淺談重型汽車動力系傳熱系統(tǒng)模型研究

許建春， 卓 勛， 王 大

（四川長江工程起重機(jī)有限責(zé)任公司，四川 瀘州 646006）

引言

重型汽車在經(jīng)濟(jì)和社會發(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，動力傳動系的熱負(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力性和燃油經(jīng)濟(jì)性；散熱系統(tǒng)的控制方式與發(fā)動機(jī)的寄生損失緊密關(guān)聯(lián)。重型汽車動力系統(tǒng)的傳動模型研究成為一個重要的研究方向。重型汽車動力傳動系的熱負(fù)荷計算，需要以動力傳動部件的選型、參數(shù)及行車環(huán)境為依托，因此必須首先建立動力傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型。然后根據(jù)冷卻系統(tǒng)的排熱要求及發(fā)動機(jī)艙的布置確定動力傳動系熱管理系統(tǒng)的設(shè)計方案。最終根據(jù)動力傳動系熱管理系統(tǒng)選用的具體部件確定其熱計算模型。

1 重型汽車的總體結(jié)構(gòu)

重型汽車發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)主要由發(fā)動機(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)動機(jī)為主要熱源，其他部件在工作中主要為了完成發(fā)動機(jī)工作溫度的管理。水泵是發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)的動力裝置；節(jié)溫器通過控制發(fā)動機(jī)的大循環(huán)和小循環(huán)，使啟動后的發(fā)動機(jī)快速升溫并保證發(fā)動機(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)動機(jī)溫度管理結(jié)構(gòu)圖

發(fā)動機(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。

2 發(fā)動機(jī)模型

發(fā)動機(jī)屬于熱機(jī)，因此在分析發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)時，將發(fā)動機(jī)作為熱流源來考慮。發(fā)動機(jī)與冷卻液的熱交換特性可以用發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和對應(yīng)功率的函數(shù)來表示：

式中，HEexch為熱交換量（發(fā)動機(jī)殼體與發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻管路）；nE為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；pE為對應(yīng)nE下的發(fā)動機(jī)最大功率。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱容單元主要用來計算熱流體在通過定熱容單元時的溫度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為壓力相對時間的微分；v為發(fā)動機(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。

3 發(fā)動機(jī)附件模型

離心式水泵是一般發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的動力源。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)動機(jī)轉(zhuǎn)速，ie－p為水泵與發(fā)動機(jī)的傳動比。通過進(jìn)口溫度和流量與出口溫度和流量就可以計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)于一個可變截面積的孔口，當(dāng)溫度較低時節(jié)溫器關(guān)閉，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)基本不工作，發(fā)動機(jī)快速達(dá)到工作溫度。當(dāng)溫度超過一定溫度節(jié)溫器開始工作直到溫度達(dá)到溫度水平。節(jié)溫器的開口Sf，可以表示如下：

式中，Area，open為實(shí)際開啟截面，Area，all為全開截面。一般設(shè)定節(jié)溫器的開度在初始溫度到全開溫度方面設(shè)定為線性。

4 水和空氣的散熱器模型

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)。通過定義試驗(yàn)中散熱器進(jìn)出口溫差Texp，來定義散熱器試驗(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)行計算：

式中，Hexp是散熱量（通過實(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。

5 結(jié)語

對于重型汽車，受到現(xiàn)行的汽車設(shè)計規(guī)范和道路交通條件的制約，人們對大功率柴油機(jī)和高轉(zhuǎn)矩傳動裝置的期望與有限的發(fā)動機(jī)艙容積相抵觸。為保證重型汽車傳動系主要部件的正常工作，需要選用適合的熱管理系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)其循環(huán)流量，使得動力傳動系工作在溫度范圍內(nèi)。本文分析動力系傳熱系統(tǒng)模型，通過對發(fā)動機(jī)模型、發(fā)動機(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)一步的動力系統(tǒng)傳熱的熱力學(xué)分析做好了準(zhǔn)備。