工程机械柴油机动态工况冷却系统热平衡研究

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内 燃 机 工 程2009年第4期

过高的问题,影响机器的正常作业。因此工程机械必须从动态角度来解决柴油机和冷却系统的合理匹配问题。在汽车的动态热平衡模型的基础上,针对冷却系统的非线性热控制方式作了探讨[4,5],但汽车的动态热平衡描述不能直接用于工程机械,因为工程机械发动机冷却风扇通常为吹风式风扇,吸入气流来自发动机舱,散热器进风温度很高,因此必须考虑发动机舱温度特性来准确描述发动机冷却系统的温度。本文考虑到发动机负载工况变化在柴油机上反映为转速的变化,建立了柴油机、散热器、发动机舱三节点组成的,以柴油机转速动态作为输入的冷却系统动态模型,使其可以描述柴油机转速随时间变化影响下的散热系统温度随时间的动态响应。本文简要介绍了传统的冷却系统匹配方法,在已有的传统匹配方法基础上建立动态热平衡模型,对于转速变化下系统输入量的动态变化提出确定方法,模型对冷却系统温度在柴油机转速变化下的动态响应的描述可与试验数据对比验证。1 柴油机冷却系统传统匹配方法

柴油机冷却系统如图1

所示。

$Tm冷却水温与气温之差。

总导热系数Kr可用式(4)确定:

=++KrhwTha

散热管壁厚;KT为散热器材料的导热系数。

平衡态的系统吸入热量与系统放出热量相等,此时Qin=Qout,温差$Tm不能高于环境温度和沸点温度之差。传统设计思路在此基础上进行循环设计匹配,直到其性能满足要求。

然而工程机械柴油机冷却系统在高负荷、高温环境等极端工况下容易出现水箱温度过高的问题。对于传统匹配方法的不足之处分析如下:

(1)只针对柴油机标定工况静态匹配散热系

统,没有从动态的角度出发来解决柴油机和冷却系统的合理匹配问题。

(2)仅考虑散热器和发动机两节点的冷却系统模型的精度不能满足要求。

(3)散热器的强制对流换热过程十分复杂,各结构参数对散热性能参数的影响相互耦合,传统模型未加描述。

2 动态工程机械柴油机冷却系统热平衡模型

为研究不同负载工况对系统输入量的动态影响,考虑到发动机负载工况变化在柴油机上反映为转速的变化,建模以柴油机转速n随时间的变化关系作为输入,可写作n(t),系统响应以关键温度节点作为表征量,取柴油机出水口温度Te、散热器出水

(4)

式中,hw为水的导热系数;ha为空气的导热系数;D为

图1 工程机械柴油机冷却系统热模型图

口温度Tr和风扇进风温度Tb3个量为各温度节点随时间的变化关系。以下动态化处理的各部分以柴油机转速作为动态化自变量,统一写为函数F(n)的形式。

2.1 系统输入量的动态化处理

(1)

柴油机转速对冷却系统的输入量影响主要有4部分:冷却系输入热功率、发动机舱余热输入热功率、水流量及空气流量。以下分别介绍它们的动态确定方法。

2.1.1 冷却系输入热功率Qin(n)动态化

参考式(1)计算动态冷却系统输入:

(2)

Qin(n)=

Hu

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

(5)

图1中,Qin和Qout分别为冷却水系的输入热功率和输出热功率。

柴油机进入冷却水的热量由式(1)估算

Qin=

uee

3600

[3]

:

式中,a为冷却吸热比例,取0.18~0.25;Hu为燃料热值,柴油取值41870kJ/kg;ge为标定工况燃油消耗率;Pe为柴油机标定功率。

该热量也可由标定功率直接确定[3]:

Qin=(016~0175)Pe

散热器部分散热量满足:

Qout=KrAr$Tm

(3)

式中,g(n)为转速n下的燃油消耗率;a(n)为转速n下冷却系统带走热量比例;P(n)为转速n下的有效;Ar

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