駱清國，劉紅彬，冉光政，馬 強

(裝甲兵工程學(xué)院機械工程系，北京100072)

現(xiàn)代高技術(shù)軍事戰(zhàn)爭使主戰(zhàn)坦克受到精確制導(dǎo)武器和強大地面火力的嚴重威脅，縮小坦克外形尺寸、減輕坦克戰(zhàn)斗全重、提高坦克機動性是減小主戰(zhàn)坦克戰(zhàn)場毀傷的重要手段之一［1］。同時，世界各國對輕型可空運裝甲戰(zhàn)車的軍事需求，也促進了坦克動力向輕量化和小型化的方向發(fā)展［2］。坦克內(nèi)部總?cè)莘e的20% ～30%被坦克推進系統(tǒng)所占用，因此，縮小動力艙容積，研制體積小、質(zhì)量輕、功率大的坦克動力具有至關(guān)重要的意義［3-5］。

隨著動力艙體積的減小及推進系統(tǒng)功率密度的提高，給冷卻系統(tǒng)以及能量的管理利用帶來了全新課題:一方面要求冷卻系統(tǒng)具有較高的散熱效率，滿足動力艙散熱和體積的要求;另一方面，必須對冷卻方案進行合理設(shè)計，以滿足推進系統(tǒng)各部件在不同工況的冷卻潤滑需求。因此，對新型推進系統(tǒng)進行一體化熱管理綜合設(shè)計，在有限的動力艙空間內(nèi)同時滿足高功率密度柴油機與機電混合傳動系統(tǒng)的性能及冷卻潤滑需求，是一項非常重要的工作。

1 熱管理系統(tǒng)的概念及構(gòu)成

1.1 裝甲車輛整車熱管理概念及構(gòu)成

裝甲車輛熱管理是從頂層設(shè)計入手，綜合考慮熱管理系統(tǒng)、熱管理對象與整車的關(guān)系，采用一體化熱量匹配和管理的方法對熱量傳遞過程進行控制和優(yōu)化［6］。裝甲車輛熱管理系統(tǒng)主要包括冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、動力艙空氣流動和相關(guān)控制系統(tǒng)等，如圖1所示。系統(tǒng)圍繞著2個重點部分展開工作:一是推進系統(tǒng)，稱為推進系統(tǒng)熱管理系統(tǒng);二是車廂，稱為車廂熱管理系統(tǒng)。本文只針對推進系統(tǒng)熱管理進行研究。

圖1 整車熱管理系統(tǒng)組成

1.2 推進系統(tǒng)熱管理概念及構(gòu)成

推進系統(tǒng)熱管理是將推進系統(tǒng)所有涉及到傳熱的部件當作一個大的綜合系統(tǒng)考慮，以期得到推進系統(tǒng)各分系統(tǒng)精確的熱流邊界參數(shù)，通過對各分系統(tǒng)熱量傳遞過程的精確控制，使推進系統(tǒng)各部件的工作溫度控制在合理的范圍內(nèi)，能夠適應(yīng)不同的使用工況，并且使推進系統(tǒng)的體積減小，功耗降低，整體性能達到最優(yōu)［7-8］。

推進系統(tǒng)熱管理主要是針對柴油機及傳動系統(tǒng)進行熱量的匹配和控制。對于履帶車輛液力機械傳動熱管理對象主要是柴油機、變速箱等機械熱源部件，而新型推進系統(tǒng)采用高功率密度柴油機及機電混合傳動，其熱管理對象除了柴油機外還包括發(fā)電機、電動機、整流器及電機控制器等新的產(chǎn)熱部件［9-10］。新型推進系統(tǒng)的能量分配及相關(guān)散熱部件如圖2所示。

