CN103899404A - 发动机冷却系统评估方法、评估装置及挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了发动机冷却系统评估方法、评估装置及挖掘机。该方法包括：接收冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能；根据所接收的数据来计算热平衡饱和温度；根据热平衡饱和温度和发动机的容许温度来判断冷却系统是否可用；其中，在热平衡状态下，冷却液通过散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。本发明根据计算得到的热平衡饱和温度来判断冷却系统是否可用，实现了在冷却系统设计前对冷却系统性能进行评价，在判断结果为不可用的情况下可以对冷却系统的设计参数进行调整，以避免进行无用的细化设计并可以选择到适合的冷却系统以达到更好的冷却效果。

Description

发动机冷却系统评估方法、评估装置及挖掘机

技术领域

本发明涉及判断冷却系统可用性的技术，具体地，涉及一种发动机冷却系统评估方法、评估装置及具有该评估装置的挖掘机。

背景技术

冷却系统性能的好坏对于发动机寿命有着至关重要的影响，然而，工程机械冷却系统的冷却效果一致是依赖散热器厂家通过软件进行计算提供给购买方，也就是说购买方并未掌握对冷却系统的散热效果的计算方法，而只能通过样机测试来得到冷却系统的相关参数。因此，购买方在设计主机时期并不能对冷却系统的可用性进行判断，也就是不能自主对冷却系统进行评估来选择合适的冷却系统。

发明内容

本发明的目的是提供发动机冷却系统评估方法、评估装置及挖掘机，用于解决判断冷却系统是否可用的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种发动机冷却系统评估方法，该冷却系统包括散热器、风扇和水泵，所述散热器中的冷却液用于冷却发动机，冷却液在水泵的作用下由发动机流入散热器，在风扇的作用下，冷却空气流过所述散热器，以吸收散热器散出的热量，该方法包括：接收冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能；根据冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能来计算热平衡饱和温度；以及根据所述热平衡饱和温度和所述发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用；其中，在热平衡状态下，冷却液通过所述散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。

相应地，本发明还提供了一种发动机冷却系统评估装置，该冷却系统包括散热器、风扇和水泵，所述散热器中的冷却液用于冷却发动机，冷却液在水泵的作用下由发动机流入散热器，在风扇的作用下，冷却空气流过所述散热器，以吸收散热器散出的热量，该装置包括：计算装置，用于根据冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能来计算热平衡饱和温度；以及处理装置，用于根据所述热平衡饱和温度和发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用；其中，在热平衡状态下，冷却液通过所述散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。

相应地，本发明还提供了一种挖掘机，包括：以上所述的发动机冷却系统评估装置。

通过上述技术方案，本发明根据计算得到的热平衡饱和温度来判断冷却系统是否可用，实现了在冷却系统设计前对冷却系统性能进行评价，在判断结果为不可用的情况下可以对冷却系统的设计参数进行调整，以避免进行无用的细化设计并可以选择到适合的冷却系统以达到更好的冷却效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的冷却系统的结构示意图；

图2是本发明提供的发动机冷却系统评估装置的结构框图；

图3是本发明提供的发动机水泵的P-Q曲线；

图4是本发明提供的风扇的P-Q曲线；以及

图5是本发明提供的发动机冷却系统评估方法流程图。

附图标记说明

1散热器              2风扇

3水泵                4发动机入水管

10计算装置           20处理装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明提供的冷却系统的结构示意图，如图1所示，冷却系统包括散热器1、风扇2和水泵3。在水泵3的作用下，冷却液由发动机流入散热器1，在风扇2的作用下，冷却空气流过散热器1，吸收散热器1散出的热量，以降低冷却液的温度，然后，冷却液在水泵3的作用下，将流出散热器1的冷却液经发动机入水管5吸回发动机，以冷却发动机的散热部件。其中冷却空气吸收散热器1散出的热量也就是风扇2的出风口面向散热器以使得风扇2对散热器1进行散热。

具体来说，冷却液首先进入发动机来冷却发动机的散热部件，之后冷却液从发动机流至散热器1，冷却空气在风扇2的作用下流过散热器1以吸收散热器散出的热量，冷却液通过散热器1被冷却后再重新回到发动机对发动机的散热部件进行冷却。

图2是本发明提供的发动机冷却系统评估装置的结构框图，如图1所示，该装置包括计算装置10和处理装置20。其中，计算装置10用于根据冷却空气通过散热器1之前的温度、冷却空气通过散热器1之后的温度和散热器1的散热效能来计算热平衡饱和温度。处理装置20用于根据计算装置10计算出的热平衡饱和温度和发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用，这里可用指的是该冷却系统可以被选择作为所需冷却的发动机的冷却系统。其中，在热平衡状态下，冷却液通过散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。其中，发动机的容许温度指的是发动机最高可以承受的温度。热平衡状态是指发动机出水口的温度达到恒定时的状态。

