柴油機(jī)水泵對(duì)油耗的影響分析

0 引言

隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的要求越來(lái)越高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵進(jìn)行控制已在產(chǎn)品上有所應(yīng)用，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的控制，控制變量為水泵轉(zhuǎn)速，控制目標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度，需要分析發(fā)動(dòng)機(jī)各水泵轉(zhuǎn)速下水泵的流量及水泵流量對(duì)水泵功耗的影響，分析水泵流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的影響；水泵流量影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋的傳熱，同時(shí)影響散熱器的散熱，水泵流量流過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋的冷卻水套，水泵流量變化影響冷卻水套的對(duì)流換熱系數(shù)，進(jìn)而影響機(jī)體與缸蓋的溫度，水泵流量與冷卻水套對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系在冷卻水套仿真中獲得，散熱器涉及到冷卻液流量與風(fēng)量的流動(dòng)換熱，散熱器的換熱性能特性包含冷卻液流量、風(fēng)量、液氣溫差與散熱量之間的關(guān)系，可通過(guò)零部件試驗(yàn)獲得其特性數(shù)據(jù)。發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的控制需要冷卻系統(tǒng)與機(jī)體、缸蓋零部件的緊密聯(lián)系，將冷卻系統(tǒng)零部件與機(jī)體、缸蓋零部件的特性與要求進(jìn)行分析，為水泵的控制與油耗的降低提供基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械水泵通過(guò)皮帶傳動(dòng)，水泵轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速存在固定的關(guān)系，水泵轉(zhuǎn)速為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速與速比的相乘，因而在發(fā)動(dòng)機(jī)同樣轉(zhuǎn)速的部分負(fù)荷與全負(fù)荷工況有同樣的流量供應(yīng)能力，而在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況，由于發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩相對(duì)全負(fù)荷工況是降低的，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)傳到機(jī)體與缸蓋的熱量降低，因而發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況水泵流量可以降低，機(jī)械水泵造成了發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況水泵功耗的浪費(fèi)，水泵電動(dòng)化

可調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，按需冷卻，在發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況由于缸內(nèi)傳熱量降低，電控水泵可通過(guò)降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)降低水泵流量，進(jìn)而降低水泵的功耗，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性要求的前提下起到降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的作用。

發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的控制，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度目標(biāo)與降低發(fā)動(dòng)機(jī)水泵功耗為目標(biāo)，需綜合考慮熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等學(xué)科的交叉，涵蓋傳熱、流動(dòng)等物理場(chǎng)，是系統(tǒng)級(jí)的多學(xué)科多物理場(chǎng)的范疇。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋溫度的熱源是缸內(nèi)燃?xì)夂团艢獾琅艢馀c機(jī)體缸蓋壁面流動(dòng)換熱，冷卻側(cè)是機(jī)體與缸蓋冷卻水套內(nèi)的冷卻液與機(jī)體缸蓋壁面流動(dòng)換熱，冷卻水套內(nèi)的冷卻液帶走的熱量使得冷卻液溫度升高，通過(guò)車速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速帶來(lái)的空氣流速，流過(guò)散熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行冷卻，冷卻水套內(nèi)的冷卻液通過(guò)水泵加壓進(jìn)行流動(dòng)循環(huán)，水泵的流量影響冷卻水套內(nèi)對(duì)機(jī)體缸蓋的流動(dòng)換熱，水泵的流量影響水泵的功耗，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。本文將建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋與活塞的本體傳熱模型，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，分析發(fā)動(dòng)機(jī)水泵降低流量對(duì)油耗的影響，分析水泵流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋溫度的影響及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱量的影響，并且為智能冷卻系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)降油耗的應(yīng)用提供仿真分析。

1 理論分析

發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的熱源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒，通過(guò)氣缸壁、活塞、缸蓋的導(dǎo)熱傳遞到冷卻液與潤(rùn)滑油中，再通過(guò)機(jī)油冷卻器將潤(rùn)滑油的熱量傳遞到冷卻液中。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馀c換熱壁面間的傳熱系數(shù)，根據(jù)Woschni傳熱公式

得到。

高中是每個(gè)人成長(zhǎng)的必經(jīng)階段，也是走入社會(huì)和跨入社會(huì)的必經(jīng)之路.我們高中生要抓住這個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，學(xué)好數(shù)學(xué)，認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)對(duì)于生活的重要性和重要意義，通過(guò)函數(shù)的學(xué)習(xí)在數(shù)學(xué)問(wèn)題的解決上學(xué)會(huì)更多的解決技巧，激發(fā)自身的課堂學(xué)習(xí)欲望和學(xué)習(xí)激情，才能保證數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的嚴(yán)密性和有效性.只有這樣才能保證在今后無(wú)論遇到任何函數(shù)的題型都能找到解決的辦法，找到數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的突破口.

