曹洪浩，駱清國(guó)，龔正波，桂 勇

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

隨著重型車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的大幅度提高，大功率柴油機(jī)的熱負(fù)荷顯著增大，由之帶來(lái)的進(jìn)氣條件、熱工轉(zhuǎn)換效率、零部件工作可靠性等問(wèn)題越來(lái)越突出，所以傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足大功率密度柴油機(jī)的需求.針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套柴油機(jī)智能化控制冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)可綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、環(huán)境等因素，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀況，其控制冷卻系統(tǒng)各可控部件，能夠精確、自動(dòng)地調(diào)節(jié)冷卻水的溫度，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的工作溫度限制在最佳范圍[1-3].

1 智能化控制冷卻系統(tǒng)布置方案及控制策略

該智能化控制冷卻系統(tǒng)布置方案如圖1所示，總體布置采用高低溫雙循環(huán)布置，其中高、低溫循環(huán)冷卻水泵由原有曲軸驅(qū)動(dòng)改為電控，熱交換器外源水管道上安裝電控閥門(mén)，通過(guò)電控閥門(mén)控制外源水流量，模擬實(shí)際車(chē)輛中風(fēng)扇的控制.

圖1 冷卻系統(tǒng)部件布置及測(cè)點(diǎn)布置示意圖

控制上高溫回路與低溫回路控制相互獨(dú)立，高溫回路控制部件包括高溫電控水泵及高溫電控閥，控制目標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻水溫始終保持90℃，當(dāng)環(huán)境溫度、大氣壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)工況發(fā)生變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻水溫發(fā)生變化時(shí)，ECU能根據(jù)變化情況智能調(diào)節(jié)高溫電控水泵及高溫電控閥，其中高溫電控閥為開(kāi)環(huán)控制，高溫電控水泵為模糊閉環(huán)控制.低溫回路控制部件包括低溫電控水泵及低溫電控閥，控制目標(biāo)為中冷器出口冷卻水溫始終為60℃，當(dāng)環(huán)境溫度、大氣壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)工況發(fā)生變化導(dǎo)致中冷器出口冷卻水溫發(fā)生變化時(shí)，ECU能根據(jù)變化情況智能調(diào)節(jié)高溫電控水泵及高溫電控閥，其中高溫電控閥為開(kāi)環(huán)控制，高溫電控水泵為模糊閉環(huán)控制.

通過(guò)控制使中冷器及發(fā)動(dòng)機(jī)本體出口冷卻水溫始終保持在最佳溫度并得到合理冷卻.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度得到合理控制，燃料燃燒更加充分，提高熱工轉(zhuǎn)換效率及工作穩(wěn)定性，可靠性.

2 熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)型為某型高強(qiáng)化柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻系統(tǒng)進(jìn)行高低溫雙回路布置及智能化改進(jìn).

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)量的參數(shù)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)，冷卻水、空氣及潤(rùn)滑介質(zhì)在各部件進(jìn)出口處的壓力、溫度及流量.具體測(cè)量點(diǎn)如圖1所示，其中溫度測(cè)點(diǎn)30個(gè)，壓力測(cè)點(diǎn)19個(gè)，流量測(cè)點(diǎn)7個(gè)[4-5].

測(cè)試儀器儀表精度要求如下[6]:

1)轉(zhuǎn)速傳感器:±5 r/min;

2)測(cè)功機(jī):0.2級(jí);

3)流量計(jì):0.2級(jí);

4)溫度傳感器:±0.2℃;

5)壓力傳感器:0.5級(jí).

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理原理

柴油機(jī)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱一部分轉(zhuǎn)化為柴油機(jī)有效功，其余熱量通過(guò)冷卻水、廢氣以及余項(xiàng)損失 (機(jī)體及缸蓋表面散熱等)帶走[7-9].

所以柴油機(jī)的熱平衡方程為:

式中:Qt為燃料完全燃燒所產(chǎn)生熱量;Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量;Qw為冷卻介質(zhì)帶走熱量;Qr為廢氣帶走熱量;Qres為余項(xiàng)損失.

其中冷卻水帶走的熱量包括從發(fā)動(dòng)機(jī)本體、中冷器以及機(jī)油熱交換器中帶走的熱量.

1)燃料完全燃燒所產(chǎn)生熱量

式中:Mf為燃油的質(zhì)量流量;Hu為燃油低熱值，取422 18 kJ/kg.

2)有效功

式中:Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率.

