裝甲車輛發(fā)動機(jī)智能化控制冷卻系統(tǒng)發(fā)展

駱清國，桂 勇

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京100072)

隨著發(fā)動機(jī)功率密度的不斷提高，高效燃燒、能量轉(zhuǎn)換、零部件可靠工作等都對冷卻系統(tǒng)提出了越來越高的要求，而現(xiàn)階段我國大部分裝甲車輛發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)部件仍采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳動方式，部件可控性差，使發(fā)動機(jī)存在嚴(yán)重冷卻不足或冷卻過度的狀況，該方式遠(yuǎn)不能滿足發(fā)動機(jī)使用要求。智能化控制冷卻系統(tǒng)能通過精確控制冷卻風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器等可控部件，實現(xiàn)對冷卻介質(zhì)溫度精確控制，縮短起步加溫時間，提高發(fā)動機(jī)工作的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，從而延長發(fā)動機(jī)使用壽命。所以，設(shè)計性能穩(wěn)定，冷卻效果好的智能化冷卻系統(tǒng)，已經(jīng)成為一項刻不容緩的工作［1］。

1 國內(nèi)外裝甲車輛發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 我國裝甲車輛發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國絕大部分裝甲車輛冷卻系統(tǒng)仍然沿用老式的發(fā)動機(jī)曲軸驅(qū)動冷卻風(fēng)扇及水泵的冷卻系統(tǒng)，這使得冷卻系統(tǒng)存在諸多問題。

1)水泵、風(fēng)扇可控性差，功率損耗大。我國裝甲車輛冷卻系統(tǒng)水泵及風(fēng)扇均采用機(jī)械傳動方式驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可控性差，此類控制以老式裝甲車輛居多。雖然少量新裝備中風(fēng)扇驅(qū)動方式改為液壓驅(qū)動，可以實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，但控制精度差，不能使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制在合理的范圍內(nèi)，風(fēng)扇和水泵功率消耗大，仍然存在不同程度的功率浪費狀況［2］。

2)存在冷卻不足或冷卻過度狀況，熱效率低。由于冷卻系統(tǒng)部件可控性差，水泵及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不能隨發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，現(xiàn)階段裝甲車輛發(fā)動機(jī)存在冷卻不足或過度冷卻狀況。如在冬季發(fā)動機(jī)加溫過程中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速得不到控制，發(fā)動機(jī)處于過度冷卻狀態(tài)，導(dǎo)致起步加溫時間過長;當(dāng)車輛低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工作時，風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速過低，發(fā)動機(jī)冷卻不足，使得發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增加，引起溫度急劇上升，部件工作可靠性下降，進(jìn)氣條件惡化，熱效率降低。

1.2 國外裝甲車輛發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的裝甲車輛發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)均已實現(xiàn)智能化控制。冷卻系統(tǒng)智能化控制的概念最早在美國提出，其思想是使用電動風(fēng)扇來取代傳統(tǒng)的機(jī)械風(fēng)扇，根據(jù)發(fā)動機(jī)溫度和負(fù)荷情況的不同，改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，減少發(fā)動機(jī)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的功率損失，縮短發(fā)動機(jī)的預(yù)熱時間，減少傳熱損失。

智能化控制冷卻系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)能力，可將冷卻溫度保持在設(shè)定點的±1℃范圍，暖機(jī)時間可減少10%～20%，能夠縮小發(fā)動機(jī)冷卻液和部件溫度的波動范圍，減少循環(huán)熱負(fù)荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命，可對發(fā)動機(jī)進(jìn)行高溫冷卻，降低2% ～5%的燃油消耗率。

現(xiàn)階段，具有代表性的智能化控制冷卻系統(tǒng)有德國MTU公司研制的MT890發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高低溫雙循環(huán)智能化控制冷卻系統(tǒng)，它分為高溫冷卻回路和低溫冷卻回路:高溫冷卻回路由發(fā)動機(jī)本體、電控節(jié)溫器、高溫水散熱器、電控水泵及電控風(fēng)扇組成;低溫冷卻回路由機(jī)油散熱器、中冷器、電控節(jié)溫器、高溫水散熱器、電控水泵及電控風(fēng)扇組成。通過合理的控制策略可實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度、機(jī)油散熱器及發(fā)動機(jī)出口冷卻水溫度的精確控制，圖1為通過控制中冷器進(jìn)口冷卻水溫度實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度的控制，進(jìn)氣溫度隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加而降低，使進(jìn)氣溫度始終控制在合理值范圍內(nèi)［3］。

