本文關(guān)鍵詞：工程機(jī)械柴油機(jī)動(dòng)態(tài)工況冷卻系統(tǒng)熱平衡研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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內(nèi) 燃 機(jī) 工 程2009年第4期

過(guò)高的問(wèn)題,影響機(jī)器的正常作業(yè)。因此工程機(jī)械必須從動(dòng)態(tài)角度來(lái)解決柴油機(jī)和冷卻系統(tǒng)的合理匹配問(wèn)題。在汽車(chē)的動(dòng)態(tài)熱平衡模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)冷卻系統(tǒng)的非線性熱控制方式作了探討[4,5],但汽車(chē)的動(dòng)態(tài)熱平衡描述不能直接用于工程機(jī)械,因?yàn)楣こ虣C(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇通常為吹風(fēng)式風(fēng)扇,吸入氣流來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)艙,散熱器進(jìn)風(fēng)溫度很高,因此必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度特性來(lái)準(zhǔn)確描述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度。本文考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載工況變化在柴油機(jī)上反映為轉(zhuǎn)速的變化,建立了柴油機(jī)、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)艙三節(jié)點(diǎn)組成的,以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)作為輸入的冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型,使其可以描述柴油機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化影響下的散熱系統(tǒng)溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)匹配方法,在已有的傳統(tǒng)匹配方法基礎(chǔ)上建立動(dòng)態(tài)熱平衡模型,對(duì)于轉(zhuǎn)速變化下系統(tǒng)輸入量的動(dòng)態(tài)變化提出確定方法,模型對(duì)冷卻系統(tǒng)溫度在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的描述可與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。1 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)傳統(tǒng)匹配方法

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)如圖1

所示。

$Tm冷卻水溫與氣溫之差。

總導(dǎo)熱系數(shù)Kr可用式(4)確定:

=++KrhwTha

散熱管壁厚;KT為散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

平衡態(tài)的系統(tǒng)吸入熱量與系統(tǒng)放出熱量相等,此時(shí)Qin=Qout,溫差$Tm不能高于環(huán)境溫度和沸點(diǎn)溫度之差。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路在此基礎(chǔ)上進(jìn)行循環(huán)設(shè)計(jì)匹配,直到其性能滿(mǎn)足要求。

然而工程機(jī)械柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)在高負(fù)荷、高溫環(huán)境等極端工況下容易出現(xiàn)水箱溫度過(guò)高的問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)匹配方法的不足之處分析如下:

(1)只針對(duì)柴油機(jī)標(biāo)定工況靜態(tài)匹配散熱系

統(tǒng),沒(méi)有從動(dòng)態(tài)的角度出發(fā)來(lái)解決柴油機(jī)和冷卻系統(tǒng)的合理匹配問(wèn)題。

(2)僅考慮散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)兩節(jié)點(diǎn)的冷卻系統(tǒng)模型的精度不能滿(mǎn)足要求。

(3)散熱器的強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程十分復(fù)雜,各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱性能參數(shù)的影響相互耦合,傳統(tǒng)模型未加描述。

2 動(dòng)態(tài)工程機(jī)械柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡模型

為研究不同負(fù)載工況對(duì)系統(tǒng)輸入量的動(dòng)態(tài)影響,考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載工況變化在柴油機(jī)上反映為轉(zhuǎn)速的變化,建模以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n隨時(shí)間的變化關(guān)系作為輸入,可寫(xiě)作n(t),系統(tǒng)響應(yīng)以關(guān)鍵溫度節(jié)點(diǎn)作為表征量,取柴油機(jī)出水口溫度Te、散熱器出水

(4)

式中,hw為水的導(dǎo)熱系數(shù);ha為空氣的導(dǎo)熱系數(shù);D為

圖1 工程機(jī)械柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱模型圖

口溫度Tr和風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)溫度Tb3個(gè)量為各溫度節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間的變化關(guān)系。以下動(dòng)態(tài)化處理的各部分以柴油機(jī)轉(zhuǎn)速作為動(dòng)態(tài)化自變量,統(tǒng)一寫(xiě)為函數(shù)F(n)的形式。

2.1 系統(tǒng)輸入量的動(dòng)態(tài)化處理

(1)

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻系統(tǒng)的輸入量影響主要有4部分:冷卻系輸入熱功率、發(fā)動(dòng)機(jī)艙余熱輸入熱功率、水流量及空氣流量。以下分別介紹它們的動(dòng)態(tài)確定方法。

2.1.1 冷卻系輸入熱功率Qin(n)動(dòng)態(tài)化

參考式(1)計(jì)算動(dòng)態(tài)冷卻系統(tǒng)輸入:

(2)

Qin(n)=

Hu

g(n)a(n)P(n)3600

(5)

圖1中,Qin和Qout分別為冷卻水系的輸入熱功率和輸出熱功率。

柴油機(jī)進(jìn)入冷卻水的熱量由式(1)估算

Qin=

uee

3600

[3]

:

式中,a為冷卻吸熱比例,取0.18~0.25;Hu為燃料熱值,柴油取值41870kJ/kg;ge為標(biāo)定工況燃油消耗率;Pe為柴油機(jī)標(biāo)定功率。

該熱量也可由標(biāo)定功率直接確定[3]:

Qin=(016~0175)Pe

散熱器部分散熱量滿(mǎn)足:

Qout=KrAr$Tm

(3)

式中,g(n)為轉(zhuǎn)速n下的燃油消耗率;a(n)為轉(zhuǎn)速n下冷卻系統(tǒng)帶走熱量比例;P(n)為轉(zhuǎn)速n下的有效;Ar

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