(1)

水泵的效率為水泵的輸出功率與消耗的功率之比，公式見(jiàn)下，可見(jiàn)水泵消耗的功率與水泵的流量、揚(yáng)程、效率有關(guān)。降低水泵的流量是降低水泵消耗功率的有效措施。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在部分負(fù)荷工況時(shí)，水泵的流量可以降低，因?yàn)樗玫牧髁渴窃谌?fù)荷工況下設(shè)計(jì)。

建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型，主要建立氣缸模型即燃燒模型、傳熱模型、壁面溫度模型等，噴油器模型，增壓器模型和放氣閥模型，進(jìn)排氣道與管路模型，氣門(mén)模型，軸系模型。缸內(nèi)壁面溫度模型采用與發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型耦合，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型獲得缸內(nèi)壁面溫度。傳熱面積由發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型確定。

發(fā)動(dòng)機(jī)本體存在著復(fù)雜的傳熱路徑，主要包括機(jī)體、缸蓋、活塞、氣門(mén)等部分。機(jī)體與缸蓋通過(guò)冷卻水套中的冷卻液進(jìn)行冷卻，活塞通過(guò)內(nèi)冷油腔的潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻，活塞還通過(guò)活塞環(huán)與缸套進(jìn)行傳熱。

(2)

式中：

為熱流密度，

為導(dǎo)熱系數(shù)，

為溫度，

為厚度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，這是改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)。如果還是沿用母體學(xué)院的教學(xué)體系，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法按部就班地去完成，教學(xué)目標(biāo)就很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)性和實(shí)用性，不能引導(dǎo)學(xué)生去解決實(shí)際工程中的問(wèn)題，當(dāng)然也談不上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。

活塞劃分有限元網(wǎng)格，活塞的內(nèi)冷油腔設(shè)置為第三類熱邊界條件即潤(rùn)滑油側(cè)溫度和對(duì)流換熱系數(shù)；缸蓋采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，設(shè)置缸蓋底板壁厚，氣道壁厚、氣道直徑等參數(shù)；缸套采用有限元網(wǎng)格；缸蓋和缸套的冷卻水套設(shè)置為第三類邊界條件即冷卻液側(cè)的溫度和對(duì)流換熱系數(shù)。

式中：

為對(duì)流換熱系數(shù)，

為特征長(zhǎng)度，

為導(dǎo)熱系數(shù)，

為系數(shù)，

為雷諾數(shù)，

為流速，

為普朗特?cái)?shù)，

為動(dòng)力粘度，

為比熱容。

(3)

(4)

(5)

以某互聯(lián)網(wǎng)金融機(jī)構(gòu)所提供的個(gè)人信用信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，本文首先從業(yè)務(wù)邏輯的角度出發(fā)，即根據(jù)個(gè)人信用信息的四個(gè)方面：個(gè)人基本情況、個(gè)人征信歷史、個(gè)人資產(chǎn)狀況以及個(gè)人其他情況，構(gòu)建較為全面的評(píng)價(jià)個(gè)人信用的指標(biāo)體系，如表1所示。

式中：

為缸徑，

為缸壓，

為工質(zhì)溫度，

,

為系數(shù)，

為活塞平均速度,

為氣缸工作容積，

為進(jìn)氣終點(diǎn)氣體溫度，

為進(jìn)氣終點(diǎn)氣體壓力，

壓縮始點(diǎn)氣缸容積。

″為與工作循環(huán)壓縮始點(diǎn)相同的冷拖動(dòng)循環(huán)瞬時(shí)壓力。

(6)

式中：

為冷卻液的密度，

為水泵的揚(yáng)程，

為水泵的體積流量，

為水泵的軸功率。

2 仿真建模

水泵流量變化會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱，需要建立發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)仿真模型，發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)仿真，需建立熱力學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)本體、冷卻系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)模型，通過(guò)GT-SUITE軟件建立，如圖1所示。

水泵流量變化影響發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋的溫度，引起機(jī)體與缸蓋傳到冷卻液的熱量發(fā)生變化；水泵流量變化并且會(huì)影響潤(rùn)滑油的溫度，活塞通過(guò)潤(rùn)滑油冷卻，活塞的溫度會(huì)受到影響。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)建模

