工程机械冷却系统研究

关键词： 冷却系统 师范学院 江西 南昌

工程机械冷却系统研究（精选十篇）

工程机械冷却系统研究 篇1

3.江西艺术职业学院,江西南昌330044)

(1.Jiangxi Agricultural University,Jiangxi Nanchang 330038;2.Jiangxi Science and Technology Normal University,Jiangxi Nanchang 330013;3.Jiangxi Vocational Academy of ART,Jiangxi Nanchang 330044)

1 系统设计及方案论证

柴油机工作时,冷却水的正常温度应保持在75-90℃,此时柴油机可发出最大功率,燃油消耗最低,机件磨损也不大。

因此,我们随时需要知道冷却水的温度,对水温进行控制,水温偏差较大时进行报警。机械经常低速大负荷地工作在高温、多粉尘的恶劣环境中,我们在研究时可增加对水温进行遥控语音报温,以解决生产的实际问题。

1.1 控制模块

方案一:采用凌阳61单片机。它整合了多个常用的功能模块,在进行系统开发的时候不用外扩过多的硬件模块就可方便地完成一个系统的设计,而且其内部还集成了语音模块。但其价格较高,操作较51也比较难。

方案二:采用高性能改进型的MCS-51系列单片机STC89C52作为系统控制器。它具有8K字节Flash程序存储器、2K+的EEPROM、256*8字节数据存储器、3个16位定时/计数器、5个中断、1个全双工串行口等资源。无论是从内部构造还是编程方面,51系列单片机都相对简单,容易掌握和使用,功能强大,且价格便宜。

综上分析,由于STC89C52价格低廉,程序通用,易于控制,完全满足系统控制要求,因此,控制器模块选择方案二。

1.2 温度检测

方案一:利用温度传感器DS18B20采集温度,该器件采用单总线的传送协议,具有使用简单、方便的优点。但是其对时序的要求十分高,很容易出现数据读取错误;并且它的温度的采集精度在实际情况中只有0.5℃左右,不能完成题目的要求。

方案二:采用PT100作为温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化,并呈一定函数关系的特性来进行测温的,具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点,可以完成系统的所有要求但价格稍高。

综上所述,虽然PT100价钱较高,但是它能很好的满足系统要求,故采用方案二。

1.3 语音采集及播报

方案一:用由致远公司开发的ZY1420语音模块,该语音模块有ISD1420的所有优点,如大容量的EEROM存储器,消躁的话筒放大器,自动增益调节AGC电路和专用的语音滤波电路等。除此之外他还有具有使用方便,体积小、功耗低、选址多、音质好等优点。

方案二:采用APR9600语音芯片,该芯片具有录音时间长,操作模式可选等优点,但是其只有在串行的时候才可以分多段选址操作,而串行模式下操作复杂。并行模式下操作虽然简单,但是选址段数有限,在本设计中不能满足系统要求。

综上所述,采用方案一。

1.4 总体方案

通过热电阻PT100采集温度,经过AD转换之后将数据传给单片机处理。然后由数码管将温度显示出来,显示精确到小数点后2位。并且可以通过按键实时播报当前的温度。同时利用射频通信技术,将采集到温度传至后方监控系统,监控系统可以实时显示温度、发出超温报警和对发生的超温事件进行相应的处理(如降温)等。

2 单元电路设计

2.1 电源模块

直流稳压电源采用常用的桥式全波整流、单电容滤波、三段固定输出的继承稳压器件。输出电路由+12V稳压供给,从而大大提高了电压调整率和负载调整率。所有的集成稳压器根据功耗均安装了散热片。

2.2 温度采集模块

温度采集电路中,R7、R8、R14和PT100组成传感器测量电桥,为了保证电桥输出电压信号的稳定性,电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R14,通过调节R14可以调整输入到运放的差分电压信号大小,通常用于调整零点。

放大电路采用NE5532集成运算放大器,为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差,放大电路采用两级放大,前一级约为10倍,后一级约为3倍。温度在0~100度变化,当温度上升时,PT100阻值变大,输入放大电路的差分信号变大,放大电路的输出电压对应升高。

但值得注意的是:虽然电桥部分已经经过TL431稳压,但是整个模块的电压VCC一定要稳定,否则随着VCC的波动,运放的工作电压波动,输出电压随之波动,最后导致A/D转换的结果波动,测量结果上下跳变。

2.3 AD转换模块

采用TLC2543进行AD转换,TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器,具有转换速度快、转换误差小等优点。

2.4 功放模块

TDA2822是一款单片集成音频放大器,它采用8脚塑料双列直插封装。主要应用于便携式及盒式收录机。此芯片工作电压范围宽:Vcc=1.8V~6 v,,低交叉失真,低静态短路电流,桥/立体声配置。本设计对输出功率要求不大,在此处接成BTL接法可保证有足够输出功率。

2.5 语音模块

ZY1420语音模块有2中放音方式,电平放音和触发放音。(1)触发放音:轻按PLAYE按键,这样给PLAYE脚一个低电平脉冲,电路进入放音状态,直到放音结束。(2)电平放音:按下PLAYL按键(PLAYL脚保持为低电平),电路进入放音状态,直到PLAYL变高或放音结束,电路重新进入准备状态。这里选用触发放音。

2.6 显示模块

显示模块电路利用PNP型三极管驱动2个四位数码管,数码管显示采用动态扫描,这样可以充分利用单片机的IO口资源,避免了IO口资源不足需要外扩的麻烦。

3 软件设计

控制芯片采用STC89C52,软件设计平台基于Keil公司开发的Keil Vision2,编程语言采用C语言。由于系统设计本身使用到温度采集模块和数码管动态扫描显示等实时性较高的模块,所以利用KEIL自带的实时多任务操作系统RTX51。

4 系统测试

因为硬件设施的限制,所以这里只能借助水银温度计所测到的温度作为基准温度,将系统所测到的温度与其对比,测量结果可能会有所误差,但是我们经过多次采集数据,并进行了相关的算法,使得系统的测量误差降到了最低。由数据分析发现,本系统所测到得温度与实际中的温度误差小于0.5℃,测量范围达到了0—100℃,完全完成了项目的所有要求。

5 结束语

由于系统架构设计合理,功能电路实现很好,系统性能优良、稳定,达到了项目要求的各项指标,且在很多指标上都超过了项目规定的要求。而且还很好的发挥了扩展部分,利用了射频通信技术,实现远程监控。

摘要：本系统采用高性能STC89C52单片机作为核心,由温度采集模块、温度显示和报警模块、语音播报模块、远程温度监控模块组成。该系统利用铂电阻PT100采集温度,通过12位AD转换芯片TLC2543对温度信号采样、转换,结果送入单片机中通过数码管显示并可以实现按键语音播放,并利用射频通信技术进行远程温度监控。其中,温度采集能够精确采集外界温度且误差小于0.1℃,测量范围为0—90℃;温度上下限设定时伴有语音提示,步进值精确到0.05℃;实际温度超出所设温度上下限时,发出报警声。

关键词：单片机,PT100,温度监控,语音,射频

参考文献

[1]张华林,周小方.电子设计竞赛实训教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]于永,戴佳.51单片机C语言常用模块与综合系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2007.

[3]范风强,兰婵丽.单片机语言C51应用实战集锦[M].北京:电子工业出版社2003.

工程机械冷却系统研究 篇2

关键词：冷却塔；温度调节器；节能；冷却塔供冷

冷却塔被广泛地应用于制冷空调系统及工业设备的冷却水系统。对于空调用户而言，冷却塔的功耗在整个空调系统的能耗中也占有一定的比例，而且由于其使用频率高，累计能耗是十分可观的。从节能的角度讲，我们应当对空调系统中冷却塔的耗能给予同样的重视，系统节能应整体考虑。为了适应越来越高的节能要求，我们应该分析影响冷却塔冷却能力的因素，从运行过程中节约风机、水泵等能耗的观点出发，找出冷却塔节能的各种实施方法，在能源日趋紧张的今天，是一项十分有意义的工作。

当前，国内外冷却塔的节能研究(以机械通风湿式塔为主)主要集中在以下几个方面：

(1)改进冷却塔体的结构，优化冷却塔内部构件的布置，使气、水分布均化，减少阻力，提高效率；

(2)改进冷却塔运行方式，减少能耗；

(3)高温水在进入冷却塔之前，先进行一定的“预处理”，使水进入冷却塔后能增大与空气的接触面积和接触时间，以达到节水和节能的目的。

1.冷却塔性能

在制冷空调系统中，冷却塔起着非常重要的作用。从热力学方面考虑有3种基本形式的冷却塔：湿式(蒸发式)、干式、湿干混合式。目前应用较广泛的是湿式(蒸发式)冷却塔。冷却水通过冷却塔与外界空气同时进行着热量和质量的交换，热量分为显热和潜热两部分。冷却水通过冷却塔与外界空气同时进行着热量和质量的交换，热量分为显热和潜热两部分。假若换热量全部为水的潜热，则冷却水降低6℃，蒸发的水量不及供水量的1/100。冷却塔的性能与温度范围和接近度有关。温度范围是指冷却塔出水与进水的温度差。冷却塔的选择与以下几个因素有关：需冷却的热负荷，冷却的温度范围，接近度，湿球温度。

2.冷却塔的冷却能力

冷却塔的冷却作用是通过水与空气进行直接或间接的热、质交换来实现的。为了达到节能的目的，首先我们应该清楚影响冷却塔冷却能力的各个因素，以便在运行过程中采取适当的措施，使冷却负荷与冷却能力相匹配，尽可能地节省能耗。对结构已经确定的冷却塔而言，影响冷却塔的冷却能力的主要因素有：室外空气(湿球)温度、冷却水入口温度、冷却水量及诱导风量等。

(1)室外空气(湿球)温度

冷却塔出口水温度的理论极限值为室外空气的湿球温度。因此，当水量一定，入口水温一定时，室外空气的湿球温度越低，与入口水温之差越大，冷却塔冷却能力就越强。但是我们必须注意的是冷却水温度太低的话，制冷机组的冷凝压力会大幅度降低。因为对于制冷机冷凝器冷凝压力有一个低限，冷凝温度也有一个低温限制，所以冷凝温度过低，将导致制冷机组运行容易出现故障。

(2)入水口温差

当冷却水量一定，室外空气湿球温度一定时，随着冷却塔入口水温的增加，入口水温及出口水温与空气湿球温度之差都将增加，促进了冷却，因此冷却能力会增加。但是对于某一结构形式已确定的冷却塔而言，由于冷却能力的限制，可能使出水口水温有较大的升高，这样可能导致制冷机组的冷凝压力过高，使机组制冷量不足。

