发动机冷却系统的建模与仿真.pdf

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1、第20卷第9期计算机仿真2003年9月文章编号:1006-9348(2003)09-0039-04发动机冷却系统的建模与仿真121肖成永,李健,张建武(1.上海交通大学机械工程学院,上海200030;2.上海新代车辆技术有限公司,上海200050)摘要:该文在基于MATLAB/SIMULINK的环境中建立了某重型汽车柴油发动机冷却系统模型。该系统主要由发动机、节温器、散热器、水泵以及空气冷却系统组成。模型着重考虑了节温器的迟滞和热惯性等非线性特点,并建立了风扇的风速控制逻辑。在不同运行状况下仿真结果与相应的发动机实测数据基本一致,

2、表明所建立的模型具有较好的温度预测能力。关键词:柴油机冷却系统;建模;仿真;迟滞+中图分类号:TP271.62;U270文献标识码:A1前言发动机冷却系统的传热过程具有典型的非线性特点,难发动机冷却系统是保障发动机正常稳定运行的重要辅以用精确的数学公式描述。在建立数学模型时,冷却流体视助系统。它通过冷却水的循环带走了发动机运转过程中散为连续不可压缩,无粘滞特性的理想流体。依据热力学理发出来没有转化为机械能的热量,从而避免了因大量热量的论,建立了以下数学模型。累积而造成的金属疲劳脆化和润滑油的失效。3.1发动机[1]用计算机对冷却系

3、统性能进行仿真分析是近几年来发当空气不足时,发动机单位时间散发的热量(QÛrej):动机研究的热点。本文基于热力学理论,在MATLAB/NfuelingNfueling1QÛrejµηMÛfuel×QLHVµηMÛair××QLHVSIMULINK环境中建立发动机冷却系统的仿真模型,分析了NcylNcylA/Fcom冷却系统各组件的工作特性,并以实验数据对模型进行验(1)证。当空气充足时:Nfueling12冷却系统的结构QÛrejµηMÛair××QLHV(2)NcylStoic整个发动机冷却系统由两个体系构成:冷却水回路和冷热

4、平衡方程为:却空气通道。冷却水回路包括发动机、水管、节温器、散热器和冷却水泵等。冷却空气依次通过中冷器、散热器、风扇和QÛec=ÛTeoutmeCc=QÛrej-QÛeair-QÛrair(3)发动机,并带走发动机所产生的热量。QÛeair=αeAe(Tec-Teair)(4)图1中的发动机是整个系统的热源,发动机燃油其中η为发动机热量散发的比例系数,Ncyl为汽缸数,Nfueling为喷油口数。A/F为空燃比,QLHV为燃料燃烧值,MÛfuel为燃油燃烧产生的能量,约三分之速率,QÛec为冷却水吸收热率,QÛrair为散热器散热

5、率,Cc为冷一作为热量通过汽缸壁传却水比热容,me为发动机内冷却水质量,αe为发动机表面对导到冷却系统或直接散发流传热系数,Ae为发动机表面积,Tec为发动机冷却水温度,到大气中。图中的箭头指图1冷却系统的构成Teair为发动机周围空气温度。冷却系统的热传递以对流形式明了水在系统中流动的方为主,辐射形式因量相对较低而忽略不计。向。节温器通过蜡球操纵3.2节温器对流量进行控制。当节温器没有打开时,水全部通过旁路通节温器当水温达到其触发温度时开启,并且开启程度随道经水泵流回发动机;当节温器打开时,冷却水进入散热器;水温上升而增大直到其

6、最大开启程度(饱和)。其有两个非线散热器流出的水和旁路的水在水泵处混合。水泵直接与曲性特征:时间延迟(tlag)和迟滞(Thyst,1.7℃)。时间延迟是水轴相连,它促使水流回发动机,形成循环回路。温达到触发温度后,节温器不能马上动作而是经过一段时延才开启。在同一开口比例时,上升和下降过程对应的温度是3数学模型的建立[2]不同的,其差值就是迟滞值(如图2所示)。在节温器触发范基金项目:上海新代车辆技术有限公司资助(Q20013)围内,其开口比例可以简化成冷却水的温度函数为:收稿日期:2002-09-19当Teout>Tstatma

7、x时,Ath=0.7—39—当Teout

8、in+Thyst)Ath=0.7(6)热平衡方程:Tstatmax-TstatminMÛcTein=MÛrTradout+MÛbypTeout(13)其中:Ath为节温器开口比例,Tstatmin为节温器开始触发时冷却水温度,Tstatmin为节温