热平衡饱和温度是指冷却系统达到平衡后冷却液在发动机出水口的温度，理想情况下，冷却液通过散热器1之前的温度与冷却液在发动机出水口的温度相同，在达到平衡后，发动机对冷却系统释放的热量Φ_e、冷却液吸收的热量Φ_w及冷却空气吸收的热量Φ_a三者达到平衡状态，在数值上相等。其中，冷却液吸收发动机释放的热量，然后冷却液通过散热器1散热，在散热器1散热过程中，冷却空气会吸收散热器1中的冷却液散出的热量，从而达到平衡。

为了能够对冷却系统是否可用的判断更加准确，可以计算在发动机处于最大扭矩的情况下的第一热平衡饱和温度、计算在发动机处于最大功率情况下的第二热平衡饱和温度及计算发动机处于额定功率的情况下的第三热平衡饱和温度，然后取第一至第三热平衡饱和温度中的最大值，作为最终计算得到的热平衡饱和温度。

其中，处理装置在判断得到热平衡饱和温度比发动机的容许温度低预定温度值以上的情况下，则可以判断冷却系统为可用，否则，判断为不可用。其中预定温度值可以设定为8度。当然，热平衡饱和温度比发动机的容许温度低太多也不适用，因为热平衡饱和温度越低，表示冷却系统的冷却效果越好，但冷却效果太好了也并不是必要的，所以，可以将判断标准定为热平衡饱和温度比发动机的容许温度低8至11度，以节省资源，同时也能够满足发动机的散热要求。一般情况下，热平衡饱和温度比发动机的容许温度低10度最适宜。

计算装置10计算热平衡饱和温度的公式如下：

t_wi＝t_ai+(t_ao-t_ai)/ε          （1）

其中，t_wi为冷却液通过散热器1之前的温度，即热平衡饱和温度，t_ai为冷却空气通过散热器1之前的温度，t_ao为冷却空气通过散热器1之后的温度，ε为散热器1的散热效能。

其中，冷却空气通过散热器1之后的温度可以根据冷却空气吸收散热器1散出的热量、冷却空气质量流量和冷却空气通过散热器1之前的温度计算得到，计算公式如下：

t_ao＝Φ_a/q_ac_a+t_ai          （2）

其中，t_ao为冷却空气通过散热器1之后的温度，Φ_a为冷却空气吸收散热器1散出的热量，c_a为冷却空气的比热容，t_ai为冷却空气通过散热器1之前的温度，q_a＝Q_aρ_a，q_a为冷却空气质量流量，Q_a为冷却液体积流量，ρ_a为冷却空气的密度。其中，t_ai、Φ_a、Q_a为已知的冷却系统参数，ρ_a为公知参数。

冷却液通过散热器1前后的温度差可以根据发动机释放出的热量和冷却液质量流量计算得到，计算公式如下：

Δt_w＝Φ_e/q_wc_w        （3）

其中，Δt_w为冷却液通过散热器1前后的温度差，Φ_e为发动机释放出的热量，c_w为冷却液的比热容，q_w＝Q_wρ_w，q_w为冷却液质量流量，Q_w为冷却液体积流量，ρ_w为冷却液的密度。其中Φ_e为已知发动机参数，Q_w为已知的冷却系统参数，c_w、ρ_w为公知参数。这里，因为

Δt_w＝Φ_w/q_wc_w            （4）

而在达到热平衡后，发动机对冷却系统释放的热量Φ_e、冷却液吸收的热量Φ_w及冷却空气吸收的热量Φ_a三者达到平衡状态，在数值上相等，所以，可以将公式（4）中的Φ_w用Φ_e替换。

由于目前绝大部分工程机械的散热器为板翅式散热器，其流道和冷却形式为交叉流（单程）两侧流体均不混合，所以散热效能计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=1-\exp \left\{\frac{1}{c_r}{\mathrm{NTU}}^{0.22}\right[\exp (-c_r{\mathrm{NTU}}^{0.78})-1\left]\right\}---\left(5\right)$

其中，c_r＝c_a/c_w，c_r为冷却空气与冷却液的热容比，c_a为冷却空气的比热容，c_w为冷却液的比热容，NTU＝kA/q_ac_a，NTU为冷却空气的传热单元数，A为散热器的散热面积，q_a为冷却空气质量流量，k为传热系数。其中，A、q_a、k为已知的冷却系统参数，c_a、c_w为公知参数。k的值与单位面积的冷却空气质量流量一一对应，单位面积的冷却空气质量流量计算公式如下：

