基于液壓驅動技術的內燃機冷卻溫度控制研究

張康

摘要：在最近的幾年中，在設計車輛時，車頭迎風的面積呈現出遞減的趨勢，其目的在于安上各類輔助性的裝置，從而導致內燃機設備殼下的范圍愈來愈小，但卻加強內燃機的功能，導致熱負荷愈來愈高，同時冷卻及其系統對內燃機性能提出了更高的要求，包括驅動力、經濟性、釋放性、減噪性和總體協調性等。本論文闡述內燃機冷卻溫度的運行原理，基于液壓驅動技術設計內燃機冷卻溫度控制系統，勾勒總體方案，界定液壓驅動系統的核心液壓組建及屬性參數，分別從控制發動機溫度和液壓系統溫度的機制來設計控制電控單元冷卻溫度的相關組件。

Abstract： In recent years， the front windward area shows a decreasing trend， the purpose is to install various auxiliary devices， strengthening the function of the internal combustion engine， increasing the heat load， and cooling and its system put higher requirements for the performance of the internal combustion engine， including driving force， economy， release， noise reduction and overall coordination. This paper expounds the operation principle of the cooling temperature of the internal combustion engine， designs the cooling temperature control system based on the hydraulic driving technology， outlines the overall scheme， defines the core hydraulic formation and attribute parameters of the hydraulic driving system， and designs relevant components to control the mechanism of controlling the engine temperature and hydraulic system temperature.

關鍵詞：液壓驅動技術;內燃機;冷卻;溫度控制

Key words： hydraulic driving technology;internal combustion engine;cooling;temperature control

中圖分類號：TH161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0027-02

0? 引言

當內燃機正常運作時，缸內燃油在燃燒過程中所釋放的熱量中，只有其中的一小部分做有效功，大多數熱量消散。其中，通過冷卻媒介釋放的熱量在燃油的全部熱量中約占據33.3%的比例。如此龐大的熱量，僅僅憑借內燃機自身的自然式散熱顯然是難以達到要求的。雖然在駕駛車輛時能夠借助于高速運行的方式產生迎面的冷風效應，從而對散熱器進行冷卻的處理，然而，有時候車輛行使的車速并不高，只借助于迎面式冷風的方式來達到冷卻溫度的效果顯然是不夠的。因此，為了獲得更為充足的冷卻的通風量，理應為冷卻風扇安置上較為高效性的冷卻系統裝置。據此，本論文基于液壓驅動技術展開內燃機冷卻溫度控制的相關研究。

1? 運行原理

通常而言，機械裝置中的冷卻系統采納的是強制性散熱的一種緊湊型散熱器，其散熱量和通過外部空氣的體積流量內部存在著內關聯性，可用如下式（1）加以表示：

P=qvρCpΔt（1）

其中，上式（1）中的P所表示的是散熱器散熱的功率（單位：kW）;qV所表示的是通過散熱器對應的風量（單位：m3·s-1）;ρ所表示的是空氣的密度（單位：kg·m-3）;Cp所表示的是空氣定壓比熱容（單位：kJ/（kg·℃））;Δt所表示的是冷卻空氣在出口處和進口處二者的溫度差（單位：℃）。

通過式（1）不難發現，散熱器散熱的功率和通過散熱器的風量存在著同步遞增的關系，至于風量和風扇的轉速存在著正比的關系。因而，在冷卻系統中，當風扇的轉速發生變化時，風量也會發生變化，也就是說，散熱器中的散熱性能出現了同步的變化。在一定的環境中，從工程機械熱源中所釋放的能量大體上是不變的。基于液壓驅動技術的內燃機冷卻溫度控制便是根據上述的原理而對冷卻系統內各個冷卻媒介的溫度加以調控的。

