駱清國(guó)，尹洪濤，冉光政，李順達(dá)，寧興興

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

功率密度的大幅提高已成為柴油機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其對(duì)活塞、氣缸、中冷器等部件的熱適應(yīng)能力要求日趨苛刻，這些部件已成為冷卻系統(tǒng)重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵熱部件。采用智能化控制冷卻系統(tǒng)，保證其帶走的熱量處于合理范圍，能夠顯著改善關(guān)鍵部件的工作條件［1］。掌握柴油機(jī)關(guān)鍵熱部件的散熱規(guī)律、編制其散熱量MAP及制定最優(yōu)化控制策略，是智能化冷卻系統(tǒng)的核心工作［2］。目前，常利用柴油機(jī)全工況熱平衡試驗(yàn)得到柴油機(jī)在不同工況下傳遞給冷卻水的總熱量［3-4］，但針對(duì)各熱部件的散熱規(guī)律研究仍然較少。筆者基于GT-SUITE軟件，構(gòu)建了某型12缸高功率密度柴油機(jī)與冷卻系統(tǒng)的工作過(guò)程耦合模型，編制了主要熱部件的散熱量MAP，分析了其散熱規(guī)律，可為智能化控制冷卻系統(tǒng)的控制策略制定提供參考依據(jù)。

1 智能化控制冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能化控制冷卻系統(tǒng)采用獨(dú)立的高低溫雙循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中:高溫循環(huán)包含的熱部件有柴油機(jī)本體、一級(jí)中冷和機(jī)油冷卻器，工作溫度為100～130℃;低溫循環(huán)包含的熱部件有級(jí)間中冷和二級(jí)中冷，工作溫度為80～90℃。

圖1 智能化控制冷卻系統(tǒng)的高低溫雙循環(huán)結(jié)構(gòu)

車(chē)輛冷卻系統(tǒng)是典型的大延遲熱工系統(tǒng)，采用普通的閉環(huán)控制難以實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的控制。采用預(yù)估柴油機(jī)熱部件散熱量MAP的方法，對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制而只對(duì)水泵進(jìn)行閉環(huán)控制，可以有效削弱車(chē)輛冷卻系統(tǒng)遲滯效應(yīng)的影響，達(dá)到冷卻系統(tǒng)精確化控制的目的［5］。高低溫雙循環(huán)智能化控制冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高低溫雙循環(huán)智能化控制冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵熱部件流動(dòng)與傳熱計(jì)算理論

2．1 柴油機(jī)燃燒放熱模型

由于柴油機(jī)的實(shí)際缸內(nèi)燃燒過(guò)程十分復(fù)雜，通常采用等效燃燒放熱規(guī)律來(lái)代替，本文采用韋伯燃燒放熱曲線(xiàn)［6］。韋伯燃燒放熱函數(shù)是在缸內(nèi)可燃?xì)怏w混合均勻的條件下推導(dǎo)的半經(jīng)驗(yàn)公式。設(shè):φ為曲軸轉(zhuǎn)角;φVB為燃燒起始角;Δφ為燃燒持續(xù)角;m為燃燒品質(zhì)數(shù)，高速柴油機(jī)一般取0．2～1．0。則瞬時(shí)積累放熱百分比

式中:D為氣缸直徑;p為缸內(nèi)爆發(fā)壓力;T為缸內(nèi)瞬時(shí)溫度;vm為氣流在氣缸內(nèi)的相對(duì)速度;p0為壓縮壓力;C1、C2分別為速度系數(shù)和燃燒室形狀系數(shù);Vs為工作容積;Va、pa、Ta分別為壓縮起始點(diǎn)氣缸的容

式中:n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;Ai為氣缸內(nèi)壁面各部分面積;Twi為氣缸壁面各部分瞬時(shí)平均溫度。

2．2 關(guān)鍵熱部件傳熱模型

柴油機(jī)本體傳熱規(guī)律滿(mǎn)足［7］積、壓力和溫度。則汽缸內(nèi)工質(zhì)與柴油機(jī)燃燒室部件之間換熱量Qw滿(mǎn)足

式中:Q、Qint、Qext分別為缸內(nèi)高溫燃?xì)鈧鹘o柴油機(jī)本體的總熱量、柴油機(jī)通過(guò)冷卻水腔傳給冷卻液的總熱量和柴油機(jī)傳給外界空氣的熱量(W);ρwall為柴油機(jī)機(jī)體材料密度(kg·m-3);Cp-wall為柴油機(jī)與冷卻液之間的換熱系數(shù)(W·(m2·K)-1);Vwall為柴油機(jī)本體實(shí)體體積(m3)。