圖2 推進系統(tǒng)能量傳遞示意圖

2 推進系統(tǒng)熱管理的意義

推進系統(tǒng)熱管理主要是通過控制和優(yōu)化系統(tǒng)的熱量傳遞過程，減小系統(tǒng)尺寸和功率消耗，提高推進系統(tǒng)性能，保證動力艙關(guān)鍵部件和系統(tǒng)安全高效運行，合理利用熱能及提高能源利用效率。

1)提高冷卻散熱效率，滿足動力艙體積要求。熱管理系統(tǒng)通過對冷卻液溫度進行精確控制及調(diào)節(jié)，能夠最大限度地降低散熱器的體積，提高系統(tǒng)的冷卻散熱效率;同時，通過對系統(tǒng)各部件空間布置進行優(yōu)化，滿足動力艙體積要求。

2)按需求控制系統(tǒng)各部件運行參數(shù)，提高推進系統(tǒng)總體性能。熱管理系統(tǒng)通過對柴油機及機電混合傳動全工況冷卻強度的控制，降低了系統(tǒng)的傳熱損失和功率消耗;通過對中冷器冷卻強度的控制，增大了進氣密度，提高了柴油機的性能。

3)按需求精確調(diào)節(jié)各部件冷卻強度，改善部件熱特性。高功率密度柴油機冷卻液溫度一般在100℃以上，而機電混合傳動中發(fā)電機和電動機的冷卻液溫度一般在90℃以下，整流器、電機控制器和低壓電源冷卻液溫度一般低于75℃;熱管理系統(tǒng)根據(jù)各部件的最佳工作溫度范圍，在不同工況下對其冷卻強度進行精確控制，避免冷卻過度和冷卻不足，改善了冷卻效果，提高了部件的可靠性。同時，熱管理系統(tǒng)根據(jù)整體的冷卻效果和熱流分布，對部件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改善了其熱特性。

3 某型裝甲車輛柴油機冷卻系統(tǒng)智能化控制改造

3.1 總體方案與控制策略

根據(jù)熱管理的要求，對某型裝甲車輛柴油機冷卻系統(tǒng)進行了智能化控制改造，匹配樣機原冷卻系統(tǒng)如圖3所示。高低溫雙循環(huán)回路共用水泵及部分水路，冷卻水經(jīng)水泵強制驅(qū)動進入機油熱交換器，而后分成2路:一路通過暗水道進入機體、缸蓋，然后進入高溫?zé)峤粨Q器;另一路經(jīng)低溫?zé)峤粨Q器進入中冷器，繼而在水泵前與高溫循環(huán)的冷卻水匯合后進入水泵，完成循環(huán)。

圖3 某型柴油機原冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案

在進行智能化控制冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)各部件的工作溫度范圍將高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩捶謩e放置在2個回路，通過對外源水和內(nèi)循環(huán)水流量的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對各部件冷卻強度的精確控制，最終設(shè)計方案及控制策略方案如圖4、5所示。高溫循環(huán)包括柴油機本體、節(jié)溫器、高溫?zé)峤粨Q器、電控水泵;低溫循環(huán)包括中冷器與機油熱交換器、節(jié)溫器、低溫?zé)峤粨Q器、電控水泵，其中中冷器與機油熱交換器串聯(lián)，冷卻水先冷卻中冷器然后再冷卻機油熱交換器。

圖4 智能化控制冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案

圖5 智能化控制冷卻系統(tǒng)控制策略示意圖

智能化控制冷卻系統(tǒng)采用開環(huán)預(yù)先調(diào)節(jié)與閉環(huán)反饋相結(jié)合的控制方法。開環(huán)控制不對實際輸出與期望輸出的差異進行監(jiān)測，只根據(jù)預(yù)置MAP圖對控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。閉環(huán)反饋控制通過反饋傳感器對控制系統(tǒng)的輸出進行連續(xù)監(jiān)測，控制單元根據(jù)實際輸出與期望輸出的差異修正響應(yīng)的控制信號，使隨后的實際輸出逐步向期望輸出靠近。