3)冷卻水帶走熱量

式中:Qwh為高溫回路散熱器散走的熱量;Qwl為低溫回路散熱器散走的熱量，其計(jì)算公式為:

式中，Mwi為對(duì)應(yīng)回路冷卻水質(zhì)量流量 (其中i分別表示l，h);Cpw為冷卻水的平均比定壓熱容;Tw_in為對(duì)應(yīng)回路散熱器進(jìn)水溫度;Tw_out為對(duì)應(yīng)回路散熱器出水溫度.

4)廢氣帶走熱量

式中:Mr為排氣的質(zhì)量流量;CPr為排氣的平均比定壓熱容，取定值1.088 kJ/(kg·K)，Ta_in為進(jìn)氣溫度;Ta_out為排氣溫度[10].

5)余項(xiàng)損失

3.2 熱平衡試驗(yàn)結(jié)果分析

熱平衡試驗(yàn)按負(fù)荷特性進(jìn)行試驗(yàn)，從怠速800 r/min到額定轉(zhuǎn)速2200 r/min，每隔200 r/min(包括1 500 r/min)進(jìn)行測(cè)試，共9條曲線(xiàn)，每條曲線(xiàn)從最大負(fù)荷到空載選4個(gè)點(diǎn)測(cè)試，實(shí)測(cè)功率為計(jì)算功率乘以0.975.

3.2.1 負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果分析

表1為在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)2200 r/min負(fù)荷特性下熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)計(jì)算公式可以計(jì)算出在各負(fù)荷下的燃油總放熱量、有用功、冷卻水帶走熱量及廢氣帶走熱量 (見(jiàn)圖2)以及有用功、冷卻水帶走熱量和廢氣帶走熱量占燃油總放熱量的百分比(見(jiàn)圖3).

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2200 r/min時(shí)各負(fù)荷下試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 2200 r/min時(shí)各負(fù)荷下的熱量分配

圖3 2200 r/min時(shí)各負(fù)荷下的熱量百分比

從圖2和圖3中可以看出:廢氣帶走的熱量最多，其次為有用功，最后為冷卻水所帶走熱量.通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn):隨著負(fù)荷的增加，廢氣帶走熱量及有用功均增加，但廢氣所帶走的熱量增加趨勢(shì)減緩，其占燃油總放熱量的比例有所降低，而有用功占燃油總放熱量的比例不斷增加，在標(biāo)定工況時(shí)大于廢氣帶走熱量，主要原因?yàn)殡S著負(fù)荷的增加，進(jìn)氣及燃燒條件改善，轉(zhuǎn)換為有用功的熱量也相應(yīng)增加.

圖4 2200 r/min時(shí)各負(fù)荷下新系統(tǒng)與原系統(tǒng)有用功占總熱量百分比比較

通過(guò)與原冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相同工況下智能化冷卻系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為有用功比原系統(tǒng)[8]要多，見(jiàn)圖4，廢氣帶走的熱量比原系統(tǒng)[8]要少，見(jiàn)圖5.主要原因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制后，進(jìn)氣溫度比較穩(wěn)定，缸內(nèi)部件工作溫度限定在最佳范圍，燃燒條件得到改善，熱工轉(zhuǎn)化效率增高，尤其是在低負(fù)荷時(shí)改善比較明顯.

圖5 2200 r/min時(shí)各負(fù)荷下新系統(tǒng)與原系統(tǒng)廢氣帶走熱量占總熱量百分比比較

3.2.2 速度特性試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為柴油機(jī)各典型轉(zhuǎn)速下相應(yīng)最大負(fù)荷時(shí)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)左右排水管出水溫度能控制在 (90±1)℃，中冷器出水總管溫度能控制在 (60±1)℃的目標(biāo)值，根據(jù)計(jì)算公式可以計(jì)算出在各工況下的燃油總放熱量、有用功、冷卻水帶走熱量及廢氣帶走熱量 (見(jiàn)圖6)，以及有用功、冷卻水帶走熱量和廢氣帶走熱量占燃油總放熱量的百分比 (見(jiàn)圖7).

