CN114139356B - 一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法 - Google Patents

一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，首先得到柴油机在不同温度不同转速下的阻力矩特性；然后得到起动电机在不同温度不同转速下的起动力矩特性；之后对柴油机阻力矩与起动电机动力矩匹配，并与不同温度下柴油机所需最低起动转速匹配得到起动电机拖动柴油机至最低起动转速的最低温度；最后根据柴油机机油与冷却液参数对低温环境下不同温度柴油机加温锅预热功率进行计算，确定不同温度、不同预热时间下加温锅预热的最小功率。本发明能够实现柴油机起动过程中随环境温度和目标起动时间下自适应调整预热功率，有利于提高柴油机冷启动性能。

Description

一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法
技术领域
本发明涉及柴油机技术领域，具体涉及一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法。
背景技术
我国幅员辽阔，南北温差大，东西海拔差异大，在东北和西藏高寒地区最低温度可低至-43℃。柴油机在低温环境下起动过程中进气温度低，机油粘度大，阻力矩急剧升高，启动电机力矩特性下降，导致柴油机不仅需要较大的启动力矩，而且需要较高的启动转速，造成柴油机冷启动困难。而且低温环境下柴油喷雾自燃也会愈加困难，将导致柴油机冷起动性能变的更差。
对柴油机进行预热，将柴油机内机油和冷却液温度提升，可以有效降低机油粘度，降低柴油机阻力矩，是解决柴油机低温环境下冷启动性能差的重要手段。低温环境下，为满足现代化需求，柴油机需要满足在一定时间内预热至满足启动条件。因此，亟需一种针对柴油机低温环境下不同环境温度和目标起动时间的加温锅预热系统的功率设计，以提高柴油机冷起动性能并具有环境和需求适用性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，能够实现柴油机起动过程中随环境温度和目标起动时间下自适应调整预热功率，有利于提高柴油机冷启动性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，所述方法步骤如下：
步骤一，得到柴油机在不同温度不同转速下的阻力矩特性；
步骤二，得到起动电机在不同温度不同转速下的起动力矩特性；
步骤三，对柴油机阻力矩与起动电机动力矩匹配，并与不同温度下柴油机所需最低起动转速匹配得到起动电机拖动柴油机至最低起动转速的最低温度；
步骤四，根据柴油机机油与冷却液参数对低温环境下不同温度柴油机加温锅预热功率进行计算，确定不同温度、不同预热时间下加温锅预热的最小功率。
进一步地，步骤一中通过柴油机阻力矩计算得到所述阻力矩特性。
进一步地，步骤一中通过柴油机倒拖试验测量得到所述阻力矩特性。
进一步地，步骤二中根据起动电机特性试验得到所述起动力矩特性。
进一步地，所述步骤三中得到最低温度的方法具体为：
步骤301，在同一温度下，起动电机动力矩与柴油机阻力矩的交点即为此温度下启动电机所能拖动柴油机的最大转速；
步骤302，通过不同温度下启动电机拖动柴油机所能达到的最大转速及柴油机不同温度下所需最低起动转速确定启动电机拖动柴油机至柴油机最低起动转速所需的最低温度。
有益效果：
本发明所计算的柴油机加温锅预热功率可随环境温度和目标预热时间的变化而自适应调整加温锅最小预热功率，可有效提升柴油机低温环境下冷启动性能，并且具有环境和需求适应性。
附图说明
图1为本发明设计方法的流程图。
图2为阻力矩特性图。
图3为动力矩特性图。
图4为不同温度下起动最低转速图。
图5为阻力矩和动力矩匹配图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，如图1所示，步骤如下：
步骤一，得到柴油机在不同温度不同转速下的阻力矩特性。
方法一，通过计算求得不同温度不同转速下柴油机阻力矩特性。
在低温条件下，柴油机的平均起动阻力矩计算公式为：
式中，Tc为平均起动阻力矩，T0表示润滑油黏度为v0时的起动阻力矩，发动机零件尺寸有关，Y为与速度有关的常量，v为润滑油黏度。
在柴油机可以正常起动的转速范围内，其起动扭矩Ts由下式表示：
Ts＝Tk+Tj+Tl (2)
式中Tk为气体压缩负功产生的阻力矩，Tj为飞轮转动惯量矩，Tl为摩擦阻力矩。
式中，vh为排量，i为气缸数。
Tl＝5.35×104Aev0.53n0.34 (5)
式中，I为转动惯量，ω为柴油机曲轴角速度，Ae为取决于发动机结构的系数，v为润滑油的运动粘度，n为发动机的起动转速。
对照柴油机粘温特性，得到不同温度下柴油机机油和润滑液粘度。通过计算不同温度下不同转速50r/min、100r/min、200r/min、300r/min和400r/min的柴油机阻力矩来得到阻力矩特性。