中冷器的傳熱規(guī)律滿(mǎn)足［8］

式中:ΔTc為進(jìn)出中冷器的壓縮空氣的溫差(K);Qc為新鮮充量的吸熱流量(W);mc為新鮮充量的質(zhì)量流量(kg/s);cp為新鮮充量的比定壓熱容(J·(K·kg)-1)。

3 高功率密度柴油機(jī)耦合模型

利用GT-Suit軟件構(gòu)建某型12缸高功率密度柴油機(jī)及其冷卻系統(tǒng)的耦合模型，如圖3所示。在耦合模型中，柴油機(jī)關(guān)鍵熱部件與冷卻系統(tǒng)互為邊界條件，使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。將仿真結(jié)果與文獻(xiàn)［9］提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，表1為轉(zhuǎn)速4 200 r/min、單缸功率相同時(shí)，耦合模型與MT890系列柴油機(jī)的燃油消耗率的對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?模型計(jì)算值與實(shí)際值的最大誤差為4．1%，說(shuō)明所建立的高功率密度柴油機(jī)的耦合模型是準(zhǔn)確的，能滿(mǎn)足工程分析的要求。

圖3 耦合模型示意圖

表1 仿真結(jié)果與實(shí)際值對(duì)比

4 關(guān)鍵熱部件的散熱量MAP

利用耦合模型分別計(jì)算了環(huán)境溫度分別為-43、-30、-20、-10、0、10、20、30、40 ℃ 時(shí)，轉(zhuǎn)速為1 600、1 800、2 300、2 800、3 200、3 800、4 200 r/min時(shí)的負(fù)荷特性。計(jì)算時(shí)著重考察了級(jí)間中冷、一級(jí)中冷、二級(jí)中冷和柴油機(jī)本體的散熱情況，以轉(zhuǎn)速為x軸，扭矩為y軸，各部件的散熱量為z軸，編制各熱部件的散熱MAP。當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí)，級(jí)間中冷、一級(jí)中冷、二級(jí)中冷和柴油機(jī)本體的散熱量MAP如圖4所示。

5 基于散熱量MAP的柴油機(jī)散熱規(guī)律

影響柴油機(jī)本體及中冷器散熱規(guī)律的因素很多，其中轉(zhuǎn)速、扭矩和環(huán)境溫度的影響最為顯著和直接，這里著重分析這3種因素對(duì)柴油機(jī)本體和中冷器散熱量的影響。

5．1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

柴油機(jī)本體散熱量隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，其變化規(guī)律如圖5所示。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速升高，高溫氣體在缸內(nèi)和進(jìn)排氣歧管的流動(dòng)速度相應(yīng)增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也隨之增大。因此，由圖5得到:一方面輸出功率相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，柴油機(jī)本體傳熱量越大;另一方面輸出功率相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越高，平均有效壓力越低，缸內(nèi)溫度越低，機(jī)體熱負(fù)荷降低，傳熱量越低。但平均有效壓力是通過(guò)影響缸內(nèi)溫度來(lái)影響本體的傳熱量，而本體傳熱量的影響作用更直接、更明顯。

中冷器散熱量規(guī)律如圖6所示?？梢?jiàn):級(jí)間中冷的傳熱量為負(fù)值，表明經(jīng)壓縮后的空氣溫度低于流經(jīng)級(jí)間中冷器的冷卻液溫度，其傳熱量越小，低壓級(jí)壓氣機(jī)的增壓程度越低。由于渦輪增壓器設(shè)計(jì)工況點(diǎn)選擇在柴油機(jī)額定工況點(diǎn)附近，故在相同功率下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速越低其運(yùn)行越偏離外特性線(xiàn)，渦輪增壓器的增壓程度越低，一、二級(jí)中冷和級(jí)間中冷的散熱量也相應(yīng)減少，而發(fā)動(dòng)機(jī)本體的散熱量增加。

