基于液壓驅(qū)動技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻溫度控制研究

張康

摘要：在最近的幾年中，在設(shè)計車輛時，車頭迎風(fēng)的面積呈現(xiàn)出遞減的趨勢，其目的在于安上各類輔助性的裝置，從而導(dǎo)致內(nèi)燃機設(shè)備殼下的范圍愈來愈小，但卻加強內(nèi)燃機的功能，導(dǎo)致熱負荷愈來愈高，同時冷卻及其系統(tǒng)對內(nèi)燃機性能提出了更高的要求，包括驅(qū)動力、經(jīng)濟性、釋放性、減噪性和總體協(xié)調(diào)性等。本論文闡述內(nèi)燃機冷卻溫度的運行原理，基于液壓驅(qū)動技術(shù)設(shè)計內(nèi)燃機冷卻溫度控制系統(tǒng)，勾勒總體方案，界定液壓驅(qū)動系統(tǒng)的核心液壓組建及屬性參數(shù)，分別從控制發(fā)動機溫度和液壓系統(tǒng)溫度的機制來設(shè)計控制電控單元冷卻溫度的相關(guān)組件。

Abstract： In recent years， the front windward area shows a decreasing trend， the purpose is to install various auxiliary devices， strengthening the function of the internal combustion engine， increasing the heat load， and cooling and its system put higher requirements for the performance of the internal combustion engine， including driving force， economy， release， noise reduction and overall coordination. This paper expounds the operation principle of the cooling temperature of the internal combustion engine， designs the cooling temperature control system based on the hydraulic driving technology， outlines the overall scheme， defines the core hydraulic formation and attribute parameters of the hydraulic driving system， and designs relevant components to control the mechanism of controlling the engine temperature and hydraulic system temperature.

關(guān)鍵詞：液壓驅(qū)動技術(shù);內(nèi)燃機;冷卻;溫度控制

Key words： hydraulic driving technology;internal combustion engine;cooling;temperature control

中圖分類號：TH161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0027-02

0? 引言

當(dāng)內(nèi)燃機正常運作時，缸內(nèi)燃油在燃燒過程中所釋放的熱量中，只有其中的一小部分做有效功，大多數(shù)熱量消散。其中，通過冷卻媒介釋放的熱量在燃油的全部熱量中約占據(jù)33.3%的比例。如此龐大的熱量，僅僅憑借內(nèi)燃機自身的自然式散熱顯然是難以達到要求的。雖然在駕駛車輛時能夠借助于高速運行的方式產(chǎn)生迎面的冷風(fēng)效應(yīng)，從而對散熱器進行冷卻的處理，然而，有時候車輛行使的車速并不高，只借助于迎面式冷風(fēng)的方式來達到冷卻溫度的效果顯然是不夠的。因此，為了獲得更為充足的冷卻的通風(fēng)量，理應(yīng)為冷卻風(fēng)扇安置上較為高效性的冷卻系統(tǒng)裝置。據(jù)此，本論文基于液壓驅(qū)動技術(shù)展開內(nèi)燃機冷卻溫度控制的相關(guān)研究。

1? 運行原理

通常而言，機械裝置中的冷卻系統(tǒng)采納的是強制性散熱的一種緊湊型散熱器，其散熱量和通過外部空氣的體積流量內(nèi)部存在著內(nèi)關(guān)聯(lián)性，可用如下式（1）加以表示：

P=qvρCpΔt（1）

其中，上式（1）中的P所表示的是散熱器散熱的功率（單位：kW）;qV所表示的是通過散熱器對應(yīng)的風(fēng)量（單位：m3·s-1）;ρ所表示的是空氣的密度（單位：kg·m-3）;Cp所表示的是空氣定壓比熱容（單位：kJ/（kg·℃））;Δt所表示的是冷卻空氣在出口處和進口處二者的溫度差（單位：℃）。

通過式（1）不難發(fā)現(xiàn)，散熱器散熱的功率和通過散熱器的風(fēng)量存在著同步遞增的關(guān)系，至于風(fēng)量和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速存在著正比的關(guān)系。因而，在冷卻系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，風(fēng)量也會發(fā)生變化，也就是說，散熱器中的散熱性能出現(xiàn)了同步的變化。在一定的環(huán)境中，從工程機械熱源中所釋放的能量大體上是不變的?；谝簤候?qū)動技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻溫度控制便是根據(jù)上述的原理而對冷卻系統(tǒng)內(nèi)各個冷卻媒介的溫度加以調(diào)控的。

2? 基于液壓驅(qū)動技術(shù)的內(nèi)燃機冷卻溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體方案? 此系統(tǒng)主要包括如下的幾個核心部分：電控單元（ECU）、油泵、冷油器、過濾器、冷卻液溫度傳感器、比例閥、油箱以及油馬達等。其工作流程如下所述：系統(tǒng)通過冷卻液溫度傳感器對液體的溫度進行冷卻，再將該信號傳遞至電控單元進行處理，之后，又經(jīng)由比例閥對液壓系統(tǒng)中的油壓進行調(diào)控，進而達到調(diào)控油馬達和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的目的。

