基于智能化控制冷卻的柴油機全工況熱平衡臺架試驗

曹洪浩，駱清國，龔正波，桂 勇

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

隨著重型車輛發(fā)動機升功率的大幅度提高，大功率柴油機的熱負荷顯著增大，由之帶來的進氣條件、熱工轉(zhuǎn)換效率、零部件工作可靠性等問題越來越突出，所以傳統(tǒng)的機械驅(qū)動的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)已不能滿足大功率密度柴油機的需求.針對這一問題，設(shè)計了一套柴油機智能化控制冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)可綜合考慮發(fā)動機的工況、環(huán)境等因素，依據(jù)發(fā)動機的熱狀況，其控制冷卻系統(tǒng)各可控部件，能夠精確、自動地調(diào)節(jié)冷卻水的溫度，從而使發(fā)動機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)動改為電控，熱交換器外源水管道上安裝電控閥門，通過電控閥門控制外源水流量，模擬實際車輛中風(fēng)扇的控制.

圖1 冷卻系統(tǒng)部件布置及測點布置示意圖

控制上高溫回路與低溫回路控制相互獨立，高溫回路控制部件包括高溫電控水泵及高溫電控閥，控制目標為發(fā)動機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)動機工況發(fā)生變化導(dǎo)致發(fā)動機出口冷卻水溫發(fā)生變化時，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)動機工況發(fā)生變化導(dǎo)致中冷器出口冷卻水溫發(fā)生變化時，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環(huán)控制，高溫電控水泵為模糊閉環(huán)控制.

通過控制使中冷器及發(fā)動機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)動機進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 熱平衡臺架試驗

2.1 試驗條件

試驗機型為某型高強化柴油發(fā)動機，冷卻系統(tǒng)進行高低溫雙回路布置及智能化改進.

2.2 測點布置

測量的參數(shù)主要為發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)，冷卻水、空氣及潤滑介質(zhì)在各部件進出口處的壓力、溫度及流量.具體測量點如圖1所示，其中溫度測點30個，壓力測點19個，流量測點7個[4-5].

測試儀器儀表精度要求如下[6]:

1)轉(zhuǎn)速傳感器:±5 r/min;

2)測功機:0.2級;

3)流量計:0.2級;

4)溫度傳感器:±0.2℃;

5)壓力傳感器:0.5級.

3 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

3.1 熱平衡試驗數(shù)據(jù)的處理原理

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

所以柴油機的熱平衡方程為:

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為余項損失.

其中冷卻水帶走的熱量包括從發(fā)動機本體、中冷器以及機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)動機的有效功率.

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，其計算公式為:

式中，Mwi為對應(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為對應(yīng)回路散熱器進水溫度;Tw_out為對應(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為進氣溫度;Ta_out為排氣溫度[10].

5)余項損失

3.2 熱平衡試驗結(jié)果分析

熱平衡試驗按負荷特性進行試驗，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)進行測試，共9條曲線，每條曲線從最大負荷到空載選4個點測試，實測功率為計算功率乘以0.975.

3.2.1 負荷特性試驗結(jié)果分析

表1為在發(fā)動機標定點2200 r/min負荷特性下熱平衡試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)計算公式可以計算出在各負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(見圖3).

表1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速2200 r/min時各負荷下試驗數(shù)據(jù)

圖2 2200 r/min時各負荷下的熱量分配

圖3 2200 r/min時各負荷下的熱量百分比

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.通過比較可以發(fā)現(xiàn):隨著負荷的增加，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，在標定工況時大于廢氣帶走熱量，主要原因為隨著負荷的增加，進氣及燃燒條件改善，轉(zhuǎn)換為有用功的熱量也相應(yīng)增加.

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

通過與原冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗數(shù)據(jù)進行比較，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，見圖4，廢氣帶走的熱量比原系統(tǒng)[8]要少，見圖5.主要原因為冷卻系統(tǒng)進行智能化控制后，進氣溫度比較穩(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，尤其是在低負荷時改善比較明顯.

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

3.2.2 速度特性試驗結(jié)果分析

表2為柴油機各典型轉(zhuǎn)速下相應(yīng)最大負荷時熱平衡試驗數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)來看，發(fā)動機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)℃的目標值，根據(jù)計算公式可以計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)動機轉(zhuǎn)速在1 400～1 800 r/min之間時，有用功及廢氣帶走熱量增加不明顯，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時增幅比較明顯.主要原因為在測試2 000 r/min負荷特性時，油門位置過大，扭矩達到1 994 N·m，超過最大扭矩轉(zhuǎn)速1 500 r/min

表2 柴油機外特性各工況記錄數(shù)據(jù)

圖6 柴油機外特性各工況的熱量分配

通過與原冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗數(shù)據(jù)[8]進行比較，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)速的低負荷工況相比增加量相對要少，見圖8.廢氣帶走的熱量比

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

4 結(jié)論

通過對此型號高強度大功率柴油發(fā)動機進行智能化改進前后熱平衡試驗數(shù)據(jù)進行對比，可以得到以下結(jié)論:

1)通過標定工況下負荷特性試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，原發(fā)動機廢氣帶走熱量始終大于有用功，而進行智能化改進后有用功隨負荷增加迅速增大，在負荷大于1 300 N·m時，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)過分析，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行智能化改進后，進氣溫度得到合理控制，發(fā)動機進出口水溫平穩(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)外特性各工況點發(fā)動機 (除個別點)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，可見在外特性點上，發(fā)動機熱功轉(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)速的低負荷工況相比減少量偏低，見圖9.可見冷卻系統(tǒng)進行智能化控制后，進氣、燃燒條件得到改善，熱工轉(zhuǎn)化效率增高，在低負荷時體現(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，此時增大轉(zhuǎn)速和負荷對燃燒條件的改善沒有原系統(tǒng)明顯.

圖7 柴油機外特性各工況的熱量百分比

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

3)進行智能化改進后發(fā)動機進氣條件和燃燒環(huán)境得到改善，提高了發(fā)動機的熱工轉(zhuǎn)換效率、部件的工作穩(wěn)定性及可靠性，可見智能化控制冷卻系統(tǒng)在高強化大功率密度柴油機上有很大的應(yīng)用價值.

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