從圖6和圖7中可以看出:有用功最多，其次為廢氣帶走的熱量，最后為冷卻水所帶走熱量.隨著轉(zhuǎn)速的增加，有用功和廢氣帶走熱量都有所增加，但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 400～1 800 r/min之間時(shí)，有用功及廢氣帶走熱量增加不明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)增幅比較明顯.主要原因?yàn)樵跍y(cè)試2 000 r/min負(fù)荷特性時(shí)，油門(mén)位置過(guò)大，扭矩達(dá)到1 994 N·m，超過(guò)最大扭矩轉(zhuǎn)速1 500 r/min

表2 柴油機(jī)外特性各工況記錄數(shù)據(jù)

圖6 柴油機(jī)外特性各工況的熱量分配

通過(guò)與原冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)[8]進(jìn)行比較，在相同工況下智能化控制冷卻系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為有用功比原系統(tǒng)有所增加，但與同轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷工況相比增加量相對(duì)要少，見(jiàn)圖8.廢氣帶走的熱量比

圖8 柴油機(jī)外特性新系統(tǒng)與原系統(tǒng)有用功占總熱量百分比比較

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)此型號(hào)高強(qiáng)度大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行智能化改進(jìn)前后熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)標(biāo)定工況下負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，原發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣帶走熱量始終大于有用功，而進(jìn)行智能化改進(jìn)后有用功隨負(fù)荷增加迅速增大，在負(fù)荷大于1 300 N·m時(shí)，有用功大于廢氣帶走熱量，且新系統(tǒng)有用功占總熱量的比例始終大于原系統(tǒng)，幅度在5%左右.經(jīng)過(guò)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行智能化改進(jìn)后，進(jìn)氣溫度得到合理控制，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口水溫平穩(wěn)，缸套冷卻水溫度合理，燃燒條件得到改善，熱工轉(zhuǎn)換效率提高，有用功增加.

2)外特性各工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī) (除個(gè)別點(diǎn))有用功均大于廢氣帶走熱量，相比于原系統(tǒng)廢氣帶走熱時(shí)的扭矩.但從圖7可以看出，轉(zhuǎn)化為有用功的熱量占燃油釋放總熱量的比例在1 400 r/min后基本保持不變，可見(jiàn)在外特性點(diǎn)上，發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)化效率隨工況變化不明顯，但廢氣帶走的熱量隨工況變化比較明顯.原系統(tǒng)減少，同樣，與同轉(zhuǎn)速的低負(fù)荷工況相比減少量偏低，見(jiàn)圖9.可見(jiàn)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制后，進(jìn)氣、燃燒條件得到改善，熱工轉(zhuǎn)化效率增高，在低負(fù)荷時(shí)體現(xiàn)更為明顯.量始終大于有用功，系統(tǒng)得到很大改善.有用功、廢氣帶走熱量、冷卻水帶走熱量隨轉(zhuǎn)速增加而增大，但變化不明顯.可見(jiàn)燃燒條件得到改善后各工況下有用功的比例都有所提高，此時(shí)增大轉(zhuǎn)速和負(fù)荷對(duì)燃燒條件的改善沒(méi)有原系統(tǒng)明顯.

圖7 柴油機(jī)外特性各工況的熱量百分比

圖9 柴油機(jī)外特性新系統(tǒng)與原系統(tǒng)廢氣帶走熱量占總熱量百分比比較

3)進(jìn)行智能化改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣條件和燃燒環(huán)境得到改善，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱工轉(zhuǎn)換效率、部件的工作穩(wěn)定性及可靠性，可見(jiàn)智能化控制冷卻系統(tǒng)在高強(qiáng)化大功率密度柴油機(jī)上有很大的應(yīng)用價(jià)值.

[1] 桂 勇，駱清國(guó)，張更云，等.高功率密度柴油機(jī)智能冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究 [J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008，17(6):37-40.

[2] 張然治.MTU公司開(kāi)發(fā)新型MT890重載發(fā)動(dòng)機(jī)[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2003，32(1):15-19.

[3] 郭新民，翟 麗，高 平，等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的研究 [J].內(nèi)燃機(jī)工程，2001，25(1):11-16.

[4] 張 力，谷 操，王 敬.坦克裝甲車(chē)輛智能化散熱系統(tǒng)技術(shù)[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2002，13(9):5-9.

[5] 王軍良.裝甲車(chē)的高功率密度動(dòng)力機(jī)組 [J].國(guó)外坦克，2002，33(2):33-36.

[6] 黃 鑫.發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā) [D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006:26-36.

[7] 葉茂盛.通過(guò)熱平衡試驗(yàn)探討冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改善[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，15(12):35-37.

[8] 龔正波.柴油機(jī)全工況熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)研究 [J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，(3):31-34.

[9] 張萬(wàn)里，張錫朝，焦其偉.WD615發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷熱平衡分析 [J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2006，12(5):13-17.

[10] 黃方古，韓鳳華.工程熱力學(xué)與傳熱學(xué) [M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993:125-128.