方法二，通过柴油机倒拖试验测量不同温度下不同转速50r/min、100r/min、200r/min、300r/min和400r/min的柴油机阻力矩来得到阻力矩特性。阻力矩测量试验在低温发动机实验室进行，通过制冷机组控制环境温度，并且测量柴油机机油和冷却液的温度。使用变频电机倒拖柴油机，在电机和柴油机之间安装扭矩和转速测量仪用来测量柴油机启动过程的转速和阻力矩。阻力矩特性如图2所示。
步骤二，得到起动电机在不同温度不同转速下的起动力矩特性。
柴油机低温起动性能优劣通常用最大起动阻力矩和最小起动转速来衡量。因此要求起动电机起动转矩必须克服柴油机最大起动阻力转矩，同时具有足够的加速度使柴油机在规定时间内达到最低起动转速。通过扭矩和转速测量仪来测量起动电机在不同温度下不同转速的动力矩来得到起动电机动力矩特性。动力矩特性如图3所示。
步骤三，对柴油机阻力矩与起动电机动力矩匹配得到起动电机拖动柴油机至最低起动转速的最低温度。
如图5所示，在同一温度下，起动电机动力矩与柴油机阻力矩的交点则应为此温度下启动电机所能拖动柴油机的最大转速。如图4所示，通过不同温度下启动电机拖动柴油机所能达到的最大转速及柴油机不同温度下所需最低起动转速确定启动电机拖动柴油机至柴油机最低起动转速所需的最低温度。
步骤四，根据柴油机机油与冷却液参数对低温环境下不同温度柴油机加温锅预热功率进行计算确定不同温度、不同预热时间下加温锅预热的最小功率。
在加热过程中，随着机体温度的提高，发动机对外部换热率逐渐增大，当发动机对外部的换热率等于加热功率时，则水温和机体温度达到某平衡温度。因此加热功率越小，用于提升水温和机体温度的热量就小，水温和机体温度上升越慢，平衡温度越低；加热功率越大，水温和机体温度上升就越快，平衡温度越高。当机体平衡温度低于起动要求的最低温度时，发动机就不能起动。因此存在一个最小的加热功率，使之能满足发动机起动性能要求。
根据吸/放热能总量公式
Q＝Vρc(T1-T2) (6)
式中，
Q——吸/放热量，J；
V——物体体积，L；
ρ——物体密度，kg/L；
c——物体比热容，kJ/kg·℃；
T1——物体吸热状态最终温度，℃；
T2——物体吸热状态初始温度，℃。
机油在低温冷启动工况下，机油体积Ve，密度ρe，比热容ce。机油初始温度Te2，机油吸热后目标温度Te1；代入参数计算如下，发动机预热热量需求为Qe。
Qe＝Veρece(Te1-Te2) (7)
冷却液采用50％乙二醇发动机冷却液，Vl为容量，ρl为密度，cl为比热容；Tl2为初始温度；Tl1为目标温度；将相关参数代入计算结果Ql。
Ql＝Vlρlcl(Tl1-Tl2) (8)
同时考虑到柴油机系统内外部的温差较大，存在一定的热辐射导致热量向外界的散失，故加温锅实际总热量需求应略高于计算值Q总。
Q总≥Qe+Ql (9)
根据热能功率与热量关系计算公式：
Q＝P×t (10)
根据上述公式，其中
Q——热能量，J；
P——热功率，J/s；v
t——换热时间即预热时间，s。
将参数值代入公式，加温锅的热功率计算如下：
由此根据得出的加温锅热功率需求P，可选择P以上的燃油加温锅功率。计算不同环境温度下和不同目标起动时间所需最小功率，提高柴油机冷起动性能并满足环境和需求适用性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤一，得到柴油机在不同温度不同转速下的阻力矩特性；
步骤二，得到起动电机在不同温度不同转速下的起动力矩特性；
步骤三，确定起动电机拖动柴油机至最低起动转速的最低温度，具体为：
步骤301，在同一温度下，起动电机动力矩与柴油机阻力矩的交点即为此温度下启动电机所能拖动柴油机的最大转速；
步骤302，通过不同温度下启动电机拖动柴油机所能达到的最大转速及柴油机不同温度下所需最低起动转速确定启动电机拖动柴油机至柴油机最低起动转速所需的最低温度；
步骤四，根据柴油机机油与冷却液参数，并以步骤三所述最低温度为目标温度，对低温环境下不同温度柴油机加温锅预热功率进行计算，确定不同温度、不同预热时间下加温锅预热的最小功率；所述柴油机加温锅预热功率P为：
Qe＝Veρece(Te1-Te2)
Ql＝Vlρlcl(Tl1-Tl2)
其中，Ve为机油体积；ρe为机油密度；ce为机油比热容；Te2为机油初始温度；Te1为机油目标温度；Vl为冷却液容量；ρl为冷却液密度；cl为冷却液比热容；Tl2为冷却液初始温度；Tl1为冷却液目标温度；t为预热时间。
2.如权利要求1所述的具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，其特征在于，步骤一中通过柴油机阻力矩计算得到所述阻力矩特性。
3.如权利要求1所述的具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，其特征在于，步骤一中通过柴油机倒拖试验测量得到所述阻力矩特性。
4.如权利要求2或3所述的具有低温适应性的柴油机加温锅最小预热功率设计方法，其特征在于，步骤二中根据起动电机特性试验得到所述起动力矩特性。
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