李叔和接到付玉的短信，方寸立馬亂了。是見(jiàn)付玉還是不見(jiàn)，他又猶豫了。鋪在木船上的晚霞，被海藻的腥味驅(qū)逐著。付玉的影子小星星般在海灘上跳動(dòng)，巨浪滾滾而來(lái)，帶著海底的吼聲，在他記憶里像沙漠里奔駛的一群野馬，又像是一窩黃蜂，密密匝匝地在他思緒里涌動(dòng)。他對(duì)付玉既愛(ài)又恨。愛(ài)時(shí)想和她天長(zhǎng)地久，照顧她一生一世；恨時(shí)，總想著找機(jī)會(huì)殺了她。他想從心靈最深的角落里把付玉趕走，最終，付玉的影子像是在他腦子里生了根，發(fā)了芽，長(zhǎng)出了滿世界的野蒺藜，讓他走一步都扎的腳疼。半年前，他認(rèn)識(shí)了老梅。只有在這個(gè)老女人身上做愛(ài)時(shí)，付玉的影子才像是一朵云，在海面上飄忽著，像海鷗一樣，消失在茫茫大海里。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型獲得的缸內(nèi)與排氣道熱邊界是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)熱量的熱源，熱力學(xué)模型考慮空氣系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系，獲得缸內(nèi)在進(jìn)氣、壓縮、做功與排氣的熱力過(guò)程中工質(zhì)溫度的變化，工質(zhì)與缸內(nèi)壁面的流動(dòng)換熱變化。發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型對(duì)參數(shù)的分析需要系統(tǒng)考慮，影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱邊界的因素主要與缸壓有關(guān)，影響缸壓的因素眾多，系統(tǒng)分析這些影響因素，以獲得缸內(nèi)與排氣道的熱邊界。

3) 對(duì)于不容易撲滅的油罐火災(zāi)，在起火時(shí)或火災(zāi)初期采取發(fā)油措施，通過(guò)排出一部分油品，可以使泡沫液進(jìn)入未填充區(qū)域以及不易覆蓋的空隙部位。

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型考慮水泵流量的變化對(duì)缸內(nèi)壁面溫度的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)本體模型與熱力學(xué)模型通過(guò)缸內(nèi)壁面溫度的耦合，考慮水泵流量的變化對(duì)缸內(nèi)傳熱量的影響。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)本體建模

氣缸壁、活塞、缸蓋的導(dǎo)熱根據(jù)傅里葉定律

得到。

氣缸缸套與缸蓋的冷卻水套以及活塞的機(jī)油冷卻的對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)下列公式

得到。

拌和站另外一種常見(jiàn)的故障就是攪拌機(jī)發(fā)生故障，一般情況下可以在使用攪拌機(jī)之前通過(guò)攪拌機(jī)的聲音判斷其運(yùn)行是否正常，如果攪拌機(jī)因?yàn)槌?fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或者固定軸承損壞，其發(fā)出的聲音應(yīng)該是異常的，這時(shí)候需要對(duì)攪拌機(jī)的固定支座進(jìn)行復(fù)位處理，對(duì)于損壞的軸承就要直接進(jìn)行更換處理。另外可以根據(jù)攪拌機(jī)的出料溫度判斷攪拌機(jī)的工作性能，如果攪拌機(jī)出料的溫度過(guò)高或者過(guò)低，與實(shí)際采樣測(cè)量的溫度相差較大，說(shuō)明其溫度傳感器出現(xiàn)了問(wèn)題，應(yīng)該及時(shí)檢查修理溫度傳感器。

發(fā)動(dòng)機(jī)本體建模需要建立熱連接，熱連接包含缸內(nèi)燃?xì)馀c排氣道內(nèi)的排氣與發(fā)動(dòng)機(jī)缸套、缸蓋火力底板和排氣道進(jìn)行的對(duì)流換熱熱連接，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋與冷卻水套之間的對(duì)流換熱熱連接。

2.3 冷卻系統(tǒng)建模

水泵提供流量并使冷卻液壓力升高，經(jīng)由冷卻水套、節(jié)溫器、散熱器的阻力，形成冷卻系統(tǒng)冷卻液循環(huán)，如圖2所示。汽車車速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使空氣流過(guò)散熱器，并與冷卻液換熱，起到降低冷卻液溫度的作用。水泵流量流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套對(duì)機(jī)體與缸蓋進(jìn)行冷卻，通過(guò)合適的水泵流量與冷卻水套的設(shè)計(jì)以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體與缸蓋溫度的要求。

建立冷卻系統(tǒng)仿真模型，主要建立水泵、冷卻水套、節(jié)溫器、散熱器等部件，需要水泵的流量-揚(yáng)程及功耗-流量曲線，冷卻水套、節(jié)溫器、散熱器的阻力曲線與換熱性能數(shù)據(jù)。通過(guò)冷卻水套CFD計(jì)算獲得冷卻水套不同流量下的阻力，如圖3所示。水泵、節(jié)溫器、散熱器等零部件的性能數(shù)據(jù)及阻力曲線通過(guò)零部件試驗(yàn)獲得，節(jié)溫器還需溫度升程曲線。風(fēng)扇需要流量壓升曲線，由風(fēng)扇廠家提供。