(3)冷却水量

当冷却水入口水温、空气湿球温度一定时，冷却水量增加，冷却塔的总容积传热系数也会增加，虽然冷却水温降有所减少，但总的效果还会使制冷能力增加。但也要注意的是，由于水量的增加，将使配管内的腐蚀、管内压力损失增加。因此必须在检验循环水泵，制冷机组及冷却塔等设备的使用条件后才能确定。

3.冷却塔的运行与节能途径

由上所述，室外空气湿球温度，入口水温，及冷却水量的变化都将引起冷却塔冷却能力的变化。因此，如果在运行过程中，当室外空气(湿球)温度变化或冷却负荷发生改变时，充分利用上述特性，采用适当的措施必然能做到使冷却塔的冷却能力与冷却负荷相匹配，从而节省运行能耗。

(1)通过温度调节器控制风机的启、停

当冬季室外空气(湿球)温度降低时，冷却塔的冷却能力增加，出口水温降低，由温度调节器感知水温，停止风机运转，达到防止水温过低及节能的目的。

(2)通过调速装置改变风机用电机的转速

由于室外空气湿球温度的变化是随机性的，采用调速装置可以改变风机用电机的转速，可以使电机实现无级调速，从而获得更好的节能效果，同时也可以减少风机的启、停次数，延长风机的使用寿命。根据生产的需要预先设定供水温度，由气候气象环境对水温的影响、系统换热条件的改变对水温的影响，用温感探头的实测值反应出来，最终通过调控降温设备的能耗来稳定供水温度，实现自控节能。

(3)风机台数控制

当空调系统有几台冷却塔或每台冷却塔有几台风机时，风量的调节可以通过风机台数控制来实现，根据需要来确定风机开启的台数，因此这种调节手段更强，调节范围更大，且水温比较稳定，尤适合在制冷负荷变化不大而室外空气参数变化大的情况下使用，工业用冷却塔上最为实用。表3-1 为维持冷却塔出水温度32℃不变，室外空气湿球温度变化与风机开启台数变化对应表。风机的开与停，可以采用手动，也可通过温感来实现自动控制。根据测量供水温度的变化，自动调节风机的开、停机数量达到控温节能的目的，从而节省冷却塔风机能耗。

表 3－1

(4)封闭式冷却塔洒水泵的运行控制

当室外空气(湿球)温度降低或者冷却负荷减少时，可通过设置在冷却塔内的温控器关闭洒水泵，节约洒水泵的能耗。当洒水泵停止运行时，冷却水仅仅靠与空气的显热交换来冷却。

(5)冷却塔进水控制

以往的研究基本上局限于冷却塔本身，而对冷却塔的处理对象——待冷却高温水却涉及很少，如果让高温水在进入冷却塔之前，先进行一定的“预处理”，改变气、水之间的传热、传质性能，同样也能达到节水和节能的目的。同济大学[5]做法：以现有的冷却塔为基础，在进水管装上溶气设备(溶气罐或射流溶气器)，利用一定的压力将空气溶于进水中，然后再进行冷却。改进后的冷却塔的容积散质系数比原来提高15％—20％，冷却效率大大提高。

(6)冷却塔直接供冷系统。

在前面已经讲到，在空调的水系统中，通常情况下，被冷却塔冷却的水流经制冷机组的冷凝器，形成冷却塔——冷凝器的冷却水循环环路，系统的另一循环环路为蒸发器——用户的冷冻水环路。如果当室外空气湿球温度下降到某一值时，制冷机组可以停止运行，由冷却塔冷却的冷却水可直接送入用户空调末端，形成冷却塔——用户的循环环路，即冷却塔直接供冷的模式。这样，设计通过两个途径节省能耗：1)停止制冷机组可以节省大部分能耗，2)系统的循环水泵由冷却水泵与冷冻水泵同时运行变成只有冷却水泵运行。

对空调用户而言，所消耗电量为制冷机组、冷却塔、水泵等系统各部分耗电量的总和。因此，节约各部分的耗电量对于用户同等重要，这样才有可能保证系统总体上节能。在空调系统中利用冷却塔节能，可以从改变其自身的运行工况着手，也可以从冷却塔系统的角度，充分利用冷却塔的冷却能力。为了用户的最大限度节能，冷却塔的生产厂家在设计与制造过程中应多考虑冷却塔的自控功能，并且提供冷却塔在冬夏两种工况的热工参数。

4.结论

我国是个淡水严重短缺的国家，而经济确以惊人的速度增长，人民生活水平的提高，使得空调的普及率迅速升高，因此对空调水系统的冷却塔节水节能提出了更高的要求，虽然冷却塔的运行节能往往被忽视，但笔者相信，随着控制技术的不断提高和制造成本的不断下降，冷却塔的节能技术将会被用户更多地接受和采用。冷却塔的节能有多条途径，而且随着研究工作的不断深入，还会有各种新的方法不断出现。各种方法、途径之间不是孤立的，而是相互联系、相互制约的关系。在实际操作中，既可以从某一角度对冷却塔进行节能改造，也可以从多方面综合评价，最终目的都是为了使冷却塔效率达到最优，节能节水率达到最高，以缓解当前紧张的水资源和能源问题。

参考文献

[1] 黄仲杰.我国城市供水现状.问题与对策.给水排水，2011，24(2)：18—20．

[2] 冀兆良.夏热冬暖地区的居住建筑节能.制冷空调与电力机械.2003年第六期.[3] 刘迎云.利用冷却塔节能的途径与方法.节能.2009.12：37-41．

[4] 林宏.利用冷却塔供冷技术的初探.制冷空调与电力机械.2010.3：19-21．

[5] 郅玉声等.提高冷却塔冷却效率的工艺研究.化工给水排水设计.2011(1)：5-7．

[6] 刘随兵，周琪等.冷却塔高效节能的研究进展.给水排水.2010.25(5)：61-65．

[7] 路延魁主编.《空气调节设计手册》(第二版).中国建筑工业出版社.1995.11．

工程机械冷却系统研究 篇3

关键词：蒸发冷却；机械制冷；复合空调系统；实验台设计

中图分类号：TU831.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0029-01

当前，我国面临着严峻的资源以及环境形势，其中节能减排就是一个有效地措施，为达到节能减排这一目的，在蒸发系统和机械制冷复合空调系统搭建过程中，需要结合当地的气候特征，存在的问题主要有：能耗高、水堵、使用年限较短、维修工作量大。适用范围有限，只能使用在干燥地区，如新疆，同时还没有冷热回收功能，造成能源浪费。

1 机组外形设计

外形设计过程中需要根据实际情况进行设计，所以需要参照其他组合台式空调的外形尺寸，在本次设计中主要参照的组合台式空调节型号包括美的、台佳以及开利等，在此基础上根据本次设计的实际需求对相应的机组外形进行优化设计，并对不同功能段的相关尺寸做了改动。

机组结构在设计过程中既要从蒸发冷却“免费供冷”这一优点出发，同时还要保证机械冷却除湿功能的正常发挥，此外还要根据实际情况，保证机组各功能在不同季节条件下可以正常发挥。综合以上各项因素设计出在一年四季均可正常发挥功能的全年运行空调机组。

2 实验台系统设计

2.1 设计依据

设计依据包括：

《组合式空调机组设计规范》GB/T14294-93；

《采暖通风和空气调节设计规范》GB50019-2003；

《全国民用建筑工程设计技术措施—节能专篇》暖通空调·动力2007。

2.2 机组外形设计

机组外形设计过程中需要根据组合式空调机组设计规范进行设计，同时参照其它一些组合式空调机组外形尺寸确定合适的外形尺寸，如美的、台佳、开利等，在此基础上根据该机组设机功能要求，适当地对机组外形相关尺寸做出优化设计。

2.3 机组各功能段结构设计

机组结构设计过程中需要综合考虑各项因素进行设计，其中既包括机械冷却除湿功能以及蒸发冷却“免费供冷”这一优势，同时还要考虑一年中不同季节条件下机组功能的切换使用。在全面考虑之后，最终设计出了一种全年运行空调机组，该空调机组包括：新风过滤段、管式间接蒸发冷却段、直接蒸发段、热管（热回收）间接蒸发冷却段、机械制冷表冷器段、再热段、加湿段等，此外还包括挡水板以及送风机这两部分。

2.4 风系统设计

①风管管路设计。风管管路设计过程中，主要考虑的是不同季节条件下运行模式的变化性，同时还要从节能减排出发，做到回收利用，根据这两点内容搭建了实验台风系统。

②风管尺寸的确定。根据《实用供热空调设计手册》中关于风管尺寸的有关规定，采用假定流速法计算空调系统风管水力，结合流量以及规范中建议使用的流速确定出风管尺寸，在计算过程中不要忘记相关阻力的计算。

③风系统阻力计算结果及风机选型。

2.5 水系统设计

①蒸发冷却水系统。

②机械制冷水系统。

冷水机组选型：在实验台二层屋顶放置实验台冷水机组，采用的是HLZ30型蒸发式空调机，该蒸发式空调机的使用减少了使用水泵以及修建冷却塔方面的投资，该设备结构紧凑，具有广泛使用性，该设备相对于普通的风冷式以及水冷式空调主机，热泵的性能循环系数显著提高。其制冷量30 kW，功率9 kW，冷冻水泵扬程为22 m，冷冻水流量为5.0 m3/h。机组表冷器配备主机选用蒸发式冷水机组。

表冷器选型。表冷器设计参数：

管排数：4；制冷量：25 kW；运行工况：回风工况；水量：4.2 m3/h；水阻：25 kPa；进出水温：7/12 ℃；进出水管径：DN40。

3 系统全年运行调节

3.1 夏 季

当室外空气状态点W落在第Ⅳ象限区域，也就是说在空气焓值室外超过室内，同时室外空气湿度大于室内空气湿度的情况下，单纯使用蒸发冷却空调不具备制冷功能，如果想获得较好的制冷性能，需要联合使用机械制冷主机以及间接蒸发冷却系统，在此条件下需要开启管式间接段、热管间接段以及机械表冷段。