溫度測試控制系統(tǒng)屬于一類同步隨機性系統(tǒng)。測控溫度為內(nèi)燃機水套出口的地方也就是散熱器的入口處已經(jīng)做好冷卻處理液體的溫度。該系統(tǒng)主要包括智能化測試與微機控制的性能，能夠基于冷卻液的溫度及其改變率已經(jīng)目標(biāo)冷卻液的溫度狀況對比例閥進行電流的調(diào)控。當(dāng)系統(tǒng)測試到冷卻的液體溫度趨近于或是大于運作最適合的溫度的時候，便開啟風(fēng)扇運作，且把冷卻的液體穩(wěn)定于預(yù)備設(shè)置的最為理想化的運作溫度。

2.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的核心液壓組建及屬性參數(shù)的界定? 基于系統(tǒng)的運作，油馬達通常采納齒輪馬達裝置，油泵通常采納齒輪泵或是徑向柱塞泵裝置，其目的在于確保齒輪馬達處于最高和最低平穩(wěn)運行時轉(zhuǎn)速的正?；?，液壓驅(qū)動系統(tǒng)屬性的相關(guān)參量應(yīng)符合如下的要求：

在上式內(nèi)，qm所表示的是油馬的達排量參量（單位：m3/r）。Tm所表示的是油馬達輸出的力矩參量，其賦值主要顧及到如下的三點：第一，運行負載的力矩也就是風(fēng)扇的驅(qū)動力矩，其和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速平方存在著正比的關(guān)系;第二，風(fēng)扇的軸徑摩擦力矩和其軸徑的重量乘積存在著正比關(guān)系;第三，風(fēng)扇系統(tǒng)的慣性力矩和其角加速度存在著正比關(guān)系。Δpm所表示的是油馬達的進出口運行時的壓差（單位：Pa）。Zmm和Zmv依次表示的是油馬達的機械及其容積的效率參量;Qm min所表示的是為通過比例閥控制油馬達處于穩(wěn)定最小狀態(tài)的流量;nm min所表示的是油馬達風(fēng)扇平穩(wěn)轉(zhuǎn)速的最低值;pp所表示的是油泵運行的最大壓力參量（單位：Pa）;p1所表示的是油馬達運行時最高的壓力參量，其具體數(shù)值通過Tm和qm加以界定;ΣΔp所表示的是通過油泵的出口至油馬的達入口間全部壓力的受損值，在起初計算時能夠借鑒類似的系統(tǒng)，進油路速度的調(diào)控系統(tǒng)ΣΔp值范圍在（0.7MPa～1.5MPa），油泵標(biāo)定的壓力是系統(tǒng)運行最高壓力值的1.5-1.6倍;QP max與Qm max依次表示的是油泵和油馬達最大的流量參量（單位：m3/s）;Qy min所表示的是比例閥溢流的最小量;K所表示的是系統(tǒng)的流量在泄漏時的參量。

以上條件符合要求之后，借鑒通常液壓手冊內(nèi)容選擇油泵和油馬達等相關(guān)的液壓組件，進而確定性能的相關(guān)參量。

比例閥基于系統(tǒng)運行的壓力與現(xiàn)實經(jīng)由閥門流量的最大值已經(jīng)平穩(wěn)最低的流量加以確定，比例閥能夠通過在低于20%的過流量。至于比例控制閥應(yīng)從靜態(tài)和動態(tài)2個不同情況給出如下相應(yīng)的要求：①靜態(tài)時，通過平穩(wěn)狀態(tài)下所輸入的信號電流從0遞增到標(biāo)定的數(shù)值，再由標(biāo)定的數(shù)值遞減至0，在該環(huán)節(jié)中，通過輸出的參數(shù)（壓力）改變圖像加以確定，主要指標(biāo)包括重復(fù)性、磁環(huán)、直線線和分辨率等4項。通常比例閥磁環(huán)比例不超出7%，分辨率低于2%，直線性低于10%，且具有較好的重復(fù)性。因為比例閥通常不在零位周圍運行，其死區(qū)和因為溫度與進出口的壓力改變導(dǎo)致零點發(fā)生漂移等后果對閥運行的影響并不顯著，運行性能條件亦不如閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)電液伺服閥同樣的高度，因此，針對上述指標(biāo)所制定的要求相對寬松;②動態(tài)時，一般借助于階躍響應(yīng)圖像加以表示。一般通過階躍響應(yīng)時間指標(biāo)表達比例閥實時特性的性能，其數(shù)值為由輸入階躍信號到輸出量處于平穩(wěn)狀數(shù)值（即確定數(shù)值的98%）所耗費的時間。一般情況下，比例閥階躍的響應(yīng)時間范圍在0.06s～0.22s。