該冷卻系統(tǒng)不僅減小了冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量和體積，改善了冷卻效果，提高了發(fā)動機(jī)工作的穩(wěn)定性、可靠性，還降低了冷卻系統(tǒng)功率損耗。

圖1 進(jìn)氣溫度隨不同工況變化關(guān)系

2 智能化控制冷卻系統(tǒng)的特點

2.1 風(fēng)扇、水泵及節(jié)溫器的電控化

智能化控制冷卻系統(tǒng)中風(fēng)扇、水泵及節(jié)溫器均可實現(xiàn)電控。

對于汽車風(fēng)扇一般由車輛蓄電池提供電源驅(qū)動，電動風(fēng)扇能實現(xiàn)風(fēng)扇在不同工況下轉(zhuǎn)速的不同，且風(fēng)扇、散熱器位置安裝靈活，增加了風(fēng)扇容積效率，提高了冷卻效果，其控制一般采用PWM脈沖信號驅(qū)動風(fēng)扇，使風(fēng)扇實現(xiàn)無級變速。由于坦克裝甲車輛風(fēng)扇耗功比較大，僅靠蓄電池則無法滿足冷卻需求。現(xiàn)階段國內(nèi)部分裝甲車輛采取硅油離合器傳動，但這種控制方法控制精度差，無法準(zhǔn)確控制冷卻水溫度。而美國通用發(fā)動機(jī)公司、伊頓(ETON)公司等均研制出了電磁溫控硅油風(fēng)扇離合器，其中伊頓公司的712型電磁溫控硅油風(fēng)扇離合器可由發(fā)動機(jī)控制單元根據(jù)冷卻水溫度、氣流溫度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等輸入信號對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行最優(yōu)化控制。

另外，電磁流變液傳動也正處于研制階段。電磁流變液傳動傳遞力矩全部由磁流變液的剪切應(yīng)力產(chǎn)生。由于磁流變液剪切應(yīng)力具有隨外加磁場強(qiáng)度無級變化的特性，因此應(yīng)用磁流變液作為工作介質(zhì)的風(fēng)扇驅(qū)動可根據(jù)發(fā)動機(jī)水溫的變化，實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)。應(yīng)用電磁流變液傳動具有可無級調(diào)速，可以實現(xiàn)智能化控制，調(diào)速靈敏度高等優(yōu)點，隨著磁流變材料技術(shù)的發(fā)展，它將具有很好的發(fā)展前景［4－10］。

汽車水泵一般也由蓄電池驅(qū)動，電控水泵能實現(xiàn)車輛起步加溫及變工況時轉(zhuǎn)速的控制，能起到縮短起步加溫時間、防止夏季發(fā)動機(jī)大負(fù)荷時部件過熱或溫度梯度過大的作用。由于裝甲車輛水泵耗功過大，不能直接由車輛蓄電池驅(qū)動，只能通過電控離合器進(jìn)行驅(qū)動［11］。

傳統(tǒng)石蠟節(jié)溫器是處于冷卻液道中借助于主閥門的升起或落下來接通大循環(huán)或小循環(huán)。無論是大循環(huán)還是小循環(huán)，冷卻液都要與節(jié)溫器摩擦而過，而且傳統(tǒng)節(jié)溫器對液流有較大的節(jié)流作用，摩擦和節(jié)流對液流產(chǎn)生的阻力會帶來較大的功率損失。而電控節(jié)溫器一般安裝在散熱器的進(jìn)水口處，由于其所承受的水壓相對較小，工作環(huán)境相對穩(wěn)定，因此可以達(dá)到比較高的調(diào)節(jié)精度，不會使發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)的水溫產(chǎn)生大的波動，且散熱器入水口處的溫度可以穩(wěn)定在較高的水平上，水溫波動不大，則發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)平穩(wěn);隨著入水口處的溫度提高，散熱器的散熱量也會相應(yīng)增大［12］。

