工程车辆温控独立冷却系统关键技术研究

工程车辆热管理技术作为21世纪车辆发展的关键技术之一,对提高整车性能和节能减排具有重要的作用。工程机械作为非道路车辆,由于其特殊的工作环境和作业工况对于热管理系统具有更加严格的性能要求。尤其是国家对工程机械行业施行国Ⅲ排放标准后,散热模块的热负荷相应增大,对热管理系统的性能要求提出了更加严峻的挑战,因此对其热管理系统进行细致深入的研究具有重要的应用价值和理论意义。目前,国内的装载机各大生产厂家对热管理系统的研究远远落后于欧美等国家,使其产品在工作稳定性和节能性等方面与国外产品存在较大的差距。本文结合“十二五”国家科技支撑计划课题“面向节能与安全的集成智能化工程机械装备研发”,利用三维CFD仿真技术和一维热力学性能模拟系统分别对满足国Ⅲ排放标准的装载机散热器、动力舱热环境、液压系统热特性、独立舱结构和独立冷却系统进行了深入的研究,旨在提高整车冷却系统的工作性能,保证车辆工作稳定性和提高燃油经济性,并且达到节能减排的目的。本文针对装载机独立冷却系统系统主要进行了以下研究工作:(1)基于传热学和流体力学原理阐述了板翅式散热器换热机理,采用遗传算法分别对液冷型油冷器和中冷器进行了多目标优化,根据散热要求选取合适的最优结果。采用CFD方法对匹配的散热器进行了流固耦合换热仿真,并对中冷器进行了台架试验,分析了冷却液参数对散热器性能的影响。根据场协同原理对强化翅片换热进行了基础性的研究,模拟了三角形扰流翼对波纹翅片的强化传热效果,并评价了扰流翼不同的结构参数下的传热性能,研究结果表明扰流翼有利于提高散热性能。(2)对轮式装载机动力舱内部换热机理进行了阐述,基于虚拟风洞仿真模型对动力舱热环境进行了三维CFD仿真,预测了排气管和消声器等高温热源对热环境和冷却风扇进气温度的影响,得到了风扇正转和反转情况下的流场和温度场;推导了冷却空气分布不均匀性对散热器工作性能影响的数学模型,为风扇叶片的优化和散热器的设计提供了理论依据。对冷却系统进行了一维和三维耦合仿真,分析了不同环境温度下的散热性能,为动力舱结构改进和冷却系统优化提供指导。(3)以装载机工作装置液压系统为研究对象,建立了工作装置动力学仿真模型和液压系统仿真模型,并进行了联合仿真,阐述了液压系统产热和散热机理,通过与试验数据对比验证了仿真模型的有效性,分析了液压系统的动态特性和热特性,模拟了环境温度对液压系统热平衡的影响,对液压回路背压单向阀的开启压力进行了优化。(4)介绍了温控独立冷却系统的组成和工作原理,对冷却风扇、液压马达、液压泵和电液比例溢流阀进行了参数匹配和选型,推导了比例阀的数学模型。搭建了冷却系统的一维仿真模型,制定了模糊逻辑控制策略,分析了冷却系统动态特性和不同环境温度下的散热性能,对新型冷却系统的节能特性进行了评价。研究结果表明:新型温控独立冷却系统具有较好的散热性能和节能特性。(5)以降低散热模块冷却空气的温度和增大风扇的进气量为目标,分别对独立舱内部风扇前置和后置、吹风和吸风式冷却结构进行了三维CFD分析,分析了风扇与散热器距离对空气流量的影响,对比了不同结构下的空气流量和散热量,选择了最佳结构方案,为整车冷却系统结构优化提供了参考。(6)对装载机典型作业工况和行车工况进行了实地试验测试,得到了不同工况下的整车热平衡试验结果,分析发现现有的散热系统散热量较低,各个系统热平衡温度较高。对新型冷却系统进行了台架试验,试验结果表明整车热平衡得到明显改善,通过对比验证了一维仿真模型的准确性和优化方案的可行性。