3.2 过渡季节

当室外空气状态点W位于第Ⅱ象限区域，也就是说在空气焓值方面，室外大于冬季送风状态点，而且送风状态空气湿度大于室外空气湿度，这个时候一级间接加直接蒸发冷却处理系统就可以满足要求，这时需要开启直接蒸发冷却段以及热管间接段。当室外空气状态点W处于第Ⅲ象限区域时，也就是在空气焓值方面，室内小于室外，同时室内空气湿度大于室外空气湿度，使用直接蒸发冷却处理联合两级间接段就可以满足需要，开启的功能段有：直接蒸发冷却段、管式间接段以及热管间接段。

3.3 冬 季

当室外空气状态点W处于第Ⅰ、Ⅱ象限区域，也就是说在空气焓值方面，室外小于冬季送风状态点，送风状态湿度大于室外空气湿度时，使用直接蒸发冷却处理和热管间接预热之后通过再热段就可以满足实际需求。开启功能段包括直接蒸发冷却段、热管间接预热段以及再热段。

4 实验台复合空调机组的特点及应用领域

4.1 机组的特点

①在设计过程中可以对空调系统的排风进行冷热回收，采用预冷或者预热处理系统，减小了空气冷却器盘管尺寸，提高了复合空调机组的能效比。

②设计过程中采取优化措施，减小了冷却器盘管尺寸，在春秋季节可以利用冷却塔进行冷却，运营和维护成本低。

③在制冷过程中将水作为制冷剂，减少了氯氟烃的排放，保证了排放物的无污染，达到了减排的目的，同时针对不同的气候特点，具有相应的空气处理功能，便于推广使用。

4.2 机组的应用领域

该机组应用广泛，在我国高湿度地区、干燥地区、中湿度地区的建筑物均可使用，工业建筑如：食品、造纸、卷烟、光学仪器、橡胶、机械加工、印刷、纺织等；公共场所比如：车站、机场、医院、写字楼、商场、影剧院、体育馆、旅馆饭店、娱乐场；此外在农业温室、地下建筑、禽畜养殖场、粮食仓库等均颗使用。

5 结 语

当前条件下，随着科学技术的进一步发展，中湿度地区冷却空调技术的应用研究已经有了重大突破，我们坚信在不久的将来，中湿度地区气候条件下的蒸发冷却技术也会得到广泛应用。

参考文献：

[1] 黄翔，徐方成，武俊梅.蒸发冷却空调技术在节能减排中的重要作用[J].制冷与空调，2008，（4）.

[2] 黄翔，王玉刚，于向阳，等.管式间接蒸发冷却器工作原理与试验研究[J].棉纺织技术，2007，（4）.

工程机械冷却系统研究 篇4

关键词：筑路机械,冷却系统,液压驱动,设计分析

新时期工业生产技术的改革发展, 使得筑路机械设备的性能、结构、操作等方面得到了显著的改善, 促进了筑路作业效率的提升。但同时道路工程数量的增加对筑路机械的结构性能也造成了明显的损坏, 设备内部的结构或零件出现不同程度的磨损。冷却系统是筑路机械的辅助结构, 当设备处于高速运行状态下可起到控温作用, 综合设计冷却装置液压驱动系统是技术研发工作的重点。

一、筑路机械设备冷却系统的作用

工业是我国三大产业的中心支柱, 工业化生产技术的发展对其它产业经济有着巨大的推动作用。自工业化生产时代到来, 各种机械设备在建筑业、制造业、采矿业等多个领域里广泛运用。冷却系统是机械设备的组成结构之一, 系统的主要作用是控制机械运动所产生的热量, 以达到均衡设备温度的作用。通常冷却系统的作用是减少发动机因燃烧所产生的热量, 保证发动机处于标准的运转温度范围内。机械行业采用的发动机方式多种多样, 如:气冷式发动机及水冷式发动机, 气冷式发动机是靠发动机带动风扇及车辆行驶时的气流来冷却发动机;水冷式发动机则是靠冷却水在发动机中循环来冷却发动机。考虑到机械设备发动装置的稳定性, 设计筑路机械结构时应考虑机件的冷却降温问题, 尤其是控制发动机的温度处于标准状态。若发动机冷却不足, 会使气缸充气量不足和出现早然和爆燃等燃烧不正常的现象, 发动机功率将下降, 且发动机零件也会因润滑不良而加速磨损。由此可见, 根据机械设备的结构特点设计冷却系统, 能够维持发动机及其它机件的温度处于标准状态, 防止温度过高造成的不利影响。

二、机械冷却系统存在的不足

科学技术的发展促进了机械设备的普及运用, 不仅仅是工业产品的生产加工, 机械设备在建筑行业的运用也发挥了重要的施工性能。筑路机械使道路施工摆脱了传统人工操作的方式, 利用机械自动化完成道路的修建改造, 不仅加快了工程建设的进度, 也降低了人工操作的难度。由于城市长期规划发展, 道路工程数量增多使得筑路机械的性能面临多方破坏, 其冷却系统存在的问题如下:

1、负荷问题。

无论是哪一种类型的机械设备, 其均有特定的负荷范围及运行条件。从目前的施工情况看, 筑路机械设备的作业条件复杂, 如:高温、多粉尘等, 恶劣的操作环境导致发动机产生的热量大幅度上升, 而原先安装的冷却系统已难以适应散热、排热的要求。尤其是许多市政单位追求进度, 筑路机械24h持续作业, 超负荷运行影响了冷却系统功能的发挥。

2、阻力问题。

为了更好地完成筑路工程作业, 技术人员往往会对筑路机械进行结构改造, 以实现冷却系统性能的改善。因冷却风扇的传统驱动结构单一, 系统安装时未能配备相对应的辅助机件, 从而增大了冷却空气的流动阻力。阻力变化不定会造成冷却空气及冷却液的温度差异过大, 不利于冷却系统散热、排热作用的发挥, 并且增加了筑路机械的维护难度。

3、驱动问题。

驱动系统是冷却系统的子系统, 对冷却装置的温控作用有较大的影响。早期受到技术条件的限制, 机械驱动模式多出采用冷却风扇、水泵等基本构件, 让空气经过散热器把产生的热量逐渐消除。尽管这种驱动系统起到了相应的降温作用, 但是在筑路机械作业环境变化之后, 驱动系统的散热性能明显减弱, 无法适应设备在不同条件下的散热需要。

4、结构问题。

冷却系统结构安装不合理, 筑路机械操作时故障发生率上升, 这些都限制了冷却系统的功能。对于大型筑路机械而言, 冷却系统不仅运用于发动机冷却, 对于机械设备其它机件也能起到散热的效果。如:压路机、平地机、摊铺机等, 冷却系统对传动系统、液力举升等也有良好的散热性能。但由于驱动系统结构缺陷, 造成散热器所安装的位置与标准不符而限制散热作用。

三、发动机冷却系统的设计

发动机是筑路机械的动力装置, 负责传输动能给其它机械构件以维持正常的机械运动。冷却系统能够及时把运动产生的热量散开, 使发动机的运行环境处于恒温状态, 防止温度过高或过热对发动装置造成的不利影响。目前, 发动机冷却系统的设计经过多方改进, 技术人员对各种冷却装置的布局掌握了科学的方法。

1、系统构成

根据常规的筑路机械结构组成分析, 发动机冷却系统的组成构件包括:电磁比例溢流阀、液压泵、电控单元、油箱、冷油器及粗、液压马达、冷却液温度传感器、精过滤器等, 每一个部分在冷却系统运行中都发挥了重要的作用。如:温度传感器的作用是对发动机温度实时监测, 且把温度信号传递给电控单元;电控单元则是把温度信息反馈给电磁比例溢流阀, 通过溢流阀控制溢流量大小等, 每一个结构之间都互相搭配运行。随着机电一体化、机械自动化等技术的运用, 冷却系统内部结构之间的配合程度更深, 不同装置或元件的协调性更加明显。设计人员可采用单片机设计智能化的冷却系统, 如图2。

2、冷却装置

液压驱动是发动机主要的冷却装置, 控制冷却系统液压回路则多数选择无级调压回路, 液压泵的出口压力则是溢流阀所调整的压力。冷却装置中液压调控的方法依赖于电磁比例溢流阀, 可间接性地对发动机的温度适当调节。设计人员考虑冷却装置布局时应防止冷却风扇频繁动作带来的不便, 尤其是对液压驱动系统、冷却系统引起的冲击, 以维持系统处于安全、稳定的运行状态。如:设计方案里将冷却风扇控制在最低稳定转速下持续运转, 以此控制风扇运行消耗的功率大小。

四、液压油冷却系统的设计

液压油是筑路机械的液压介质, 对机械设备能够发挥能量传递、系统润滑、防腐、防锈、冷却等多方面作用。液压系统结构较为复杂, 如图3, 液压油冷却系统的设计应参考筑路机械的实际作业量, 合理设计与机械负荷相匹配的驱动装置, 把系统的组成构件有效整合起来, 在保证液压油作用的前提下增强系统的冷却效果。此次液压油冷却系统的驱动装置设计为电动机, 以符合机电一体化操作的控制要求。驱动装置的设计要重点考虑液压油的温度, 使其处于规定的温度值。温度过高, 液压油的使用时间越短, 降低了冷却系统的运行效率;温度过低, 液压油的粘度偏大, 不利于油泵的吸入。按照筑路机械实际作业情况, 把液压油的标准温度限定在30-70℃。按照这一标准可确定冷却风扇的温度范围, 通常最佳温度在60℃。

为了适应液压油冷却系统的使用要求, 设计人员可设置一套信号传输流程, 让温度信号能够及时传递给系统控制中心, 这有助于筑路机械各机件的协调运行。本次设计的方案:整体控制方法采用开关控制, 由液压油温度传感器将液压油温度信号传给电控单元ECU, ECU判断液压油温度是否达到风扇开始工作的上限温度60℃, 当液压油温度达到最高温度, 则电控单元ECU输出脉冲信号, 启动电动机驱动冷却风扇开始工作, 同时电控单元ECU对每次采样值进行判断, 若温度小于风扇停止工作的下限温度50℃, 风扇自动停止运行。

五、筑路机械电气系统的设计

机械自动化是设备操控的新趋势, 在机械设备内部建立自动控制系统辅助人员操作, 可降低筑路工程作业的难度。电气控制系统在机械设备中的运用越来越多见, 利用电气部分指导、控制设备操作可提高筑路机械的作业效率。因此, 机械冷却装置液压系统的设计要充分考虑电气控制系统, 借助于电气控制系统的相关功能辅助冷却系统的散热过程。电气控制系统具备的功能包括:

1、保护功能。

线路保护功能的实现需结合系统的"自检测"完成, 如:当电气设备线路的电压、电流超出标准荷载, 对设备的安全运行造成不利影响。此时, 利用电气控制系统的自检测, 可对线路的异常信号自行调控。

2、监测功能。

筑路机械设备利用电气控制系统能及时捕捉视听信号, 对设备的运作状态作出准确地判断, 及时监测各种异常问题的发生。利用监测功能可以降低液压驱动系统的故障发生率, 提醒操作人员采取措施紧急处理。

3、控制功能。

机械电气控制采用的高压开关、大电流开关等设备结构复杂, 若依赖于人工操作则会影响到电气设备作用的发挥。电气控制系统的自动化调度, 可自动控制分、合闸等操作, 当系统产生故障后也可及时切断电路。

六、冷却装置故障处理方案的设计

冷却装置液压驱动系统会受到外界环境、运行负荷、作业时间等方面的影响, 导致冷却装置的散热性能减弱。设计阶段是冷却系统规划布置的主要环节, 此环节必须要考虑后期液压驱动系统故障的处理问题, 设计有效的应急处理策略。结合实际工作经验, 笔者设计了一套冷却装置故障处理方案, 具体情况: (1) "看"。详细观察冷却系统故障的状态, 如:散热器、风扇、液压泵等。 (2) "找"。根据掌握的故障表现, 操作人员应尽快确定故障范围, 以准确定位系统故障的位置。 (3) "做"。查明故障原因、故障位置之后, 现场人员要采取简单的处理措施, 对控制系统自行调控处理。经过简单的故障处理流程, 操作人员可以减小故障造成的不利影响, 技术人员的检修争取更多的时间。

结论

总之, 冷却系统是筑路机械的重要构成之一, 对发动机起到了散热、降温的作用。随着筑路工程作业量的上升, 机械设备的运行负荷也会不断增大, 对原有的冷却装置液压驱动系统进行改装设计, 可以有效完善系统的冷却功能。另外, 设计方案还要对系统故障配备相应的处理方案, 避免给冷却系统的持续运行造成不利影响

参考文献

[1]钟少军.筑路机械冷却装置液压驱动系统的改进设计[J].东南大学学报, 2010, 17 (2) :10-13.

[2]傅永进.大型收获机电液混合驱动智能冷却系统[J].农业机械学报, 2010, 32 (11) :84-86.

[3]季晓娟.内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研究[J].机电工程技术, 2010, 26 (8) :18-21.

[4]邢思妍.汽车发动机自控电动冷却风扇的发展与研究[J].内燃机工程, 2010, 40 (15) :74-75.

[5]裘明宏.现代发动机冷却系统的发展趋势[J].山东科技大学学报, 2010, 15 (9) :54-56.

工程机械冷却系统研究 篇5

摘 要：冷却系统是汽车发动机构造中十分关键的部分，本文对汽车发动机冷却系统结构设计及工作稳定性进行深入的研究分析，具体介绍了汽车发动机冷却系统结构的特点及工作原理。

关键词：汽车发动机；冷却系统；设计；研究

1 概述

对发动机冷却系统来说，我们希望发动机暖机时间不要过长，因为发动机在暖机过程中喷油器喷油量会加大，所以会造成油耗加大，经济性能差，污染物排放超标，严重影响了周围环境质量。因为发动机冷却系统构造复杂， 而且汽车运行工况具有多变性的特点， 它对汽车发动机产生的影响因素也是多变且较为复杂的，但大致影响发动机冷却效果的主要因素有冷却水道结构、散热效率、循环冷却水量和冷却空气流量。

汽车发动机经历了上百年的发展，冷却系统从技术上已经大部分解决了上述存在的缺陷，显著提升了汽车发动机冷却系统的稳定性，明显降低了燃油的耗损及减轻了环境污染程度，发动机冷却系统热量控制主要是通过各个传感器将信号传给发动机电子控制单元，再由电子控制单元控制冷却风扇的转速，从而可以有效的控制散热效果。

2 汽车发动机冷却系统的特点

早期汽车发动机冷却系统的设计主要是考虑对发动机起到冷却效果，而没有关注排放问题。研发技术成熟的发动机冷却系统应充分考虑整个系统的性能优化，还要考虑模块化，设计时考虑可能存在的不利影响因素，并将这种对发动机的不良影响因素进行有效控制，使发动机冷却系统能达到正常工作需要，又能使发动机经济性和动力性提高，同时又降低了排放，现代汽车发动机冷却系统从最初的设计到构造，再到最后的装车应用过程中，都应该重视这些问题，目前市场上汽车发动机冷却系统设计显著的特点是运用了非常成熟的结构布局及加工工艺，任何一个特殊的因素都不能被忽视，只有在设计的时候进行结构优化设计，才能保证发动机在任何工况下都能保持高效率的运行状态，当然排放这个问题一定不能忽视，这样的设计理念才能走得更远。

3 温度设定点

汽车发动机冷却系统在运行的过程中，本身受到的影响是复杂多变的，那么怎样来保证在这种多变复杂的环境下使得发动机冷却系统的作用与性能得到发挥呢？这不是单纯的只改变其中某一个设计参数就可以排除的问题。如果既要保证发动机的基本工作，又要提高其动力性及经济性，就一定要考虑整个系统的优化，而且每款不同的发动机在结构上都有自己的特点，另外，汽车发动机冷却系统温度的最大值是由机体产生的温度变化所决定的，所以如何确定金属温度的设定点很关键，这样可以显著的避免发动机由于温度高而对发动机产生的不利影响，因为任何发动机冷却系统都有自身的构造与特点，散热率就是衡量发动机冷却温度高低的量度尺，那么，汽车发动机冷却系统运行状态不佳的话，很容易使汽车发动机冷却系统产生较高的油耗。

3.1 提高温度设定点。温度设定点的提高对发动机性能的发挥有很大的优势，随着温度设定点的提高，发动机机油温度与运行温度都应该有相应的提高， 这样可以有效的减少散热量和摩擦损失， 从而达到提高发动机的燃油经济性和降低发动机污染物的排放。此外， 提高冷却液温度能明显改善散热器散热量和提高发动机散热效果， 如果降低冷却液在发动机里面的流速， 就可以降低水泵的标定功率，降低发动机的负荷，从而提高了发动机的有效功率输出。那么提高发动机冷却液温度设定点有些什么手段呢？最有效最典型的手段就是高温冷却技术， 将冷却液温度控制在90℃～ 115℃范围内， 最高温度可达130℃， 例如，德国MT U890 系列坦克发动机就运用了高温冷却技术， 这种冷却系统最大的特点就是采用了全封闭式结构， 这种结构方式可以很大程度缩小冷却系统容积从而降低发动机的功率消耗。当然， 提高发动机工作温度对构成发动机的材料热受热载荷的能力提出了很高的要求， 对Nox的排放非常不利，因为Nox的生成需具备两个条件：高温、富氧。因为汽油机的压缩比比柴油机小，热负荷也相对较少，汽油发动机的机油温度相比较柴油机较低，其主要原因是柴油机的压缩比比汽油发动机大，其废气排放物主要为HC 和CO， 如果在部分负荷下将发动机冷却液温度升高，可以使发动机有效功率提高约10%。

3.2 降低温度设定点。降低温度设定点的最有效的途径是什么呢？最有效的途径是降低进气温度， 根据热胀冷缩的原理，可以适当增加进气密度，从而提高发动机过量空气系数， 可以使燃油的燃烧有足够的氧气，从而可以达到降低发动机燃油消耗，从而达到使得燃烧过程更加优化的效果。Finlay 等科学家的研究得出结论， 如果将某一个气缸温度降低50℃， 那么点火提前角可以增大3°CA，这样可以有效的防止爆震，假如充气效率提高2%，那么可以使得发动机动力性有着明显的提高， 这样可以使得结构参数更加优化，还可以适当的增大压缩比。总而言之， 不管是将发动机温度设定点提高还是降低都可以提高改善发动机的冷却性能， 但必须充分考虑发动机的实际情况，这样才能达到设计的目的。

4 结束语

通过以上分析可知，发动机冷却系统的温度设定对于发动机整体的经济性、排放性有着重要的影响，更是发动机冷却系统工作可靠性的保障。所以，发动机研发人员必须考虑汽车发动机冷却系统的整体设计，在考虑燃油经济性与排放性的前提下，对发动动机的设定温度进行科学的设计，最终达到预期的目的。

參考文献：

[1]王义春，杨英俊.混介动力车辆冷却系统优化设计[J].北京理工大学学报，2004（1）.

[2]高镜惠，花松.汽车发动机冷却系统的模糊控制[J].小型内燃机与摩托车，2004（1）.

[3]姜成春.汽车发动机冷却系统设计及稳定性分析与研究科技与企业[J].科技与企业，2014（22）.

发动机冷却系统研究综述 篇6

关键词：发动机,冷却系统,综述

0 引言

发动机冷却系统由冷却风扇、水泵、节温器、散热器和冷却水套等部件组成, 每个部件的结构尺寸、布置位置、组织形式、材料性质、工作方式的不同都会对冷却系统的性能产生影响。如今, 随着发动机强化程度的不断提高, 缸内零部件承受的热负荷不断增加, 这就需要增加冷却系统的冷却能力来带走过多的热量;此外, 发动机冷却系统的性能直接影响缸内工作过程和有害气体的排放, 日益严格的排放法规也对冷却系统提出了新的要求。因此, 开发高效可靠的冷却系统, 已经成为制约发动机进一步提高功率、改善经济性所面临的关键问题。目前, 国内外对发动机冷却系统的研究主要有试验研究与数值仿真研究两个方法, 数值仿真研究又包括一维仿真方法、CFD仿真方法、一维仿真与CFD仿真联合的方法。国内采用CFD仿真方法比较晚, 但最近几年针对冷却系统的CFD仿真分析已经渐渐普及开来。

发动机冷却系统的研究内容包括流体的流动与传热研究, 冷却系统各部件尺寸、结构布置等与发动机的匹配与优化研究, 电控冷却系统的研究等方面。

2 流体流动与传热研究现状

流体流动与传热涉及流场分布、温度分布、压力分布、冷却均匀性和壁面换热系数等, 流体的流动与传热方式直接影响冷却系统的效能。研究内容包括流体流动、流固耦合传热、一维与三维联合仿真流固耦合传热研究、一维与三维联合仿真是该领域研究的热点内容。

