許建春, 卓 勛, 王 大
(四川長(zhǎng)江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司,四川 瀘州 646006)
重型汽車在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中的作用日漸突出,已經(jīng)成為公路貨物運(yùn)輸?shù)闹髁?。在山區(qū)公路行駛的重型汽車和一些特種重型汽車,動(dòng)力傳動(dòng)系的熱負(fù)荷大,其工作溫度區(qū)間直接關(guān)系到整車的使用穩(wěn)定性,間接影響到整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性;散熱系統(tǒng)的控制方式與發(fā)動(dòng)機(jī)的寄生損失緊密關(guān)聯(lián)。重型汽車動(dòng)力系統(tǒng)的傳動(dòng)模型研究成為一個(gè)重要的研究方向。重型汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的熱負(fù)荷計(jì)算,需要以動(dòng)力傳動(dòng)部件的選型、參數(shù)及行車環(huán)境為依托,因此必須首先建立動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。然后根據(jù)冷卻系統(tǒng)的排熱要求及發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置確定動(dòng)力傳動(dòng)系熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。最終根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系熱管理系統(tǒng)選用的具體部件確定其熱計(jì)算模型。
重型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)水套、水泵、節(jié)溫器、散熱器、膨脹水箱和預(yù)熱器組成。其中發(fā)動(dòng)機(jī)為主要熱源,其他部件在工作中主要為了完成發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的管理。水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的動(dòng)力裝置;節(jié)溫器通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的大循環(huán)和小循環(huán),使啟動(dòng)后的發(fā)動(dòng)機(jī)快速升溫并保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的工作溫度控制在一定范圍以內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入冷卻循環(huán)的熱功率在散熱器中完成與外界空氣產(chǎn)生熱交換;采用膨脹水箱及時(shí)將循環(huán)管路中的氣泡排出,確保系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度管理結(jié)構(gòu)圖
發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)的體積流量設(shè)定為Qv,這樣可以得到伯努利方程通過(guò)變形得到式(1)方程:
式中:冷卻管路的有效橫截面積為Aequal,Δp為進(jìn)出口的壓力差,ρ為冷卻液密度。
發(fā)動(dòng)機(jī)屬于熱機(jī),因此在分析發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)時(shí),將發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱流源來(lái)考慮。發(fā)動(dòng)機(jī)與冷卻液的熱交換特性可以用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)功率的函數(shù)來(lái)表示:
式中,HEexch為熱交換量(發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻管路);nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;pE為對(duì)應(yīng)nE下的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱容單元主要用來(lái)計(jì)算熱流體在通過(guò)定熱容單元時(shí)的溫度T和壓力p,其微分方程可表示為:
式中,進(jìn)入該容積的熱量為d H;cp為流體的比熱,根據(jù)流體的工作壓力和溫度得到;ρ為流體的密度;dP/dt為壓力相對(duì)時(shí)間的微分;v為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管路的容積。容積的熱量可以細(xì)分為下式:
式中:dmh1和dmh2是進(jìn)入到單元體內(nèi)的熱流量;dh為單元體與外界的熱交換量;ddm1和dm2為進(jìn)入單元體內(nèi)的質(zhì)量流量;h為單元體內(nèi)流體的熱量。
離心式水泵是一般發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力源。設(shè)定冷卻水泵的轉(zhuǎn)速為npump其可以表示為:
式中:nengine為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,ie-p為水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比。通過(guò)進(jìn)口溫度和流量與出口溫度和流量就可以計(jì)算出理想的的水泵功率(假設(shè)溫度變化液體體積不變化)。
式中:Q為流量,Δp為進(jìn)出口的壓力差,ηpump為泵的總效率。節(jié)溫器相當(dāng)于一個(gè)可變截面積的孔口,當(dāng)溫度較低時(shí)節(jié)溫器關(guān)閉,發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)基本不工作,發(fā)動(dòng)機(jī)快速達(dá)到工作溫度。當(dāng)溫度超過(guò)一定溫度節(jié)溫器開(kāi)始工作直到溫度達(dá)到溫度水平。節(jié)溫器的開(kāi)口Sf,可以表示如下:
式中,Area,open為實(shí)際開(kāi)啟截面,Area,all為全開(kāi)截面。一般設(shè)定節(jié)溫器的開(kāi)度在初始溫度到全開(kāi)溫度方面設(shè)定為線性。
散熱器中冷卻液與空氣的熱交換量,是冷卻液體積流量和空氣質(zhì)量流量的函數(shù)。通過(guò)定義試驗(yàn)中散熱器進(jìn)出口溫差Texp,來(lái)定義散熱器試驗(yàn)散熱量數(shù)據(jù)的有效性。
式中,Tin,exp和Tout,exp分別表示出口溫度和進(jìn)口溫度。從而得到實(shí)際散熱器的散熱量Hreal,根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算:
式中,Hexp是散熱量(通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得),Tin,real和Tout,real表示散熱器的進(jìn)出口的溫度,ηheat是散熱器的效率。
對(duì)于重型汽車,受到現(xiàn)行的汽車設(shè)計(jì)規(guī)范和道路交通條件的制約,人們對(duì)大功率柴油機(jī)和高轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)裝置的期望與有限的發(fā)動(dòng)機(jī)艙容積相抵觸。為保證重型汽車傳動(dòng)系主要部件的正常工作,需要選用適合的熱管理系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)其循環(huán)流量,使得動(dòng)力傳動(dòng)系工作在溫度范圍內(nèi)。本文分析動(dòng)力系傳熱系統(tǒng)模型,通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)附件模型、水和空氣的散熱器模型進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的分析獲得相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。為進(jìn)一步的動(dòng)力系統(tǒng)傳熱的熱力學(xué)分析做好了準(zhǔn)備。