淺談重型汽車動力系傳熱系統模型研究

許建春， 卓 勛， 王 大

（四川長江工程起重機有限責任公司，四川 瀘州 646006）

引言

重型汽車在經濟和社會發展中的作用日漸突出，已經成為公路貨物運輸的主力。在山區公路行駛的重型汽車和一些特種重型汽車，動力傳動系的熱負荷大，其工作溫度區間直接關系到整車的使用穩定性，間接影響到整車的動力性和燃油經濟性；散熱系統的控制方式與發動機的寄生損失緊密關聯。重型汽車動力系統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荷計算，需要以動力傳動部件的選型、參數及行車環境為依托，因此必須首先建立動力傳動系統的動力學模型。然后根據冷卻系統的排熱要求及發動機艙的布置確定動力傳動系熱管理系統的設計方案。最終根據動力傳動系熱管理系統選用的具體部件確定其熱計算模型。

1 重型汽車的總體結構

重型汽車發動機熱管理系統主要由發動機水套、水泵、節溫器、散熱器、膨脹水箱和預熱器組成。其中發動機為主要熱源，其他部件在工作中主要為了完成發動機工作溫度的管理。水泵是發動機熱管理系統的動力裝置；節溫器通過控制發動機的大循環和小循環，使啟動后的發動機快速升溫并保證發動機在不同工況下的工作溫度控制在一定范圍以內。發動機進入冷卻循環的熱功率在散熱器中完成與外界空氣產生熱交換；采用膨脹水箱及時將循環管路中的氣泡排出，確保系統的壓力穩定，結構如圖1所示。

圖1 發動機溫度管理結構圖

發動機的熱管理系統的體積流量設定為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為進出口的壓力差，ρ為冷卻液密度。

2 發動機模型

發動機屬于熱機，因此在分析發動機的冷卻系統時，將發動機作為熱流源來考慮。發動機與冷卻液的熱交換特性可以用發動機的轉速和對應功率的函數來表示：

式中，HEexch為熱交換量（發動機殼體與發動機內部冷卻管路）；nE為發動機轉速；pE為對應nE下的發動機最大功率。發動機冷卻系統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，進入該容積的熱量為d H；cp為流體的比熱，根據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為發動機冷卻管路的容積。容積的熱量可以細分為下式：

式中：dmh1和dmh2是進入到單元體內的熱流量；dh為單元體與外界的熱交換量；ddm1和dm2為進入單元體內的質量流量；h為單元體內流體的熱量。

3 發動機附件模型

離心式水泵是一般發動機冷卻系統的動力源。設定冷卻水泵的轉速為npump其可以表示為：

式中：nengine為發動機轉速，ie－p為水泵與發動機的傳動比。通過進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（假設溫度變化液體體積不變化）。

式中：Q為流量，Δp為進出口的壓力差，ηpump為泵的總效率。節溫器相當于一個可變截面積的孔口，當溫度較低時節溫器關閉，發動機冷卻系統基本不工作，發動機快速達到工作溫度。當溫度超過一定溫度節溫器開始工作直到溫度達到溫度水平。節溫器的開口Sf，可以表示如下：

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

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量流量的函數。通過定義試驗中散熱器進出口溫差Texp，來定義散熱器試驗散熱量數據的有效性。

式中，Tin，exp和Tout，exp分別表示出口溫度和進口溫度。從而得到實際散熱器的散熱量Hreal，根據下式進行計算：

式中，Hexp是散熱量（通過實驗獲得），Tin，real和Tout，real表示散熱器的進出口的溫度，ηheat是散熱器的效率。

5 結語

對于重型汽車，受到現行的汽車設計規范和道路交通條件的制約，人們對大功率柴油機和高轉矩傳動裝置的期望與有限的發動機艙容積相抵觸。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，通過調節其循環流量，使得動力傳動系工作在溫度范圍內。本文分析動力系傳熱系統模型，通過對發動機模型、發動機附件模型、水和空氣的散熱器模型進行數學模型的分析獲得相應的數學模型。為進一步的動力系統傳熱的熱力學分析做好了準備。