2? 基于液壓驅動技術的內燃機冷卻溫度控制系統設計

2.1 系統總體方案? 此系統主要包括如下的幾個核心部分：電控單元（ECU）、油泵、冷油器、過濾器、冷卻液溫度傳感器、比例閥、油箱以及油馬達等。其工作流程如下所述：系統通過冷卻液溫度傳感器對液體的溫度進行冷卻，再將該信號傳遞至電控單元進行處理，之后，又經由比例閥對液壓系統中的油壓進行調控，進而達到調控油馬達和風扇轉速的目的。

溫度測試控制系統屬于一類同步隨機性系統。測控溫度為內燃機水套出口的地方也就是散熱器的入口處已經做好冷卻處理液體的溫度。該系統主要包括智能化測試與微機控制的性能，能夠基于冷卻液的溫度及其改變率已經目標冷卻液的溫度狀況對比例閥進行電流的調控。當系統測試到冷卻的液體溫度趨近于或是大于運作最適合的溫度的時候，便開啟風扇運作，且把冷卻的液體穩定于預備設置的最為理想化的運作溫度。

2.2 液壓驅動系統的核心液壓組建及屬性參數的界定? 基于系統的運作，油馬達通常采納齒輪馬達裝置，油泵通常采納齒輪泵或是徑向柱塞泵裝置，其目的在于確保齒輪馬達處于最高和最低平穩運行時轉速的正常化，液壓驅動系統屬性的相關參量應符合如下的要求：

在上式內，qm所表示的是油馬的達排量參量（單位：m3/r）。Tm所表示的是油馬達輸出的力矩參量，其賦值主要顧及到如下的三點：第一，運行負載的力矩也就是風扇的驅動力矩，其和風扇的轉速平方存在著正比的關系;第二，風扇的軸徑摩擦力矩和其軸徑的重量乘積存在著正比關系;第三，風扇系統的慣性力矩和其角加速度存在著正比關系。Δpm所表示的是油馬達的進出口運行時的壓差（單位：Pa）。Zmm和Zmv依次表示的是油馬達的機械及其容積的效率參量;Qm min所表示的是為通過比例閥控制油馬達處于穩定最小狀態的流量;nm min所表示的是油馬達風扇平穩轉速的最低值;pp所表示的是油泵運行的最大壓力參量（單位：Pa）;p1所表示的是油馬達運行時最高的壓力參量，其具體數值通過Tm和qm加以界定;ΣΔp所表示的是通過油泵的出口至油馬的達入口間全部壓力的受損值，在起初計算時能夠借鑒類似的系統，進油路速度的調控系統ΣΔp值范圍在（0.7MPa～1.5MPa），油泵標定的壓力是系統運行最高壓力值的1.5-1.6倍;QP max與Qm max依次表示的是油泵和油馬達最大的流量參量（單位：m3/s）;Qy min所表示的是比例閥溢流的最小量;K所表示的是系統的流量在泄漏時的參量。

以上條件符合要求之后，借鑒通常液壓手冊內容選擇油泵和油馬達等相關的液壓組件，進而確定性能的相關參量。

比例閥基于系統運行的壓力與現實經由閥門流量的最大值已經平穩最低的流量加以確定，比例閥能夠通過在低于20%的過流量。至于比例控制閥應從靜態和動態2個不同情況給出如下相應的要求：①靜態時，通過平穩狀態下所輸入的信號電流從0遞增到標定的數值，再由標定的數值遞減至0，在該環節中，通過輸出的參數（壓力）改變圖像加以確定，主要指標包括重復性、磁環、直線線和分辨率等4項。通常比例閥磁環比例不超出7%，分辨率低于2%，直線性低于10%，且具有較好的重復性。因為比例閥通常不在零位周圍運行，其死區和因為溫度與進出口的壓力改變導致零點發生漂移等后果對閥運行的影響并不顯著，運行性能條件亦不如閉環系統內電液伺服閥同樣的高度，因此，針對上述指標所制定的要求相對寬松;②動態時，一般借助于階躍響應圖像加以表示。一般通過階躍響應時間指標表達比例閥實時特性的性能，其數值為由輸入階躍信號到輸出量處于平穩狀數值（即確定數值的98%）所耗費的時間。一般情況下，比例閥階躍的響應時間范圍在0.06s～0.22s。