2.1 流体流动问题研究

目前对流体流动的研究手段主要为试验研究与数值模拟研究, 在试验研究方面文献[1]利用流动显形法得到水套内冷却水流动的二维流场, 从而改进了水套的设计。由于流体的流动状态直接影响到高温零部件的冷却, 而冷却水套内部结构复杂, 试验方法难以进行更详细的研究。因此, 流体流动的数值模拟方法逐渐受到人们的重视。文献[2]利用STAR CD对水泵内部的三维湍流流场进行了模拟分析, 研究了水泵内部流场中各个位置的压力分布、速度分布等, 为水泵的性能改进和结构设计提供了依据。

2.2 流固耦合传热研究

流固耦合按其性质分为顺序耦合与整体耦合。顺序耦合是一种单向传递方式, 将活塞组、气缸套、冷却介质作为一个耦合体, 采用顺序耦合的方法对整个系统进行数值模拟。文献[3,4]建立了活塞组-气缸套-冷却介质的耦合系统的传热模型, 并利用有限元分析软件把传热外边界处理成内边界, 得到耦合系统的温度场和流场云图, 能较好的模拟发动机的稳态传热。

显然, 顺序耦合只考虑到气缸套外壁的温度对缸内燃烧的影响, 或活塞组-润滑油膜-气缸套换热对气缸套外壁的影响, 对于缸内工作过程和冷却水之间的动态影响则无法模拟。发动机及其冷却系统整体耦合仿真方法把缸内流动、燃烧、对流传热与燃烧室部件整体、水套耦合起来作为一个整体进行模拟, 从全局反映发动机的工作状态, 从而实现发动机与冷却系统之间的实时反馈。文献[5,6]对流固耦合传热系统作为一个整体进行研究, 解决了单独研究固体部件和流体传热时边界条件无法确定的问题。得到了冷却系统温度场分布、流场分布、压力损失等信息。

2.3 一维与三维联合仿真研究

一维仿真软件 (FLOWMASTER、AMESIM、GT-COOL) 的特点是得不到具体的细节, 但对计算机硬件的要求不高, 计算速度快。而三维仿真软件 (如FLUENT、STAR-CD、FIRE等) 可以可虑更多的细节, 但往往需要庞大的计算资源和精确的边界条件, 这些都限制了三维仿真的应用。若能使两者有机结合, 则会大大提高仿真的效率。

文献[7]利用三维软件SC/Tetra、一维软件FLOW-MASTER以及接口软件CFDlink对四缸发动机的水套流场进行了联合模拟, CFDlink软件能够对一维与三位之间数据的传递进行自动处理, 大大提高了工作效率, 试验结果显示比单纯的三位模拟具有更高的精度。

3 冷却系统部件的匹配与优化研究

合理的冷却系统部件设计与匹配可以缩小自身体积、节省材料, 提高冷却系统的整机性能。研究内容包括冷却风扇的匹配与优化、冷却水套的匹配与优化、散热器的匹配与优化。

3.1 冷却风扇匹配研究

国内外对冷却风扇的匹配研究主要集中在通过仿真计算改变风扇的具体结构以提高风扇的性能, 在国内文献[8]与文献[9]分别对风扇的叶尖间隙与导风罩的材料进行了研究, 提高了风扇的气动性能, 减少了风扇的驱动功率。在国外文献[10]把轴流式风扇流动特性试验结果同运用FLUENT软件仿真的结果进行了对比, 发现仿真结果在误差允许的范围内, 并通过改善风扇结构防止气体回流提高了风扇的效率。

3.2 冷却水套优化设计与匹配研究

目前, 冷却水套的设计与匹配研究主要体现在消除流动死区, 均匀分配冷却水流量, 维持受热零部件的温度范围等方面。如文献[11,12,13]通过CFD软件对冷却水套进行了模拟计算, 对缸垫水孔位置和尺寸, 机油冷却器出口位置进行了优化与调整, 消除了流动死区, 结果表明, 改进后缸体水套冷却更加均匀, 流动性能比原机水套有了明显的改善。

3.3 散热器匹配分析与优化

散热器与冷却系统的匹配研究是冷却系统研究最重要的一环, 内容主要包括对散热器结构与材质的研究。

散热器结构与冷却系统的匹配主要通过建立散热器的仿真模型, 对散热器性能进行分析计算, 进而对散热器的结构进行优化, 文献[14,15]编制了计算程序, 分别进行了散热器在整个冷却系统中的匹配研究, 为散热器选型设计提供了参考依据。文献[16]提出了一种强化管带式散热器结构, 并利用FLUENT软件对其和DF7内燃机车柴油机冷却系统原散热器进行了三维数值分析, 通过对传热系数、散热面积等参数进行分析与对比, 发现新结构具有更小的体积与更好的散热能力。

散热器的材质选择对其性能也有较大的影响, 文献[17]比较了铜质散热器与铝质散热器结构与特点, 通过试验得出了铝质管带式散热器在叉车上使用时体积大幅缩小, 散热性能远远优于铜质管片式散热器。

4 电控冷却系统研究现状

传统的机械式冷却风扇、水泵等与曲轴相关联很容易出现冷却水温偏离正常工作范围的情况。因此, 将传统的机械式水泵、风扇与发动机解耦, 并采用电控式节温器, 实现对冷却介质的单独控制是非常必要的。研究内容包括单一部件电控研究、多部件联合电控研究与控制策略的开发研究。

4.1 单一部件的电控研究

单一部件的电子控制研究对象单一, 控制策略相对比较简单, 主要针对冷却风扇、水泵、节温器等部件进行电控改造, 实现冷却系统部件的工作状态随发动机热状态而动态改变的能力, 文献[18,19]分别对节温器与冷却风扇进行了电子控制, 提高了系统的冷却能力, 保证了部件的安全可靠运行。

4.2 多部件联合的电控研究

随着信号采集技术及微控制技术的快速发展冷却系统各个部件的联合控制研究越来越多, 如文献[20,21,22]对电控冷却系统进行了综合研究, 以单片机为智能控制核心元件, 根据发动机冷却水温、转速等参数实现电动水泵、风扇、节温器等的自动调节, 既可缩短预热时间, 又可避免发动机过热, 实现了冷却能力的自动控制, 使发动机始终在最佳温度范围内工作。

4.3 电控冷却系统控制策略的研究

冷却系统的控制策略主要根据冷却液的温度、发动机转速与扭矩等指标, CPU通过信号采集处理给出控制指令, 调节冷却系统各部件的工作状态。国内对发动机电控冷却系统控制策略的研究主要有开环控制策略、闭环控制策略, 模糊控制策略等。文献[23]针对某型柴油机, 通过对其散热需求分析, 提出了以发动机工况为主的开环预调控制策略和以发动机出口冷却水温度为控制目标的闭环反馈控制策略。该策略可保证发动机在不同的环境温度和工况下冷却强度适宜, 降低冷却系统的功耗。模糊控制策略利用模糊数学, 把人工控制策略用计算机来实现, 不依赖精确的数学模型, 对系统参数的变化不敏感, 解决了采用常规的PID控制, 系统模型难以建立的问题, 如文献[24,25]采用模糊控制策略, 使发动机的工作温度适中保持在最佳范围内。

传统的冷却系统通常采用机械驱动的冷却水泵、冷却风扇和节温器, 冷却介质的冷却强度取决于发动机转速, 通常不能满足发动机实际运行时的散热需求, 无法实现冷却液温度在各个工况内的合理控制。因此, 采用电子控制手段, 通过传感器和处理芯片根据实际温度调节冷却介质的流量, 合理统筹冷却系统的各个部件[26,27], 实现冷却系统部件的智能化控制是冷却系统发展的趋势之一。

5 结论

(1) 冷却系统是一个复杂的耦合体, 其流动、传热过程与发动机整体各物理场相互耦合在一起, 因此采用整体耦合方法对其进行模拟研究将是未来发展的必然趋势。

(2) 通过改进各部件的结构、材料、尺寸、工作方式等使其与冷却系统达到最优匹配, 提高了冷却系的效率。

低温送风系统中冷却盘管的研究 篇7

冷却盘管是成功的低温送风系统的关键所在,其进出盘管的空气和冷却介质(如冷水、乙二醇等,常用为水)状态、列数、流程和压降等均与常规送风系统有所不同,值得我们研究和讨论。

1 低温送风系统及其冷却盘管常用设计参数

表1为常规系统和低温送风系统中冷却盘管的常用设计参数。

由表1可知,和常规送风系统相比,低温送风系统中的冷却盘管采用了更低的迎面风速,目的是减少盘管带水的可能性;低温送风系统另外一个显著的特点就是空调区域较低的送风相对湿度和增加了新风比,例如,12.8 ℃送风时的55%～65%减少到7.2 ℃送风时的40%～45%,可以更好地抑制真菌和霉菌的生长,有利于提高空调区域空气的品质。

2 低温送风系统中冷却盘管的特点

2.1 冷却盘管的列数

常规送风系统中,为了控制冷却盘管空气侧、水侧的压降,同时考虑到降低凝结水吹出冷却盘管、进入气流的可能性,冷却盘管的列数一般为4列～6列(一般不多于8列),翅片数在7片/in～12片/in。而在同等冷量负荷下,通过低温送风系统中冷却盘管的单位风量应能处理更多的热量,因此其冷却盘管的列数常在6列～12列(有的甚至多达14列),翅片数也一般为12片/in。

因此,在低温送风系统中的冷却盘管的空气侧、水侧的压降较大。为了使空气侧、水侧压降减少,从而使系统总装机功率减少,在制造、工程实际中常采取以下方法:1)在冷却盘管的铜管中,使用内螺纹的铜管,以便增加对进出冷却盘管的介质进行扰动,强化了冷却介质的传热,从而使冷却盘管能够在较少的列数和较少的翅片数情况下达到所需要的冷量负荷。2)在光壁铜管中设置扰流器,同样可以使进出冷却盘管的介质紊流程度加剧,从而强化了冷却介质的传热。3)选用承压能力达到要求的较小管径的铜管,也有利于减少冷却盘管的列数和翅片数,但是这种方法会使得水侧的压降增大,因而必须在权衡系统总装机功率后决定是否选用。