2.2 控制策略的智能化

智能化的控制策略使冷卻系統(tǒng)ECU(Electronic Control Unit)能綜合考慮發(fā)動機(jī)的負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、環(huán)境等因素，依據(jù)發(fā)動機(jī)的熱狀況，控制冷卻系統(tǒng)各可控部件，精確、自動地調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的溫度，從而使發(fā)動機(jī)各部件的工作溫度限制在最佳范圍?？s短起步加溫時間;延長受熱部件的使用壽命，減少故障率;減少發(fā)動機(jī)的傳熱損失和功率損失，提高其經(jīng)濟(jì)性;便于冷卻系統(tǒng)故障診斷、報警和處理。

3 我國裝甲車輛智能化控制冷卻系統(tǒng)的研制進(jìn)展

我國裝甲車輛發(fā)動機(jī)智能化控制冷卻系統(tǒng)研究起步較晚，但近年來經(jīng)過大量的研究和試驗工作，也取得了很大進(jìn)步，圖2為某高功率密度柴油機(jī)智能化控制冷卻系統(tǒng)總體方案，通過在某高強(qiáng)化發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架試驗驗證，該冷卻系統(tǒng)具有良好的控制效果。

圖2 總體方案圖

冷卻系統(tǒng)分高、低溫回路。高溫循環(huán)回路部件有:發(fā)動機(jī)水腔、電控水泵1、節(jié)溫器1、水散熱器1、電控閥1;低溫循環(huán)回路部件有:中冷器、機(jī)油熱交換器2、節(jié)溫器2、水散熱器2、電控水泵2、電控閥2。通過調(diào)節(jié)高低溫回路電控水泵轉(zhuǎn)速及電控閥開度來調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)冷卻能力，其中高低溫回路電控閥開度用于調(diào)節(jié)外循環(huán)的水流量，冷卻系統(tǒng)熱量主要通過外循環(huán)水帶走;高低溫回路電控水泵用于調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)的水流量，當(dāng)外循環(huán)水冷卻不及時或過度冷卻時，通過內(nèi)循環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。

電控閥開度的控制由發(fā)動機(jī)工況、環(huán)境溫度及電控閥前后壓差確定，其中發(fā)動機(jī)工況指加油齒桿位置及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。但由于水是典型的大慣性傳熱介質(zhì)，當(dāng)采用開環(huán)控制對電控閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié)后，冷卻水的溫度需延遲一段時間后才能達(dá)到目標(biāo)溫度，且波動較大。因此需要通過電控水泵對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水流量進(jìn)行閉環(huán)控制，對開環(huán)控制及時進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)冷卻水溫度升高時，提高電控水泵轉(zhuǎn)速，增大內(nèi)循環(huán)冷卻水流量;當(dāng)冷卻水溫度降低時，降低電控水泵轉(zhuǎn)速，減小內(nèi)循環(huán)冷卻水流量。該冷卻系統(tǒng)冷卻水泵采取的是模糊控制，冷卻系統(tǒng)控制目標(biāo)為發(fā)動機(jī)本體出水溫度90±1℃，中冷器出水溫度為 60 ±1 ℃［13－15］。

通過臺架試驗，當(dāng)從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min、負(fù)荷為0%過渡到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min、負(fù)荷為100%時，發(fā)動機(jī)本體出水溫度圖及中冷器出水溫度圖如圖3、4所示。從圖中可以看出:水溫曲線分別在90±1℃和60±1℃范圍內(nèi)波動，即控制均能達(dá)到指標(biāo)要求。由于冷卻水溫度得到合理的控制，發(fā)動機(jī)各項性能得到明顯改善，如表1所示。表1為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行智能化改進(jìn)前和改進(jìn)后典型空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下燃油消耗量的對比，從表1中可以看出:相同工況下燃油消耗量都有所降低，并且發(fā)動機(jī)起步加溫時間明顯縮短，冷卻系統(tǒng)耗功下降。

圖3 發(fā)動機(jī)本體出水溫度圖

圖4 中冷器出水溫度圖

4 展望

雖然智能化控制冷卻系統(tǒng)達(dá)到了研究目標(biāo)，但與國外先進(jìn)的智能化控制冷卻系統(tǒng)還存在一定差距，綜合分析國內(nèi)外研究進(jìn)展，今后我國裝甲車輛智能化控制冷卻系統(tǒng)的研究應(yīng)做好以下幾個方面的工作。