2.3 電控單元冷卻溫度的控制

2.3.1 控制發動機溫度的機制

從冷卻溫度系統來看，液體溫度在約90℃時發動機處于良好的運作狀態，可見，可以將90℃視作發動機運作常態化的理想化溫度。在該冷卻系統內，將90℃視作標準的冷卻液體溫度的數值，系統低溫處理的閥值設置成75℃。倘若冷卻液體溫度通過測試后，其數值低于測試低溫處理的閥值或是恰恰等于處理低溫的閥值，冷卻系統即會經由溢流等有關調控的方式弱化冷卻的效果。上述流程是冷卻系統對低溫進行處理的流程。將105℃視作冷卻系統處理高溫時的閥值，如果測試的冷卻液體溫度超出該高溫的閥值或者是恰巧是處理高溫的閥值時，溢流量則會調小，進而強化冷卻的效果，盡可能地提升溫度值。上述流程是冷卻系統處理高溫的流程。如果冷卻液體被測試到其數值的范圍處在處理低溫和高溫二者閥值時，基于模糊調控流程的規則，液壓系統內的壓力則會被自動地調控，進而導致該系統冷卻的效果被調控于適宜的范圍之內。

2.3.2 控制液壓系統溫度的機制

液壓系統倘若始終維持著較高的溫度，會導致系統內發揮動力傳輸功能的液壓油在較短的時間內出現老化的情況，同時，系統容積的效率亦會受到一定程度的影響而致使其運作效果不佳。液壓系統溫度偏高時亦會導致系統運行受阻，無法順利進行下去。同時，液體也難以順利地進入到液壓油泵中，液壓系統中組件運行時耗損增大，運作效果不佳。本論文將冷卻系統溫度處于35℃～45℃范圍視作理想化的溫度，該范圍中的溫度視作液壓油可以順利運行的溫度。同時，本論文所設計的液壓散熱系統，將35℃作為其下限的閾值，45℃設置成其上限的閾值。該系統在具體運行的過程中，其溫度會呈現出持續性遞增的趨勢。當它的溫度超出上限的閾值時，液壓冷卻系統則會啟動電機驅動冷卻風扇，對整個液壓系統產生冷卻的作用。當液壓系統的溫度不小于下限的閾值時，液壓風扇則終止運作，此時，液壓系統出現溫度上升的現象。上述的調節機制主要經由電控單元加以完成，液壓冷卻系統的電機通過大客車中的電源提供所需的電能。而系統中的電機則經由調節機制促發液壓系統中的冷卻風扇工作。經過上述環節，液壓冷卻系統能夠自動化維持液壓系統處于理想化的溫度狀態下正常地運作。

3? 結論

基于液壓驅動技術控制內燃機的溫度是化解工程機械運作過程中出現過熱問題是一種有效性的方式。該系統達到了對風扇轉速智能化調控的功效，冷卻系統所具有的冷卻性能能夠隨著散熱所需而發生相應的變化，能夠使得冷卻媒介處于最佳的溫度環境中。同時，在液驅技術的作用下，風扇無需直接地借助于發動機驅動，至于冷卻系統的安排和安置途徑更為地靈便。以往的冷卻溫度手段，風扇的轉速和發動機的轉速存在著內在的關聯性。當冷卻媒介溫度并不高時，會導致額外的功率耗損，且制造出較大的噪音。因為液壓驅動技術冷卻溫度所憑據的是對風扇的轉速進行智能化的調控，能夠為發動機省卻不必要的功率輸出，降低噪音。該系統不單單能夠運用在工程機械領域，同時亦能夠廣泛地運用在城市中的汽車、軍工裝置和其他有關特別要求的車輛與裝置中，凸顯出經濟與社會實效性的特點。

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