2.3 電控單元冷卻溫度的控制

2.3.1 控制發(fā)動機溫度的機制

從冷卻溫度系統(tǒng)來看，液體溫度在約90℃時發(fā)動機處于良好的運作狀態(tài)，可見，可以將90℃視作發(fā)動機運作常態(tài)化的理想化溫度。在該冷卻系統(tǒng)內(nèi)，將90℃視作標(biāo)準(zhǔn)的冷卻液體溫度的數(shù)值，系統(tǒng)低溫處理的閥值設(shè)置成75℃。倘若冷卻液體溫度通過測試后，其數(shù)值低于測試低溫處理的閥值或是恰恰等于處理低溫的閥值，冷卻系統(tǒng)即會經(jīng)由溢流等有關(guān)調(diào)控的方式弱化冷卻的效果。上述流程是冷卻系統(tǒng)對低溫進行處理的流程。將105℃視作冷卻系統(tǒng)處理高溫時的閥值，如果測試的冷卻液體溫度超出該高溫的閥值或者是恰巧是處理高溫的閥值時，溢流量則會調(diào)小，進而強化冷卻的效果，盡可能地提升溫度值。上述流程是冷卻系統(tǒng)處理高溫的流程。如果冷卻液體被測試到其數(shù)值的范圍處在處理低溫和高溫二者閥值時，基于模糊調(diào)控流程的規(guī)則，液壓系統(tǒng)內(nèi)的壓力則會被自動地調(diào)控，進而導(dǎo)致該系統(tǒng)冷卻的效果被調(diào)控于適宜的范圍之內(nèi)。

2.3.2 控制液壓系統(tǒng)溫度的機制

液壓系統(tǒng)倘若始終維持著較高的溫度，會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮動力傳輸功能的液壓油在較短的時間內(nèi)出現(xiàn)老化的情況，同時，系統(tǒng)容積的效率亦會受到一定程度的影響而致使其運作效果不佳。液壓系統(tǒng)溫度偏高時亦會導(dǎo)致系統(tǒng)運行受阻，無法順利進行下去。同時，液體也難以順利地進入到液壓油泵中，液壓系統(tǒng)中組件運行時耗損增大，運作效果不佳。本論文將冷卻系統(tǒng)溫度處于35℃～45℃范圍視作理想化的溫度，該范圍中的溫度視作液壓油可以順利運行的溫度。同時，本論文所設(shè)計的液壓散熱系統(tǒng)，將35℃作為其下限的閾值，45℃設(shè)置成其上限的閾值。該系統(tǒng)在具體運行的過程中，其溫度會呈現(xiàn)出持續(xù)性遞增的趨勢。當(dāng)它的溫度超出上限的閾值時，液壓冷卻系統(tǒng)則會啟動電機驅(qū)動冷卻風(fēng)扇，對整個液壓系統(tǒng)產(chǎn)生冷卻的作用。當(dāng)液壓系統(tǒng)的溫度不小于下限的閾值時，液壓風(fēng)扇則終止運作，此時，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)溫度上升的現(xiàn)象。上述的調(diào)節(jié)機制主要經(jīng)由電控單元加以完成，液壓冷卻系統(tǒng)的電機通過大客車中的電源提供所需的電能。而系統(tǒng)中的電機則經(jīng)由調(diào)節(jié)機制促發(fā)液壓系統(tǒng)中的冷卻風(fēng)扇工作。經(jīng)過上述環(huán)節(jié)，液壓冷卻系統(tǒng)能夠自動化維持液壓系統(tǒng)處于理想化的溫度狀態(tài)下正常地運作。

3? 結(jié)論

基于液壓驅(qū)動技術(shù)控制內(nèi)燃機的溫度是化解工程機械運作過程中出現(xiàn)過熱問題是一種有效性的方式。該系統(tǒng)達到了對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速智能化調(diào)控的功效，冷卻系統(tǒng)所具有的冷卻性能能夠隨著散熱所需而發(fā)生相應(yīng)的變化，能夠使得冷卻媒介處于最佳的溫度環(huán)境中。同時，在液驅(qū)技術(shù)的作用下，風(fēng)扇無需直接地借助于發(fā)動機驅(qū)動，至于冷卻系統(tǒng)的安排和安置途徑更為地靈便。以往的冷卻溫度手段，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)冷卻媒介溫度并不高時，會導(dǎo)致額外的功率耗損，且制造出較大的噪音。因為液壓驅(qū)動技術(shù)冷卻溫度所憑據(jù)的是對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進行智能化的調(diào)控，能夠為發(fā)動機省卻不必要的功率輸出，降低噪音。該系統(tǒng)不單單能夠運用在工程機械領(lǐng)域，同時亦能夠廣泛地運用在城市中的汽車、軍工裝置和其他有關(guān)特別要求的車輛與裝置中，凸顯出經(jīng)濟與社會實效性的特點。

參考文獻：

[1]米偉明.淺析內(nèi)燃機車輔助傳動系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鐵道機車與動車，2020（8）：99-103.

[2]張磊，李廣宇，徐峰，等.液壓驅(qū)動技術(shù)在大型精密播種機上的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機與配件，2020（3）：78-81.

[3]白元明，孔令成，張志華，等.內(nèi)燃機冷卻水泵性能測試裝置研究與設(shè)計[J].機床與液壓，2019（3）：67-70.