3.2 智能化控制冷卻系統(tǒng)仿真

采用GT-COOL軟件對智能化控制冷卻系統(tǒng)進行仿真建模計算，分析冷卻系統(tǒng)的整體性能，確定控制參數(shù)。仿真模型如圖6所示。

圖6 柴油機智能化控制冷卻系統(tǒng)仿真模型

3.3 智能化控制冷卻系統(tǒng)控制效果驗證

為了驗證智能化控制冷卻系統(tǒng)控制效果，筆者對柴油機臺架進行了改造，搭建了智能化控制冷卻系統(tǒng)試驗臺。

3.3.1 控制精度驗證

控制精度試驗結(jié)果如圖7、8所示。圖7、8分別為柴油機從轉(zhuǎn)速2 200 r/min、負荷100%過渡到轉(zhuǎn)速為800 r/min、負荷為0時本體出口冷卻水溫度變化和中冷器出口冷卻水溫度變化曲線。從圖7可看出:柴油機出口冷卻水溫度能始終控制在90±1℃的范圍內(nèi)，優(yōu)于90±3℃的指標要求。從圖8可看出:中冷器出口冷卻水溫度始終能控制在60±1℃的范圍內(nèi)，優(yōu)于60±3℃的指標要求。上述結(jié)果表明智能化控制冷卻系統(tǒng)具有較好的控制效果。

圖7 柴油機本體出口冷卻水溫度變化曲線

圖8 柴油機中冷器出口冷卻水溫度變化曲線

3.3.2 燃油消耗率對比分析

智能化控制冷卻系統(tǒng)柴油機與原柴油機在相同工況下的燃油消耗率對比如表1所示。從表中可看出:柴油機采用智能化控制冷卻系統(tǒng)后，燃油消耗率最大降低了15.07%，最小降低了5.30%，達到了技術(shù)指標所要求的5%～10%。

3.3.3 功耗對比分析

冷卻系統(tǒng)的功耗包括風(fēng)扇功耗及水泵功耗，將智能化控制冷卻系統(tǒng)外源水流量折算成風(fēng)扇的風(fēng)量及功耗，進而與原機進行比較。標定轉(zhuǎn)速及最大扭矩轉(zhuǎn)速時不同負荷下原系統(tǒng)與新系統(tǒng)總耗功對比如表2、3所示。通過將各轉(zhuǎn)速下不同負荷時冷卻系統(tǒng)總耗功下降量取平均值，得到冷卻系統(tǒng)全工況范圍內(nèi)耗功平均下降了約31%。

表1 相同工況下的耗油量對比表

表2 柴油機標定轉(zhuǎn)速(2 200 r/min)時不同負荷下總耗功對比

表3 柴油機最大扭矩轉(zhuǎn)速(1 600 r/min)時不同負荷下總耗功對比

4 結(jié)論

筆者對裝甲車輛推進系統(tǒng)熱管理的概念、構(gòu)成及意義進行了詳細研究，基于熱管理的思想對柴油機冷卻系統(tǒng)進行了智能化改造。試驗結(jié)果表明:柴油機和中冷器的出水溫度控制精度可達±1℃;燃油消耗率降低了5% ～10%，冷卻系統(tǒng)全工況功耗平均降低了約31%。下一步針對新型推進系統(tǒng)熱管理，其研究內(nèi)容主要有以下幾個方面:

1)深入分析推進系統(tǒng)熱流傳遞規(guī)律，設(shè)計高效的熱管理系統(tǒng)方案;

2)對推進系統(tǒng)產(chǎn)熱元件的特性進行研究，明確其產(chǎn)熱規(guī)律，確定其在不同工況下的最佳工作溫度;

3)對推進系統(tǒng)熱管理控制策略進行研究，實現(xiàn)各部件散熱強度的按需調(diào)節(jié)，降低系統(tǒng)的功耗，改善推進系統(tǒng)性能。

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