冷卻系統(tǒng)模型獲得水泵功耗及系統(tǒng)各部件流量、各位置壓力與溫度等數(shù)據(jù)。冷卻系統(tǒng)模型獲得的冷卻液流量在冷卻水套中通過(guò)冷卻液流量與冷卻水套壁面對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系建立機(jī)體與缸蓋的冷卻傳熱模型。同時(shí)冷卻系統(tǒng)模型獲得的冷卻液流量在散熱器中通過(guò)對(duì)流換熱傳遞到流過(guò)散熱器的空氣中。在冷卻系統(tǒng)模型中散熱器所用換熱性能數(shù)據(jù)包含冷卻液流量、風(fēng)量、液氣溫差與散熱量之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，通過(guò)散熱器零部件試驗(yàn)獲得。

《摩西五經(jīng)》中的歷史故事，有很多，我只引用最著名的10個(gè)故事為出發(fā)點(diǎn)，做文本理論細(xì)讀。這些故事是上帝對(duì)亞當(dāng)和夏娃吃禁果的處罰、諾亞方舟的故事、該隱殺弟亞伯的故事、通天塔的故事、約瑟的故事、摩西率以色列人出埃及、逾越節(jié)的由來(lái)、十誡與立約的過(guò)程、亞倫的故事和亞伯拉罕立約的故事。因?yàn)檫@些故事情節(jié)或梗概爛熟于心，人們卻忽略了許多重要的細(xì)節(jié)，所以筆者不再?gòu)?fù)述情節(jié)，并不以故事為分析的章節(jié)，而以書(shū)中對(duì)故事的記錄的三種敘事方式——文學(xué)性的敘事方式、法律條文、哲學(xué)或宗教信仰的敘述方式——為分析的提綱，分析故事所反映的風(fēng)俗、文化、法律、制度，甚至無(wú)意中流露出來(lái)的思想意識(shí)。

冷卻系統(tǒng)模型得到的冷卻液溫度是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱與散熱器散熱的結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱為發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)與排氣道內(nèi)傳遞到機(jī)體與缸蓋中，再由機(jī)體與缸蓋內(nèi)的冷卻水套傳遞到冷卻液中；發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器散熱為冷卻水套流動(dòng)循環(huán)的冷卻液流入散熱器中進(jìn)行散熱，流過(guò)散熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行散熱的冷卻介質(zhì)為車速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速帶來(lái)的空氣。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

水泵降低流量會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋與缸套溫度的升高，冷卻液帶走熱量的降低與缸內(nèi)傳熱量的降低。水泵降低流量帶來(lái)的系統(tǒng)影響需要綜合考慮，對(duì)可靠性的影響需要評(píng)估，在可靠性保證的前提下起到降低油耗的作用。

要更好的對(duì)雞痘進(jìn)行預(yù)防和控制，首先需要按照時(shí)間對(duì)養(yǎng)殖的雞進(jìn)行疫苗接種免疫，在此基礎(chǔ)上定期對(duì)雞舍進(jìn)行清理和消毒，從而更好的保證雞舍環(huán)境的衛(wèi)生。在條件允許的情況下，盡量保證雞舍的通風(fēng)順暢和干燥，合理安排養(yǎng)殖密度，從而更好的減少發(fā)病的可能。在秋季到來(lái)的時(shí)候，要及時(shí)滅殺雞舍中的蚊蟲(chóng)，并使用2%火堿水對(duì)雞舍和活動(dòng)環(huán)境進(jìn)行充分的消毒。

水泵降低流量對(duì)油耗的影響如圖4，水泵流量降低20%，油耗率降低0.15%，水泵流量降低40%，油耗率降低0.32%。

水泵降低流量對(duì)缸內(nèi)傳熱量的影響如圖5所示，隨著水泵流量降低的比例增大，缸內(nèi)傳熱量降低比例呈現(xiàn)由慢到快的趨勢(shì)。

水泵降低流量對(duì)缸套、缸蓋氣側(cè)壁溫的影響如圖6，圖7所示。隨著水泵降低流量，缸套、缸蓋氣側(cè)壁溫的升高量變大。

4 結(jié)束語(yǔ)

水泵降低流量帶來(lái)的系統(tǒng)影響包含對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體缸蓋溫度與冷卻液帶走熱量的影響，還會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)外特性工況設(shè)計(jì)水泵，部分負(fù)荷工況下水泵有降低流量的空間并且能滿足可靠性要求，水泵降低流量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液帶走熱量的影響，為冷卻液溫度的準(zhǔn)確計(jì)算提供了有利的支持。對(duì)水泵流量的降低帶來(lái)的油耗收益進(jìn)行了量化，為電控水泵的應(yīng)用提供了支持。

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