Q_a1＝q_a/A₁              （6）

其中，Q_a1为单位面积的冷却空气质量流量，A₁为散热器芯体的迎风面积。A₁为已知的冷却系统参数。根据冷却系统的已知参数，技术人员可以通过Q_a1的值得到对应的k值。

公式（1）中的t_ai为已知的冷却系统参数，t_ao可以由公式（2）计算得到，Δt_w可以由公式（4）计算得到，ε可以由公式（5）计算得到。

为了能够得到发动机处于最大扭矩的情况下的第一至第三热平衡饱和温度，需要知道发动机处于最大功率、发动机处于最大功率计发动机处于额定功率的情况下的冷却液体积流量。

图3是本发明提供的发动机水泵的P-Q曲线。为了得到发动机处于最大功率的冷却液体积流量，可以根据发动机处于最大功率的P-Q曲线与散热器1通水阻力P-Q曲线获得，两条曲线的交点（图3中用B表示）的横坐标即为发动机处于最大功率的冷却液体积流量。其中，发动机处于最大功率的P-Q曲线、发动机处于最大扭矩的P-Q曲线及发动机处于额定功率的P-Q曲线的横坐标Q1表示散热器1中的冷却液的体积流量，纵坐标P1表示冷却液在水泵3的出水口形成的压强。散热器1通水阻力P-Q曲线的横坐标Q1表示散热器1中的冷却液的体积流量，纵坐标P1表示散热器1通水阻力形成的压强。

同理，可以得到发动机处于最大扭矩的冷却液体积流量（即图3中的交点A的横坐标）和发动机处于额定功率的冷却液体积流量（即图3中的交点C的横坐标）。

图4是本发明提供的风扇的P-Q曲线。为了得到冷却空气体积流量，可以根据风扇2的P-Q曲线和散热器1通水阻力P-Q曲线获得，两条曲线的交点（图4中用D表示）的横坐标即为冷却空气体积流量。其中，风扇2的P-Q曲线的横坐标Q2表示冷却空气体积流量，纵坐标P2表示风扇所克服的阻力形成的压强。散热器1通水阻力P-Q曲线的横坐标Q2表示散热器1中的冷却液的体积流量，纵坐标P2表示散热器1通水阻力形成的压强。

相应地，本发明提供了一种挖掘机，包括以上所述的发动机冷却系统评估装置。

图5是本发明提供的发动机冷却系统评估方法的流程图，如图5所示，该冷却系统包括散热器1、风扇2和水泵3，散热器1中的冷却液用于冷却发动机，冷却液在水泵3的作用下由发动机口流入散热器1，在风扇2的作用下，冷却空气流过散热器1，以吸收散热器1散出的热量，该方法包括：接收冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能；根据冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能来计算热平衡饱和温度；然后根据所述热平衡饱和温度和发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用；其中，在热平衡状态下，冷却液通过所述散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。

需要说明的是，本发明提供的发动机冷却系统评估方法的具体细节及益处与本发明提供的发动机冷却系统评估装置相对应，于此不予赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种发动机冷却系统评估方法，该冷却系统包括散热器、风扇和水泵，所述散热器中的冷却液用于冷却发动机，冷却液在水泵的作用下由发动机流入散热器，在风扇的作用下，冷却空气流过所述散热器，以吸收散热器散出的热量，其特征在于，该方法包括：

接收冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能；

根据冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能来计算热平衡饱和温度；以及

根据所述热平衡饱和温度和所述发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用；

其中，在热平衡状态下，冷却液通过所述散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据计算发动机的热平衡饱和温度包括：

分别计算在发动机处于最大扭矩、发动机处于最大功率及发动机处于额定功率的情况下的第一至第三热平衡饱和温度，并将所述第一至第三热平衡饱和温度中的最大值作为所述热平衡饱和温度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据热平衡饱和温度和所述发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用包括：