同样,在低温送风系统中,为了便于清洗,冷却盘管常常采用多个或分开的盘管——两个盘管分开,中间留有便于清洗与安装的通道,允许单个拆除。

2.2 冷却盘管的流程

冷却盘管的流程一般分为半流程(HF)、单流程(SF)、双流程(DF)甚至三流程(TF),其决定着盘管的性能。

在常规送风系统中,常选用单流程、双流程。如果系统对设备有水压降要求,也可以选择三流程这种形式,但是其缺点是冷却介质流速较低,从而导致传热系数较低,要求的冷却盘管列数相对较多,增加了空气侧的压降。而在低温送风系统中,常见的冷却盘管的回路形式是半回路。在半回路中,由于冷却介质流过盘管的路径较长、流速较高,因此其传热性能较好,从而可以减少冷却盘管的列数(见图1)。

2.3 冷却盘管的压降

美国Allan和James在《低温送风系统设计指南》中给出了部分常规送风系统和低温送风系统中冷却盘管的一般压降参考范围,见表2。

因此,在低温送风系统中,我们仍需要通过风机与水泵的运行费用和设备的一次费用的经济比较来决定冷却盘管最终的形式,最终确定其压降。

3工程实例

下面以河南省信阳市某改造工程空调设备为例,来说明低温送风系统中冷却盘管的确定,见表3。

从表3中我们可以看出,和常规送风系统相比较,在此改造工程中,采用低温送风系统后,总风量减少了近一半,冷却盘管的总列数有所增加。从风侧来看,由于保持整个系统盘管换热面积不变,冷却盘管平均面风速降低,使得冷却盘管的风侧压降也降低,这种降低程度大于由于盘管列数的增加导致的盘管风侧压降的增加,使得系统总的风侧压降降低,从而使系统送风总装机功率降低。从水侧来看,由于冷却盘管采用了合适的流程,系统总的水压降有所降低,且这种降低程度大于冷却盘管列数增加导致的水侧压降的增加,这将节约水泵的扬程及其装机功率。

仅从单台设备来看,同样是低温送风设计,但是较高的盘管风速或者较低的送风温度都将造成列数的增加以及风侧、水侧压降的增加。因此,在低温送风系统中,确定合适的出风温度,也是确定冷却盘管的重要因素。

摘要：介绍了低温送风系统中冷却盘管的特点,结合工程实例,对低温送风系统中冷却盘管列数、流程、压降进行了研究,以促进低温送风系统中冷却盘管的研究,从而大大推动空调节能的发展。

关键词：低温送风,冷却盘管,列数,流程,压降

参考文献

[1]刘静,俞炳丰,高振生.低温送风系统的研究进展[J].建筑科学与工程学报,2005,22(3):70-74.

工程机械冷却系统研究 篇8

1 小型水冷电机概述

1.1 小型水冷电机原理

通过在机壳外的入水和出水设计, 使得循环水能够通过不断的流动达到对电机的冷却功能。该型电机分为异步和同步设计, 采用在定子外壳设计的冷水层来实现水冷, 进水口和出水口设计在电机后端, 流经整个电机机身后经另一个出水口出水。

1.2 水冷电机的优点

(1) 紧凑结构设计:水冷型设计使得电机散热得到大幅的改善, 英雌小型水冷电机能够工作在全功率状态下。在相同的功率输出情况下, 水冷型电机较之风冷型电机能够具有更小的体积设计。

(2) 高动态响应:紧凑的设计使得电机有十分小的惯量以及在全速速度范围内的恒定高扭矩稳定性, 因此小型水冷电机与同等功率设计的电机相比, 它的动态响应能力更高。

2 水冷系统设计

2.1 水冷泵的选配

水泵输送介质为清水或物理化学性质类似于清水的其他液体, 介质温度<+80℃, 选定清水泵。水泵工作条件为流量: (1~400) L/s, 扬程: (5~80) m, 环境温度<+40℃。

2.2 水路结构设计

当前水冷电机的结构主要分为机壳水冷、机壳加端盖水冷、机壳加端盖加转轴水冷三种。盖加机壳水冷、端盖加机壳加转轴水冷在冷却效果上略优于机壳水冷, 但这两种结构在制造上相对比较困难。机壳水冷折弯式水路具有生产工艺简单、制造成本低的优点。

端盖通水的冷却结构效果比较明显, 适用于采用轴向通风、滚动轴承的电机中, 它能改善电机端部和外壳的散热效果, 同时对于滚动轴承的使用寿命和运行可靠性来说都是十分有益的;转轴通水结构需要在转轴上制出水道, 并且还要解决水道转动密闭的问题, 其技术含量较高, 对于一般的电机制造厂来说不太容易实现, 所以当前在水冷电机设计中很少采用转轴通水的方案。考虑到电机无轴向通风及加工工艺性, 本文电机水路结构采用机壳水冷方式。

2.3 冷却水路分布方向

冷却水在电机机壳内的流向有两种, 一种是沿着电机机壳的周向流动, 与其相应的水路结构是周向水路;另一种是沿电机轴向流动, 与其相应的水路结构是轴向水路。

(1) 周向水路:周向水路是指隔板沿着电机机壳的圆周方向呈螺旋状分布形成水路, 冷却水沿着机壳的圆周方向呈螺旋前进的方向流动。其优点是水路平滑, 水流阻力损失小;与机壳接触面积大, 冷却散热效果好。其缺点是出水口与入水口很难设计到电机的一端, 水流从电机一段流向另一端温度升高, 会产生温度梯度。

(2) 轴向水路:轴向水路是指隔板沿着电机的轴向方向平行分布形成水路, 冷却水流入水路后沿电机的轴向流动。轴向水路的优点是很容易的将出、入水口设计在电机的同一段;肋片面积大, 散热效果好;结构简单, 制造工艺简单;散入均匀, 在电机两端不会出现温度梯度。其缺点是在电机中有许多转弯和倒角, 水流阻力损失较大, 入口的水压要很大。

3 水冷系统管路相关计算与校核

电机的冷却系统的热力计算校核主要是对比电机冷却系统在温升允许的范围内冷却水带走的热量与电机发热损耗所产生的热量。如果冷却水带走的热量大于电机发热损耗产生的热量, 则冷却系统设计在热力方面合理;如果冷却水带走的热量小于电机发热损耗产生的热量, 则冷却系统设计不合理。

3.1 水冷电机发热热量P w的计算

电机在运行时产生的损耗 (包括铁损耗、铜损耗、机械损耗和杂散损耗) 全部转变为热能而使电机发热。由于水冷电机中没有了散热风扇, 水冷电机放热量可按能量守衡关系式 (1) 计算。

式中:PN为电机额定功率;η为为电机效率;Pfm为通风损耗。

电Pf机m发热损耗产生的热量以热传导的形式传给电机机壳。电机机壳中的热量分两部分传出, 一种是以辐射的形式在机壳表面散发掉, 这部分热量很少, 不在本文的考虑范围内;另一种就是通过嵌入在电机机壳内的水路壁与水路中的冷却水以对流换热的形式将热量传入冷却水, 由冷却水将热量带走。

3.2 冷却水总流量的计算

冷却水在冷却系统管道中的总流量可按照式 (2) 进行计算:

式中:ρ为冷却水的比重;cm为水的比热;Δθ为冷却水通过电机后的允许温升, 我国在设计中推荐 (30~35) ℃。本文参考全水冷汽轮发电机冷却水温升实验的数据结果, 取为10℃。

3.3 管道内流动的能量损失计算

管路系统中总的能量损耗, 通常又称为阻力损失, 是管路系统中的全部直管阻力和局部阻力之和。

电机水路系统的总阻力等于通过所有直管的阻力和所有折弯部分的局部阻力之和, 一般有两种计算方法。

(1) 当量长度法。当量长度法计算局部阻力时, 其总阻力∑hf, 如下式:

式中:∑le为水路全部折弯部分与出入水口的当量长度之和。

(2) 阻力系数法。阻力系数法计算局部阻力时, 其总阻力计算如下式:

式中:∑ξ为水路全部折弯部分与出入水口的局部阻力系数之和。

流体的摩擦系数λ与流体的流动类型有关, 是雷诺数Re的函数, 的粗糙程度等有关。

4 结语

设计计算建立在国内较新的水泵种类设计基础上, 考虑了当前市场的需求和水泵行业科技的发展程度与支持程度。可为小型水冷发电机的具体设计提供一定的依据。

参考文献

[1]丁舜年.大型电机的发热与冷却[M].北京:科学出版社, 1992.

[2]方大千, 等.水泵, 风机和起重机速查手册[M].北京:中国水利出版社, 2004.

工程机械冷却系统研究 篇9

现代的大型船舶一般均采用中央冷却系统。这种冷却系统利用舷外的海水通过中央冷却器对淡水进行冷却,被冷却的淡水再去冷却其他换热设备。 在这种冷却系统中,海水不再接触各种换热器和主机设备,很好地解决了设备和管路的腐蚀问题,降低了维护费用,提高了系统的可靠性及使用寿命[1,2]。

为了保证船舶安全航行的需要,中央冷却系统海水泵的设计排量是按照船舶的设计工况选取的, 该工况海水温度保持32℃,主机运行在最大设计功率点[3]。但实际上,船舶大部分时间是在低于32℃ 的海域上航行,而船舶正常航行的主机功率低于最大设计功率,如果中央冷却系统仍采用传统的定速泵,由于其转速和流量无法随系统工况的变化而变化,必然会导致能源的浪费[4]。特别在船舶能效设计标准正式实施的背景下[5],中央冷却系统采用变频技术,使船舶在不同的运行工况下,自动调节海水泵的运行参数,有利于实现船舶的节能减排,降低船舶的运营成本。

1系统数学模型

中央冷却系统由淡水系统和海水系统两部分组成,其结构简图如图1所示。淡水系统对动力装置各设备进行冷却,使其温度保持在有效工作范围内[6],而海水系统则利用低温海水对淡水进行冷却,使被冷却的淡水在淡水回路中循环利用。

中央冷却系统的主要换热元件为中央冷却器, 该冷却器的作用是将冷却系统的全部热负荷传递给海水,使整个系统达到热平衡。中央冷却器为板式冷却器,采用逆流换热方式,海水和淡水以相反的流动方向从热交换板两侧的空间流过实现热量的交换。

根据板式冷却器的换热原理[7],分别对淡水侧和海水侧的换热过程进行数学建模。淡水侧的动态方程为

式中tfi———淡水的进口温度/℃;

tfo———淡水的出口温度/℃;

mf———淡水侧流量/kg·s- 1;

cf———淡水的定压比热容/k J·kg- 1·℃- 1;

A———中央冷却器的换热面积 / m2。

ΔT为中央冷却器的平均温差,根据实际的换热原理,计算采用对数平均温差。其表达式为

式中tsi———海水的进口温度/℃;

tso———海水的出口温度/℃。

中央冷却器的总传热系数K,可根据板式冷却器的传热过程[8],由下式计算得到

式中 αf———淡水侧的换热系数/k W·m- 2·℃- 1;

