本文關鍵詞：工程機械柴油機動態(tài)工況冷卻系統熱平衡研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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內 燃 機 工 程2009年第4期

過高的問題,影響機器的正常作業(yè)。因此工程機械必須從動態(tài)角度來解決柴油機和冷卻系統的合理匹配問題。在汽車的動態(tài)熱平衡模型的基礎上,針對冷卻系統的非線性熱控制方式作了探討[4,5],但汽車的動態(tài)熱平衡描述不能直接用于工程機械,因為工程機械發(fā)動機冷卻風扇通常為吹風式風扇,吸入氣流來自發(fā)動機艙,散熱器進風溫度很高,因此必須考慮發(fā)動機艙溫度特性來準確描述發(fā)動機冷卻系統的溫度。本文考慮到發(fā)動機負載工況變化在柴油機上反映為轉速的變化,建立了柴油機、散熱器、發(fā)動機艙三節(jié)點組成的,以柴油機轉速動態(tài)作為輸入的冷卻系統動態(tài)模型,使其可以描述柴油機轉速隨時間變化影響下的散熱系統溫度隨時間的動態(tài)響應。本文簡要介紹了傳統的冷卻系統匹配方法,在已有的傳統匹配方法基礎上建立動態(tài)熱平衡模型,對于轉速變化下系統輸入量的動態(tài)變化提出確定方法,模型對冷卻系統溫度在柴油機轉速變化下的動態(tài)響應的描述可與試驗數據對比驗證。1 柴油機冷卻系統傳統匹配方法

柴油機冷卻系統如圖1

所示。

$Tm冷卻水溫與氣溫之差。

總導熱系數Kr可用式(4)確定:

=++KrhwTha

散熱管壁厚;KT為散熱器材料的導熱系數。

平衡態(tài)的系統吸入熱量與系統放出熱量相等,此時Qin=Qout,溫差$Tm不能高于環(huán)境溫度和沸點溫度之差。傳統設計思路在此基礎上進行循環(huán)設計匹配,直到其性能滿足要求。

然而工程機械柴油機冷卻系統在高負荷、高溫環(huán)境等極端工況下容易出現水箱溫度過高的問題。對于傳統匹配方法的不足之處分析如下:

(1)只針對柴油機標定工況靜態(tài)匹配散熱系

統,沒有從動態(tài)的角度出發(fā)來解決柴油機和冷卻系統的合理匹配問題。

(2)僅考慮散熱器和發(fā)動機兩節(jié)點的冷卻系統模型的精度不能滿足要求。

(3)散熱器的強制對流換熱過程十分復雜,各結構參數對散熱性能參數的影響相互耦合,傳統模型未加描述。

2 動態(tài)工程機械柴油機冷卻系統熱平衡模型

為研究不同負載工況對系統輸入量的動態(tài)影響,考慮到發(fā)動機負載工況變化在柴油機上反映為轉速的變化,建模以柴油機轉速n隨時間的變化關系作為輸入,可寫作n(t),系統響應以關鍵溫度節(jié)點作為表征量,取柴油機出水口溫度Te、散熱器出水

(4)

式中,hw為水的導熱系數;ha為空氣的導熱系數;D為

圖1 工程機械柴油機冷卻系統熱模型圖

口溫度Tr和風扇進風溫度Tb3個量為各溫度節(jié)點隨時間的變化關系。以下動態(tài)化處理的各部分以柴油機轉速作為動態(tài)化自變量,統一寫為函數F(n)的形式。

2.1 系統輸入量的動態(tài)化處理

(1)

柴油機轉速對冷卻系統的輸入量影響主要有4部分:冷卻系輸入熱功率、發(fā)動機艙余熱輸入熱功率、水流量及空氣流量。以下分別介紹它們的動態(tài)確定方法。

2.1.1 冷卻系輸入熱功率Qin(n)動態(tài)化

參考式(1)計算動態(tài)冷卻系統輸入:

(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。

柴油機進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為標定工況燃油消耗率;Pe為柴油機標定功率。

該熱量也可由標定功率直接確定[3]:

Qin=(016~0175)Pe

散熱器部分散熱量滿足:

Qout=KrAr$Tm

(3)

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

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