在所述热平衡饱和温度比发动机的容许温度低预定温度值以上的情况下则判断所述冷却系统可用，否则，判断所述冷却系统不可用。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算发动机的热平衡饱和温度的公式如下：

t_wi＝t_ai+(t_ao-t_ai)/ε

其中，t_wi为冷却液通过所述散热器之前的温度，即热平衡饱和温度，t_ai为所述冷却空气通过散热器之前的温度，t_ao为所述冷却空气通过散热器之后的温度，ε为所述散热器的散热效能。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却空气通过散热器之后的温度根据所述冷却空气吸收散热器散出的热量、冷却空气质量流量和所述冷却空气通过散热器之前的温度计算得到。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷却空气通过散热器之后的温度的计算公式如下：

t_ao＝Φ_a/q_ac_a+t_ai

其中，t_ao为所述冷却空气通过散热器之后的温度，Φ_a为所述冷却空气吸收散热器散出的热量，c_a为所述冷却空气的比热容，t_ai为所述冷却空气通过散热器之前的温度，q_a＝Q_aρ_a，q_a为所述冷却空气质量流量，Q_a为所述冷却液体积流量，ρ_a为冷却空气的密度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述散热器的散热效能计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=1-\exp \left\{\frac{1}{c_r}{\mathrm{NTU}}^{0.22}\right[\exp (-c_r{\mathrm{NTU}}^{0.78})-1\left]\right\}$

其中，c_r＝c_a/c_w，c_r为冷却空气与冷却液的热容比，c_a为所述冷却空气的比热容，c_w为所述冷却液的比热容，NTU＝kA/q_ac_a，NTU为冷却空气的传热单元数，A为散热器的散热面积，q_a为所述冷却空气质量流量，k为传热系数，k的值与单位面积的冷却空气质量流量一一对应，所述单位面积的冷却空气质量流量计算公式如下：

Q_a1＝q_a/A₁

其中，Q_a1为单位面积的冷却空气质量流量，A₁为散热器芯体的迎风面积。

8.一种发动机冷却系统评估装置，该冷却系统包括散热器、风扇和水泵，所述散热器中的冷却液用于冷却发动机，冷却液在水泵的作用下由发动机流入散热器，在风扇的作用下，冷却空气流过所述散热器，以吸收散热器散出的热量，其特征在于，该装置包括：

计算装置，用于根据冷却空气通过散热器之前的温度、冷却空气通过散热器之后的温度和散热器的散热效能来计算热平衡饱和温度；以及

处理装置，用于根据所述热平衡饱和温度和发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用；

其中，在热平衡状态下，冷却液通过所述散热器之前的温度即为热平衡饱和温度。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计算装置分别计算在发动机处于最大扭矩、发动机处于最大功率及发动机处于额定功率的情况下的第一至第三热平衡饱和温度，并将所述第一至第三热平衡饱和温度中的最大值作为所述热平衡饱和温度。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述处理装置根据热平衡饱和温度和发动机的容许温度来判断所述冷却系统是否可用包括：

在所述热平衡饱和温度比发动机的容许温度低预定温度值以上的情况下则判断所述冷却系统可用，否则，判断所述冷却系统不可用。

11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计算装置计算发动机的热平衡饱和温度的公式如下：

t_wi＝t_ai+(t_ao-t_ai)/ε

其中，t_wi为冷却液通过所述散热器之前的温度，即热平衡饱和温度，t_ai为所述冷却空气通过散热器之前的温度，t_ao为所述冷却空气通过散热器之后的温度，ε为所述散热器的散热效能。

12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述冷却空气通过散热器之后的温度根据所述冷却空气吸收散热器散出的热量、冷却空气质量流量和所述冷却空气通过散热器之前的温度计算得到。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述计算装置根据以下公式计算所述冷却空气通过散热器之后的温度：

t_ao＝Φ_a/q_ac_a+t_ai

其中，t_ao为所述冷却空气通过散热器之后的温度，Φ_a为所述冷却空气吸收散热器散出的热量，c_a为所述冷却空气的比热容，t_ai为所述冷却空气通过散热器之前的温度，q_a＝Q_aρ_a，q_a为所述冷却空气质量流量，Q_a为所述冷却液体积流量，ρ_a为冷却空气的密度。

14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述散热器的散热效能计算公式如下：

$\mathrm{\ϵ}=1-\exp \left\{\frac{1}{c_r}{\mathrm{NTU}}^{0.22}\right[\exp (-c_r{\mathrm{NTU}}^{0.78})-1\left]\right\}$

其中，c_r＝c_a/c_w，c_r为冷却空气与冷却液的热容比，c_a为所述冷却空气的比热容，c_w为所述冷却液的比热容，NTU＝kA/q_ac_a，NTU为冷却空气的传热单元数，A为散热器的散热面积，q_a为所述冷却空气质量流量，k为传热系数，k的值与单位面积的冷却空气质量流量一一对应，所述单位面积的冷却空气质量流量计算公式如下：

Q_a1＝q_a/A₁

其中，Q_a1为单位面积的冷却空气质量流量，A₁为散热器芯体的迎风面积。

15.一种挖掘机，其特征在于，包括：

权利要求8至14中任一项权利要求所述的装置。

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