αs———海水侧的换热系数/k W·m- 2·℃- 1;

δ———板片的厚度 / m;

λ———板片的导热系数 / k W·m- 1·℃- 1;

γf———淡水侧的污垢热阻/m2·℃·k W- 1;

γs———海水侧的污垢热阻/m2·℃·k W- 1。

W1为冷却淡水侧的热容量,计算表达式为

式中Mf———冷却淡水侧的质量/kg;

Mc———冷却器换热板片的质量/kg;

Cc———换热板片合 金的比热 容/k J·kg- 1·℃- 1。

同理,海水侧的换热方程为

式中W2———冷却海水侧的总热容量/k J·℃- 1;

ms———海水侧流量/kg·s- 1;

Cs———海水的定压比热容/k J·kg- 1·℃- 1。

2系统变频控制方案

传统的中央冷却系统在选型设计时一般采用定速泵,虽然定速泵的控制和维护比较简单,但由于定速泵不 能实现无 级变速,其在运行 时能耗较 大[9,10]。随着航运界对船舶节能减排标准的不断提高和变频技术的日益成熟,变频泵在中央冷却系统中得到了推广和应用。为了实现系统在不同工况下的控制要求,需要制定相应的变频控制方案,使控制系统合理地调整海水泵的运行参数,并实现节能目标。

船舶工况的变化主要包括两种情况,分别为主机负荷的变化和海水温度的变化。当主机运行功率降低时,冷却系统的热负荷降低,所需的冷却水量减少,变频泵的能耗降低; 当海水温度降低时,海水的冷却能力增强,也可减少所需的冷却水流量,降低变频泵的能耗。

为了保证各换热设备正常、可靠运行,需保证冷却水的进出口温度在一定范围之内,对于不同类型的船舶,温度要求略有不同。一般情况下,控制系统的受控参数为淡水三通阀出口温度和海水出口温度。控制三通阀出口温度,即保证了冷却淡水进入各换热器的温度恒定,确保各设备的正常运转。而监控海水的出口温度,原因在于如果海水温度过高, 会导致海水流经的设备和管路出现大量结垢,从而降低冷却器的传热效率,影响设备的使用寿命。根据以上的控制目标,制定船舶在不同工况下的变频控制方案,如图2所示。

在图2中,三通阀出口温度T1作为控制系统的主要受控参数,为了保证各设备正常运行,其温度保持在设定温度36℃。将船舶的工况参数输入到中央冷却系统的模型中,监测此时系统相应节点的运行参数。当T1超过设定的36℃时,表明系统冷却不充分,此时提高变频泵的频率,增加冷却水量; 当T1小于36℃时,表明系统冷却过量,需要降低变频泵的频率,减少冷却水量。而变频泵的运行频率还要受到系统边界条件的制约。

海水出口温度T2以及变频泵安全运行频率作为保证系统稳定运行的边界条件。为了防止海水温度过高而发生大量盐析,当海水出口温度达到或超过安全界限值48℃ 时,海水泵不能再进一步降速, 此时需要调节系统辅助控制量———三通阀开度来控制淡水的出口温度,通过减小三通阀开度,减少淡水进入中央冷却器与海水热交换的流量,可降低海水出口温度,此时为了使T1回到设定温度,需适当提高变频泵频率。与此同时,为了保证变频泵安全高效运行,达到足够的出口压力,其运行的频率值需高于最低安全频率f0。当变频泵频率降到f0时,不能再进一步降速,如果此时T1仍小于36℃,同样可以通过调节三通阀开度来控制淡水出口温度。

控制系统实时监测各个节点的受控参数,自动调节变频泵频率以及三通阀开度,通过循环判别,以满足相应的边界条件和控制目标,最终保证系统进入安全、平稳运行模式,并获得此时系统的运行参数。

3系统仿真分析

结合前文所述的中央冷却系统的数学模型以及变频控制方案,对以某57 000 t散货船中央冷却系统为原型的科研样机进行计算机仿真建模。

模拟试验采用的科研样机为某57 000 t散货船中央冷却系统按照40∶ 1缩比后的物理试验系统。 该系统在设计工况时,海水入口温度为32℃,中央冷却器理 论换热量 为180 k W,冷却海水 流量16 m3/ h,冷却淡水流量12. 5 m3/ h。将各设备和元件的初始参数输入到模型中,建立该系统的动态仿真模型,如图3所示。

为了验证该仿真模型的准确性,对该样机系统进行测试试验,试验周期以海水温度进行划分,以试验当季海水最低温度为起点,梯度递增至设计工况的32℃,以模拟船舶航行在不同海域的情况。实际试验时,选取9℃、17℃、25℃ 和32℃ 四个海水温度试验点。

样机试验的每一个海水温度测试点又分别选取船舶航行和进出港两类典型工况进行系统测试试验,记录各工况的主要运行参数数据,并与对应的计算机仿真结果进行比较。其中,冷却海水流量和变频泵功率对比趋势图如图4和图5所示。

由图4和图5的对比趋势图可以看出,试验的数据结果基本位于仿真曲线附近,试验值和仿真值的吻合度较高。考虑到运行试验时,仪表的数据很难稳定,存在一定的波动,因此从总体上来看差异在工程允许范围内。通过以上趋势图可以看出,当主机负荷下降或海水温度降低时,系统所需的冷却海水流量减小,变频泵功率也大幅降低,而当工况点进一步下降时,由于受到控制系统边界条件的制约,海水流量和变频泵功率不再降低,基本保持在各自的极限位置。研究结果表明,该仿真模型可以实现中央冷却系统的变频自动控制,通过试验值和仿真值的结果比较,验证了仿真模型的合理性和正确性。

通过变频泵功率的对比趋势图可以看出,当系统热负荷下降或海水温度降低时,变频泵消耗的功率沿相应曲线下降,可实现无极、连续变化,节能效果比较明显。现模拟船舶在23℃ 海域稳定航行这一工况,为满足该系统的冷却要求,根据仿真计算可得此时所需冷却海水流量为6. 7 m3/ h,此时变频泵运行频率 为14. 6 Hz,变频泵电 机的能耗 为0. 39 k W。若该系统海水泵组以传统的配置方式采用三台定速泵,按3 × 50% 方式配置,每台海水泵的排量为8 m3/ h,则该工况 下定速泵 的能耗约 为1. 2 k W,则与原定速泵的方案相比,采用变频泵节能67. 5% 。该试验的样机系统是实船中央冷却系统的缩比模型,两系统结构和工作原理基本相同,其节能效果可以推广到实船上的系统,因此中央冷却系统采用变频技术,可以有效的降低船舶能耗。

4结论

工程机械冷却系统研究 篇10

冷却系统是车用发动机的重要组成部分,它可以保证发动机和传动装置在各种不同环境温度和运转工况下具有最佳的热状态,使发动机有良好的动力性和经济性。由于车用发动机使用工况非常复杂,必须对冷却系统进行合理控制,以使冷却系统带走的热量始终处于最佳范围,保证发动机既不会由于过热而工作不可靠,也可避免冷却过度使散热损失增加。

冷却系统控制的具体内容就是控制冷却强度,即冷却系统散发到大气的热量。控制目标及结果以发动机进出水温度衡量,控制手段主要有调节冷却液流经水散热器的流量及冷却风扇向水散热器提供的冷却空气流量。传统的方法是在发动机出水口处设置一石蜡式节温器,通过控制流过水散热器的冷却液流量来调节散热量。随着发动机向电控方向发展,基于多信号(负荷、转速、环境、进水温度、出水温度)的电子式节温器由于控制精度高,响应快,正逐步替代传统节温器。在水散热器结构确定的情况下,冷却空气的流量对换热系数影响最大。通过调节冷却风扇转速,可以对冷却风量进行有效控制。目前,随着发动机应用场合和功率范围的不同,调节风扇转速的方式呈多元化,包括机械传动、液力耦合器、液压马达、硅油离合器、电磁离合式和电机驱动等形式。其中,根据发动机出水温度,使用电机驱动和间歇工作模式控制风扇广泛应用于轿车发动机上。

传统发动机冷却系统对冷却强度的控制较为简单,不需要复杂的控制策略。而智能化发动机冷却系统的控制涉及的发动机参数多,要求控制精度高,响应快,对应的控制策略也较为复杂。在发动机冷却系统设计阶段,对控制策略进行仿真研究可以缩短研发周期,优化控制策略。

1 车用发动机冷却系统的匹配与控制

冷却系统的控制是在发动机与冷却系统匹配设计之后,根据实际运行工况对冷却系统的工作状况进行调整的过程。因此,冷却系统与发动机之间合理的匹配是冷却控制优化的基础。

通常情况下,发动机需要经冷却系统带走最大热量是匹配的约束条件,提高系统散热能力、减少消耗功率是匹配原则。对于车用发动机一般还对最大扭矩工况进行冷却效能校核。实际冷却系统的匹配要受到很多因素制约,如动力舱给定的空间、水散热器可能得到的迎风面及其散热片结构、风道形状等。冷却系统匹配最重要的是水散热器与风扇的匹配,两者组合方案可有多种,但效果可能千差万别。采用高效的散热器芯部结构形式,根据限定的空间和迎风面积,确定散热器的总体结构。然后根据风道结构和动力舱流动分析对风扇提出要求,同时考虑对冷却风扇转速的有效控制,从而得出水散热器与风扇的最佳组合。水泵的压头要确保冷却液能够克服沿程阻力和局部阻力,使足够流量的冷却液在冷却系统内部循环。总之,冷却系统与发动机的匹配必须保证发动机在最恶劣的工作环境与工况下能够可靠工作,受热零部件的温度及其温度场分布在允许的范围内,在允许的热负荷以下工作。

冷却系统与发动机的合理匹配主要反映了冷却系统的散热能力与功耗,要解决的主要问题是最严酷工况下能够可靠散热。对于车用发动机,这种工况占实际使用工况的比例很小,因此,需要对冷却系统运行状况实施调控,以保证常用工况发动机散热损失最小及冷却系统功耗最小。

