文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123407
发动机冷却系统仿真模拟及节温器的
影响分析
周兵,岳阳,徐向华,梁新刚
(清华大学航天航空学院,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084)
(Tel: 010-62788702, Email: ******@tsinghua.)
摘要:本文基于MATLAB/Simulink仿真平台,建立了某型发动机冷却系统的一维仿真模型,研究了冷却系统对环境温度、气缸散热量等参数的敏感性,并分析了节温器对冷却系统敏感性及冷启动过程中动态特性的影响。结果表明,节温器对流量的分配和调节作用可以有效的增强系统对外部扰动的适应能力,使系统的工作更加稳定;对冷却系统参数的敏感性分析,可用于研究系统的工作特性,为系统的设计和运行控制提供依据;节温器的时间常数对冷却系统的动态特性影响显著,较小的时间常数有利于保证发动机的稳定工作。
关键词:冷却系统;仿真模拟;节温器;敏感性;动态特性
0 前言
冷却系统对于发动机的运行具有十分重要的作用,适度的冷却不仅能够保证发动机运行的可靠性,同时在提高系统的效率、减少污染物排放等方面也具有重要意义[1,2]。随着现代发动机不断向高功率、紧凑化的方向发展,发动机的强化程度越来越高,对冷却系统的要求也随之提高;同时日益严格的排放标准也对冷却系统提出了更高的要求,因此充分的利用先进的设计技术对冷却系统方案、控制等进行改进是冷却系统未来发展的趋势[3]。
目前对冷却系统的研究主要集中在缸体水套[4]、散热器[5]等部件的研究和冷却系统的控制和优化[6,7]等方面。在冷却系统能够满足要求的情况下,从系统整体的高度来研究冷却系统的运行优化及控制策略是提高冷却系统性能的重要途径。仿真模拟的方法是一种高效、低成本的研究方法,通过对冷却系统的模拟仿真,可以更加清楚的了解部件的工作特性,并分析相关参数对冷却系统的影响,为系统的整体优化提供参考依据。
节温器是冷却系统中的关键部件之一,其主要功能是根据冷却液温度来控制冷却回路中流量的分配,从而调节冷却系统散热量以满足发动机的冷却要求,从而保证发动机合适的工作温度,并可减少启动过程中的暖机时间[1]。对节温器的进一步研究有助于冷却系统的优化设计。
本文基于MATLAB/Simulink的平台,通过模块化的方法,构建了完整的冷却系统一维仿真模型。利用该模型,研究了冷却系统对相关参数的敏感性,并分析了节温器对系统工作特性的影响,为冷却系统的设计和运行控制等工作提供参考。
1 仿真模型
根据模型发动机冷却系统的实际布局,冷却系统的基本结构如图1所示。冷却液由冷却液泵驱动进入气缸水套,吸收水套热量后流出,并进入节温器,节温器根据水温情况对冷却液进行流量分配,使冷却液通过水箱散热器或直接通过旁路返回冷却水泵,整个循环将冷却水套的热量传递向环境。下面将分别建立各主要部件的仿真模型。
图1 冷却系统示意图
发动机上采用的节温器一般采用石蜡或形状记忆合金等作为感温材料,利用材料的体积或形状随温度变化的特性来调节阀门的开度,进而改变流量分配[1]。
设流入节温器的冷却液流量为qc,且流向水箱散热器的流量为q1,流经旁路直接返回冷却水泵的流量为q2。定义流量系数β,则冷却液流量的分配关系为:
(1)
其中