度的提升，发动机热管理的作用逐渐凸显出来，先进的热管理系统不仅
01  引言

随着油耗法规的升级以及发动机强化程度的提升，发动机热管理的作用逐渐凸显出来，先进的热管理系统不仅能提升发动机的热效率，同时还能降低发动机排放。目前为了实现更加精确的热管理，一些新技术以及新设备已经应用于发动机上，包括电子水泵、双温度循环系统、电控阀门等，本次推送将介绍另外一种实现发动机高效热管理的方法。该方法在冷却液中喷入空气，针对发动机的运行工况来动态调整空气压力。在发动机暖机工况下，喷入冷却液的空气压力较高，这些空气在机体表面形成气膜，这样能够有效减少散热损失，从而实现发动机快速热机。在发动机正常运行工况下，喷入冷却液的空气压力较低，这部分空气能够在冷却液中形成湍流扰动，从而增强冷却液的湍流强度，提高散热效率。

02  试验系统介绍

图1为该热管理系统的系统结构图，该试验是在一台汽油机上开展的，从图中可以看出与常规汽油机冷却系统最大的不同之处在于该系统在冷却水入口处加入了空气喷嘴，喷射的压力由电控压力调节阀来控制，在气路中还加入了止回阀，防止冷却液倒流。高压气体来源于空气压缩机。实验中，气体喷入有三个周期，第一个周期的喷射压力为1.75bar，流量为10 L/min；第二个周期的喷射压力与第一个周期一致，流量变为20L/min；第三个周期的喷射压力为1.6bar，喷射流量为30 L/min。试验工况点见表1，气体喷射周期时长为6s。图2为热相机拍摄的气缸头温度分布图以及冷却液温度测点，测点位于气缸头附近（P点）。

图1 热管理系统图

表1 试验工况表
 
图2 热相机拍摄的气缸头温度分布图以及冷却液温度测点

03  结果分析

图3为不同工况下P点最高温度、最低温度以及平均温度，从图中可以看出各工况点P点最高温度为118℃，低于冷却系统的临界温度，因此不会对发动机的冷却系统造成损坏，能够满足发动机的使用要求。

图3 不同工况下P点最高温度、最低温度以及平均温度

图4为不同测试点热机时间对比，发动机热机时间对发动机油耗以及排放物有着重要的影响，发动机在冷机阶段排放的THC和CO要高于充分热机阶段。图中工况点6、7、8分别为1、4、5对比工况点；2、3工况点为对比工况点，主要对比气体流量以及压力的影响。从图中可以看出和没有冷却液中没有空气的工况点对比，冷却液中加入空气能够有效缩短热机时间，最高可缩短33%的热机时间。

图4 不同测试点热机时间对比

图5为测试点1、2、3、6在热机阶段油耗对比，从图中可以看出，在刚开始热机时，测试点2和3的油耗要低于测试点6，但是测试点1的油耗要高于测试点6。随着发动机热状态的提升，油耗逐渐降低，测试点2的油耗始终要低于测试点6，而且降幅较大，测试点1后期的油耗要低于测试点6。因此，整体而言采用冷却液中加入空气的策略能够降低热机阶段的油耗，尤其是采用测试点2的空气喷射策略。

图5 热机阶段油耗对比

图6为测试阶段耗油量以及省油率，其中图（a）为耗油量对比，图（b）为省油率对比。采用该热管理系统对应对比测试点大部分能实现热机阶段油耗降低，最高可降低5.8%（工况点2），但是工况点5的油耗要高于对比工况点。整体而言采用该热管理系统能够实现油耗的降低。

图6 测试阶段耗油量以及省油率

图7为热机阶段NO排放对比，从图中可以看出，测试工况点1和2的NO排放要低于对比测试点6，测试工况点3的NO排放量要高于对比测试点6。测试工况点4的NO排放要低于对比测试点7，测试工况点5的NO排放要高于对比测试点5。从油耗以及NO排放分析可以看出，测试点2不仅能够实现热机阶段油耗的降低，同时也能实现NO排放的降低。

图7 热机阶段NO排放对比

图8为热机完成后NO排放对比，热机完成后工况点1的NO排放要远低于测试点6，降低幅度超过了50%，于此同时测试点4的NO排放也要明显低于对比测试点4的NO排放，测试工况点5的NO排放要高于对比测试工况点8。无论是油耗以及热机阶段、热机完成阶段，工况点8所采取的措施均使油耗升高，排放升高，因此在实际使用中应避免使用该模式。

图8 热机完成后NO排放对比

04  总结

通过分析可知，该种热管理措施通过技术优化能够实现油耗以及排放的降低，但是在发动机不同的工作环境下，空气喷射的压力、频率以及流量应该动态调整，于此同时该系统的可靠性还有待提高。
 
 
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