先进的冷却系统设计应采用系统化、模块化设计方法,统筹考虑各影响因素及其各子系统和部件间的耦合关系,既保证发动机正常工作,又提高发动机效率和减少排放。目前,已出现具有以上特点的现代发动机冷却系统,如精确冷却系统、分流式冷却系统、可控式发动机冷却系统等。精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸,选择匹配的冷却水泵,保证系统的散热能力能够满足最恶劣工况下关键区域工作温度的需求。分流式冷却系统中,气缸盖和气缸体由各自的液流回路冷却,保证发动机各部分均在最佳温度工作。可控式发动机冷却系统则弥补了传统冷却系统的不足,根据发动机的热状态迅速实时对冷却强度进行控制。分流式冷却、精密精确式冷却和可控式冷却系统相结合,是未来先进冷却系统设计的主要发展方向。

随着军用履带车辆动力装置向高功率密度发展,冷却系统的智能化控制技术研究已成为迫切需求。除了广泛采用CFD进行仿真计算,使设计向精确化方向发展,控制内容的扩展对传统的冷却系统设计方法也提出了挑战。例如,传统认为最大扭矩工况下由于循环供油量最大而风扇与水泵转速随发动机转速下降而降低,导致冷却强度不足,需要对此工况进行校核计算。因此,将风扇和水泵改由电机或液压马达驱动,两者的转速与发动机转速没有直接的关系,可以根据散热需求设定,而最大扭矩工况散热需求远小于最大功率工况,因此冷却系统的设计匹配只要满足标定工况即最大功率工况需求即可。

对于军用履带车辆,由于冷却系统的布置远比一般民用车辆复杂,冷却系统的流通阻力较大,水散热器后置且基本没有迎风,所需风扇耗功很大(德国豹Ⅱ坦克冷却风扇耗功高达162 k W,约占发动机标定功率的15%),因而对冷却系统进行控制,减小部分负荷下冷却系统的功耗意义更大。

由于控制参数的增加和控制精度要求的提高,现代车用发动机冷却系统的控制比传统的节温器控制和简单的电动风扇通断控制要复杂得多。作为发动机现代设计技术的一个重要组成部分,冷却系统控制的仿真研究,特别是控制策略的仿真研究已经成为热点。

2 冷却系统控制仿真研究的发展与现状

冷却系统控制仿真研究在发动机与车辆设计阶段可以起到缩短研发周期、降低研发费用的目的。建立合理的模型进行冷却系统工作的仿真,预测不同工况下散热能力与功耗,使冷却系统设计达到最优化,为控制策略的确定提供一个高效、科学的方法。

2.1 冷却系统控制建模及仿真

冷却系统的发展正由传统机械式系统向机-电-液一体化的智能化系统发展。先进的电控冷却系统技术,可使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围,从而提高发动机燃油经济性、动力性、乘坐舒适性和排放等指标。目前世界各大汽车公司均致力于机械式冷却系统向电控式冷却系统过渡,如法国政府资助VALEO等公司联合研究的智能冷却系统,其研究目标为成本降低l5%,质量减轻30%,油耗降低5%[3]。

发动机冷却系统的传热过程具有典型的非线性特点,根据传热学理论建立传热模型,对冷却系统的结构、流动、传热等进行仿真计算,在冷却系统的硬件设计中有着举足轻重的影响。理论上说,冷却系统的控制需要知道发动机详细的热状况,例如零件的温度场、冷却液的流动与传热情况等,但依据复杂的传热模型进行计算需要较长时间,无法满足发动机冷却强度实时调控的要求,因此用于冷却系统控制的数学模型应简单,能反映工况参数与传热状况的基本关系即可。

2.2 冷却系统智能控制策略

目前车用发动机冷却系统的控制策略比较简单,控制精度较低,响应速度较慢。例如节温器控制冷却水的大小循环,控制规律决定于节温器内石蜡体积随温度的变化,不能与冷却系统的需求准确匹配,控制精度较低,响应速度较慢,无法保证发动机始终处于理想的热状况。随着计算机技术及发动机电控技术的发展,冷却系统的控制内容有所扩展,控制精度也逐步提高。在利用节温器控制冷却液循环路线的基础上,基于单片机技术对冷却系统耗功最大的风扇实施控制,对于减小冷却系统在多数运行工况下的功耗很有意义,在轿车上已得到广泛的应用。

利用电控阀门取代石蜡式节温器,采用电控水泵,使水泵转速与发动机解耦并能连续调节,风扇转速也采用连续调节技术,冷却系统效能不受发动机转速限制。通过发动机电控单元对发动机温度进行实时监测,对冷却水流量及在不同回路中的流量分配进行精确控制,对风扇转速实施精确控制,满足不同工况下发动机的冷却要求,使发动机冷启动时间缩短,不同工况下发动机工作温度波动小,工作效率高[5]。

车用发动机工况变化非常复杂,对冷却系统的实时控制难度较大。例如,发动机扭矩和转速可以很快变化,但温度变化则表现出迟滞性。因此,随工况变化调节发动机的冷却强度应分两步走。首先根据电控单元检测到的工况变化信号,通过预置MAP图插值计算或根据数学模型计算,确定节温器开度、水泵转速、风扇转速等参数,一般可以进行超越调整,以缩短调节时间。然后根据监测的发动机出水温度等信号实施闭环反馈控制,保证调节过程响应快、精度高。

2.3 冷却系统模型

如前所述,发动机及其散热器等的实际传热过程非常复杂,为满足冷却系统控制过程仿真的需求,模型应简单,一般可采用集总参数法处理,不考虑每个部件内部的细节,认为各参数分布是均匀的。

2.3.1 发动机模型[1]

研究表明,发动机气缸内燃烧产生的总能量可以看作燃油流量的函数,主要转化为输出的机械能、排气系统散失的热量和冷却系统散失的热量三种形式。假设由冷却系统散失热量的相关系数η为燃油流量的线性函数,由下式计算冷却系统的热负荷:

式中,Qrej为冷却系统热负荷,Mfuel为燃油流量,QLHV为燃油低热值,a和b为拟合系数。发动机传递给冷却液的热量Qc与水套、气缸盖等处平均对流换热系数、冷却水流量及冷却水进出温差有关:

式中,Teng为发动机本体温度,Teng_in和Teng_out为冷却液进出发动机的温度,(h A)eng为发动机-冷却液传热面积与对流换热系数乘积。当Qc与Qrej相等时,发动机的传热处于某一稳定状况。两者不同时,发动机的传热处于从一个稳定状态向另一个稳定状态过渡的情况,进出水温等参数随时间而变化。发动机本体温度随时间变化为:

式中,(MC)eng为发动机本体的热容量。

2.3.2 散热器模型[2]

冷却液传递给散热器的热量可由下式计算:

式中,Tci和Tco为冷却液进出散热器的温度,Trad为散热器水侧壁面温度,(h A)w为散热器水侧的散热面积与对流换热系数乘积。

散热器传给冷却空气的热量为:

式中,Ta i和Ta o为空气进出口温度,(h A)a为散热器外侧的散热面积与对流换热系数乘积。各对流换热系数与散热器类型、结构以及冷却介质的循环流量有关,取决于水泵转速、风扇转速及行驶速度等因素。

2.3.3 水泵、冷却风扇与节温器

一般发动机的水泵由发动机曲轴按确定的传动比驱动,其压头、流量和转矩(耗功)等均随发动机转速变化,与发动机热状况没有直接的关系。对于智能化冷却系统,发动机冷却水泵转速可独立控制,因此对智能冷却系统控制进行仿真时,应建立水泵的模型,根据控制策略确定水泵在不同工况下的最佳转速,在保证冷却可靠的前提下减小水泵耗功。

冷却风扇转速根据发动机出水温度进行控制,当水温达到风扇开启温度时,风扇开始运转,随着温度升高,力矩变大,从而风速增加。对于智能化冷却系统,建立冷却风扇模型时,风扇转速应考虑可以连续变化,因为风扇耗功是冷却系统耗功的主体部分。事实上,降低小负荷时风扇耗功是研发智能化冷却系统的一个重要目的。

节温器主要在发动机启动后自行加温时发挥作用,如对发动机启动过程的传热进行仿真研究,还应建立节温器模型,主要考虑节温器随水温变化改变大小循环流量的比例。

通过前面建立的数学模型,对某发动机冷却系统试验和仿真计算进行了简单分析[4]。结果表明,先进的智能化电控冷却系统技术,可使发动机在不同工况下均能工作在最佳温度范围,大幅度提高冷却系统效能,减小水泵功耗,从而提高发动机整机的燃油经济性和动力性。发动机在某工况下稳定工作后,采用传统的方式水泵耗功约为1.5~2 k W,而智能化冷却系统的水泵耗功则仅为0.56 k W。如果是实车带风扇运行,智能化冷却系统总的功耗比传统的更低。

系统仿真分析表明,冷却系统效率很大程度上依赖于系统优化控制策略,控制对象包括水泵转速、电控节温器阀门开度以及冷却风扇转速等。根据汽车发动机实际工作和试验情况,可依据以下原则制定智能化电控冷却系统控制策略:

a.发动机冷启动时不需向外散热,水泵提供最小循环流量使水套内部温度保持均匀。

b.发动机稳态工作时,保证发动机散热的基本需要,使水泵处于最低转速以降低功耗。

c.系统通过调节电控节温器开度来控制发动机入水温度,同时调节水泵转速控制发动机出水温度,使发动机零件温度始终处于最佳值。

d.当发动机水温低于某下限温度时,风扇停止转动;当发动机水温处于某一目标值范围时,风扇以一定的中速旋转或采用无级变速如电动或液压马达驱动,转速随需要连续可调;当发动机水温高于某目标值时,风扇以最大转速长时间旋转。

3 展望

目前,智能化冷却系统正逐步应用于现代汽车,例如德国大众汽车公司生产的奥迪A4轿车采用的智能化冷却系统,在中低速行驶时可以适当地提高水温,降低油耗;而在高速行驶时则降低水温,增加发动机的功率,减少爆震。对于未来应用于坦克装甲车辆的高功率密度柴油机(有代表性的德国890系列柴油机),冷却系统智能化控制是柴油机整体研发的一个重要内容。智能化冷却系统研发的关键技术是冷却系统与发动机运行的匹配技术以及系统优化控制策略的选择问题。选择哪种控制策略,即根据哪些输入信号(发动机出水温度、进水温度、环境温度、风扇转速、水泵转速、发动机转速与负荷等)对什么参数实施调控,是今后冷却系统控制发展亟待解决的问题。通过对发动机变工况下冷却系统非稳态传热的研究,确定这些参数与传热之间的关系,从而对冷却风扇转速、节温器开度等系统参数进行调节,使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围。

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