圖4 關(guān)鍵熱部件的散熱量MAP

圖5 輸出功率為330 kW時(shí)柴油機(jī)本體的傳熱量和平均有效壓力

圖6 輸出功率為330 kW時(shí)級(jí)間各中冷器的散熱量

5．2 柴油機(jī)扭矩的影響

扭矩對(duì)柴油機(jī)關(guān)鍵熱部件散熱量的影響主要是通過(guò)平均有效壓力pe作用的。扭矩越大，要求平均有效壓力越高，則每一個(gè)循環(huán)的供油量就越大，燃燒的總熱量也就增大。因此，柴油機(jī)本體的散熱量就會(huì)隨之增大。

隨著循環(huán)噴油量的增加，進(jìn)氣量及增壓比也會(huì)相應(yīng)增大。顯然，級(jí)間中冷、一級(jí)中冷和二級(jí)中冷的散熱量隨扭矩變化幅度的不同而不同，級(jí)間中冷和一級(jí)中冷隨扭矩變化較劇烈，幅度基本相同，二級(jí)中冷的散熱量隨扭矩變化較平緩。

5．3 環(huán)境溫度的影響

圖7 空氣質(zhì)量流量隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

空氣質(zhì)量隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律如圖7所示?？梢?jiàn):隨著進(jìn)氣溫度的升高，空氣密度減小，空氣質(zhì)量流量下降，在轉(zhuǎn)速和循環(huán)供油量不變的條件下，過(guò)量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不良，指示熱效率下降。此時(shí)，轉(zhuǎn)化為有用功的能量減少，轉(zhuǎn)化為廢熱的能量增加，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度、渦輪前排氣溫度和柴油機(jī)本體的傳熱量增加，扭矩和功率減小，如圖8所示。

圖8 本體傳熱量和輸出功率隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

中冷器散熱量隨環(huán)境溫度變化規(guī)律如圖9所示?？梢?jiàn):級(jí)間中冷的散熱量隨環(huán)境溫度的升高而升高。其原因是:經(jīng)過(guò)低壓級(jí)壓氣機(jī)壓縮后的空氣進(jìn)入級(jí)間中冷后，一方面空氣質(zhì)量流量減少，另一方面進(jìn)氣溫度升高，但后者的影響更顯著。

圖9 中冷器散熱量隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律

隨著環(huán)境溫度的升高，缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)減小，導(dǎo)致從缸內(nèi)排出的廢氣溫度增加，進(jìn)入高壓級(jí)渦輪做功的能力增加，高壓級(jí)壓氣機(jī)壓比升高。因此，環(huán)境溫度越高，高壓級(jí)壓比越高，導(dǎo)致一級(jí)中冷器入口壓縮空氣的溫度升高。

對(duì)于一級(jí)中冷，隨著環(huán)境溫度的升高，一方面進(jìn)氣質(zhì)量減少，另一方面進(jìn)氣溫度升高，出氣溫度基本維持穩(wěn)定。但是由于前者的影響起主要作用，因此兩者的綜合作用使一級(jí)中冷散熱量減小。

由于一級(jí)中冷的作用，雖然不同環(huán)境溫度下，二級(jí)中冷的進(jìn)氣溫度基本不變，但空氣質(zhì)量流量減小，故其散熱量也顯著減小。當(dāng)環(huán)境溫度在-42～35℃之間時(shí)，二級(jí)中冷散熱量相差近10 kW。

6 結(jié)論

1)本文搭建了柴油機(jī)與冷卻系統(tǒng)的工作過(guò)程耦合模型，利用該模型計(jì)算了柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、扭矩和環(huán)境溫度時(shí)關(guān)鍵熱部件的散熱量MAP。結(jié)果表明:該方法能夠快速掌握柴油機(jī)關(guān)鍵部件的散熱規(guī)律。

2)通過(guò)對(duì)關(guān)鍵熱部件散熱量MAP的研究發(fā)現(xiàn):(1)在相同的輸出功率下，柴油機(jī)本體傳熱量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大;(2)一級(jí)中冷、二級(jí)中冷的散熱量隨環(huán)境溫度的升高而降低，級(jí)間中冷散熱量隨環(huán)境溫度的升高而升高。掌握這些規(guī)律有助于合理制定智能化冷卻系統(tǒng)的控制策略。

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