表1 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)前后比油耗對比

1)冷卻介質(zhì)溫度的精確控制

柴油機(jī)工作時，汽缸內(nèi)氣體燃燒溫度可達(dá)1 800～2 000℃，瞬時溫度高達(dá)3 000℃，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件(如缸蓋、活塞、汽缸、噴油器等)如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，發(fā)動機(jī)會過熱，導(dǎo)致充氣系數(shù)下降，使得燃燒不正常，易發(fā)生早燃和爆燃現(xiàn)象;發(fā)動機(jī)過熱也會導(dǎo)致材料機(jī)械性能降低或產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力，使零件產(chǎn)生變形或裂紋;另外，溫度過高會使機(jī)油變稀，進(jìn)而破壞潤滑油膜，導(dǎo)致零件的摩擦和磨損加劇，從而使發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性惡化。如果冷卻液溫度過低，使得機(jī)油被燃油變稠，同時也惡化了混合氣體形成和燃燒，增加機(jī)油黏度和摩擦損失，造成零件間的磨損加劇。只有將冷卻液溫度控制在合理有效范圍內(nèi)，柴油機(jī)才能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)性、動力性［16］。

智能化控制冷卻系統(tǒng)可以將發(fā)動機(jī)出口處冷卻水溫度控制在90±1℃，但從獲得最佳經(jīng)濟(jì)性及動力性的角度考慮，發(fā)動機(jī)實際工作過程中，冷卻介質(zhì)目標(biāo)溫度應(yīng)隨發(fā)動機(jī)工況而變化，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷低時，冷卻介質(zhì)目標(biāo)溫度相對應(yīng)高，轉(zhuǎn)速及負(fù)荷增加時目標(biāo)溫度應(yīng)逐漸降低，所以下一步目標(biāo)是精確控制冷卻介質(zhì)溫度隨發(fā)動機(jī)工況合理變化。

2)進(jìn)氣溫度的精確控制

進(jìn)氣溫度的高低對發(fā)動機(jī)的功率、油耗及熱效率都會產(chǎn)生很大影響，研究表明，進(jìn)氣溫度降低，將使單缸功率增加，油耗下降，但過分降低進(jìn)氣溫度將有可能使得燃油霧化不好，降低燃燒熱效率，反而使油耗率上升，同時使得增壓柴油機(jī)冷啟動和低負(fù)荷性能變差，所以精確控制進(jìn)氣溫度，使其隨工況變化，始終保持在合理的溫度，能改善燃燒狀況，提高熱效率［17－18］。

對于增壓柴油機(jī)可以通過控制中冷器冷卻水溫度以控制進(jìn)氣溫度，智能化控制冷卻系統(tǒng)通過控制中冷器出口溫度為固定目標(biāo)溫度，實現(xiàn)了對進(jìn)氣溫度的控制，但由于進(jìn)氣溫度隨發(fā)動機(jī)工況變化比較大，部分工況進(jìn)氣溫度沒有達(dá)到合理值，所以智能化控制冷卻系統(tǒng)應(yīng)控制中冷器冷卻水溫度目標(biāo)值隨發(fā)動機(jī)工況變化，進(jìn)氣溫度隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加而降低，使進(jìn)氣溫度始終控制在合理值。

3)關(guān)鍵部件的熱負(fù)荷控制

熱負(fù)荷是影響汽缸蓋、汽缸套等發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件可靠性的一個重要因素，發(fā)動機(jī)在啟動、突加負(fù)荷、突減負(fù)荷等過渡工況下，汽缸蓋，汽缸套等關(guān)鍵部件的溫度將發(fā)生急劇變化，產(chǎn)生很大的溫度梯度，形成很強(qiáng)的熱沖擊，造成嚴(yán)重的低周熱疲勞［19－22］。

智能化控制冷卻系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)對關(guān)鍵部件關(guān)鍵點的進(jìn)行溫度監(jiān)控，及時調(diào)整水泵及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，減少關(guān)鍵點的熱負(fù)荷，提高部件可靠性。

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