CN113898515A - 一种坦克装甲车辆预热加温***及加热方法 - Google Patents

一种坦克装甲车辆预热加温***及加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种坦克装甲车辆预热加温***及加热方法，用于解决现有加温装置及方法无法高效、精确匹配坦克装甲车辆的问题，首先通过发动机出口温升采集点采集冷液却初始温度；通过机油箱润滑油温升采集点采集润滑油初始温度；通过多处发动机缸套温升采集点采集发动机机体温度；采集燃油液体加温装置进油流量采集点的进油量以及回油流量采集点的回油量，通过进、回油量的差值得到燃油液体加温装置单位时间内的燃油消耗量；设定坦克装甲车辆预热加温时间，冷却液目标温度、润滑油目标温度以及发动机机体目标温度；利用边界条件计算燃油液体加温装置的热功率范围；坦克装甲车辆***采用选择的燃油液体加温装置成对坦克装甲车辆的加热。

Description

一种坦克装甲车辆预热加温***及加热方法
技术领域
本发明涉及坦克装甲车辆领域，尤其涉及坦克装甲起动前预热领域。
背景技术
坦克装甲车辆起动性能的快速、可靠，是坦克装甲车辆提出的重要要求之一，它直接关系着车辆的技术准备能力。利用燃油液体加温装置在起动前对冷却液、汽缸活塞组的各个零件、轴承和发动机的其他组件以及传动装置的润滑油进行预热，能有效降低起动阻力并提升燃烧室的温度，提高动力传动装置的起动性能。低温时对于与起动有关的部位进行准确有效的加温对于改善坦克装甲车辆的起动性能有着至关重要的影响。
传统坦克装甲车辆燃油液体加温装置的选型方法按照冷却液总量和经验系数计算所需热功率，此方法缺少对发动机组件、润滑油的预热需求评估以及热量传递过程的分析，会导致所选用加温装置无法高效、精确匹配坦克装甲车辆。选用热功率偏低的加温装置会造成润滑油的粘度增大使活塞、曲轴及其联动机构的运动部件的摩擦阻力大大增加；选用热功率偏高的加温装置会造成油耗量过多、体积过大，无法满足在小动力舱内安装高功率密度部件的需求
结合对坦克装甲车辆实际情况的分析，并根据在前期研究工作中的数据积累基础上，提出了根据坦克装甲车辆起动前冷却液、发动机组件以及传动装置润滑油的预热需求和加温装置的燃油消耗量为边界条件的加温装置选型方法。
发明内容
为了解决现有加温装置及方法无法高效、精确匹配坦克装甲车辆的问题，本发明提供了一种坦克装甲车辆预热加温***及加热方法。具体方案如下：
一种坦克装甲车辆预热加温***，包括加温装置供油箱(1)、燃油液体加温装置(2)、传动箱(3)、发动机(4)、含泵机油箱(5)；所述的加温装置供油箱(1)为燃油液体加温装置(2)运行提供燃油供给并回收未燃烧的燃油，并设置燃油液体加温装置进油流量采集点(2-1)和燃油液体加温装置回油流量采集点(2-2)；所述燃油液体加温装置(2)利用燃油燃烧产生的热量与***中冷却液进行热量交换，驱动加热后的冷却液采用并联方式流经传动箱(3)、发动机(4)、含泵机油箱(5)，最终流回燃油液体加温装置(2)；所述含泵机油箱(5)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油及泵体的加热，含泵机油箱(5)上设置机油箱润滑油温升采集点(5-1)；所述发动机(4)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对缸套的加热，并设置多处发动机缸套温升采集点(4-1)，设置发动机出口温升采集点(4-2)；所述传动箱(3)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油的加热，并设置传动箱润滑油温升采集点(3-1)，其特征在于：所述燃油液体加温装置(2)的热功率由边界条件确定，边界条件具体如下：
Figure BDA0003224808570000021
其中：
G为利用进油流量采集点(2-1)的进油量，以及回油流量采集点(2-2)的回油量的差值得到的燃油液体加温装置(2)单位时间内的燃油消耗量，HUA为燃油基准低热值，η为燃油液体加温装置换热效率；
N为燃油液体加温装置热功率，K为综合散热系数；
C1为冷却液比热，M1为冷却液质量，ΔT1为冷却液温升，ΔT1＝T1目标-T1，T1为发动机出口温升采集点(4-2)采集的冷液却初始温度，T1目标为冷却液目标温度，t为加温时间；
C2为润滑油比热，M2为润滑油质量，ΔT2为润滑油温升，ΔT2＝T2目标-T2，T2为机油箱润滑油温升采集点(5-1)采集的润滑油初始温度，T2目标为润滑油目标温度；
C3为发动机材料比热，M3为发动机质量，ΔT3为发动机机体温升，ΔT3＝T3目标-T3，T3为发动机机体初始温度，即多处发动机缸套温升采集点(4-1)采集的发动机机体温度的均值，T3目标为发动机机体目标温度，R为发动机机体平均温升系数。
一种坦克装甲车辆预热加温方法，基于坦克装甲车辆预热加温***，具体包括以下步骤：
步骤(1)通过发动机出口温升采集点(4-2)采集冷液却初始温度T1；
步骤(2)通过机油箱润滑油温升采集点(5-1)采集润滑油初始温度T2；
步骤(3)通过多处发动机缸套温升采集点(4-1)采集发动机机体温度，其均值作为发动机机体初始温度T3；
步骤(4)采集燃油液体加温装置进油流量采集点(2-1)的进油量，以及回油流量采集点(2-2)的回油量，通过进、回油量的差值得到燃油液体加温装置(2)单位时间内的燃油消耗量G；
步骤(5)设定坦克装甲车辆预热加温时间t，设定冷却液目标温度T1目标、润滑油目标温度T2目标，以及发动机机体目标温度T3目标；
步骤(6)根据步骤(1)-(5)获取的量，利用边界条件计算燃油液体加温装置的热功率范围，并在该范围内选择燃油液体加温装置(2)，所述边界条件具体如下：
Figure BDA0003224808570000031
其中：
G为燃油消耗量，HUA为燃油基准低热值，η为燃油液体加温装置换热效率；
N为燃油液体加温装置热功率，K为综合散热系数；
C1为冷却液比热，M1为冷却液质量，ΔT1为冷却液温升，ΔT1＝T1目标-T1，t为加温时间；
C2为润滑油比热，M2为润滑油质量，ΔT2为润滑油温升，ΔT2＝T2目标-T2；
C3为发动机材料比热，M3为发动机质量，ΔT3为发动机机体温升，ΔT3＝T3目标-T3，R为发动机机体平均温升系数；
步骤(7)坦克装甲车辆***采用步骤(6)选择的燃油液体加温装置(2)完成对坦克装甲车辆的加热。
Figure BDA0003224808570000032
为单位时间内燃油燃烧产生理论最大热功率的数值；燃油燃烧后的热量经过加温装置内部换热器完成与冷却液的热量交换，
Figure BDA0003224808570000033
为单位时间内换热效率为η的加温装置燃油燃烧实际产生的热功率数值，该数值为加温装置在此燃油消耗量条件下能够达到的最大热功率，为热功率选型上限值。
基于热力学公式Q＝CMΔT，
Figure BDA0003224808570000041
为单位时间内冷却液温升所需最小热功率数值；实际加温过程中润滑油温升需要与冷却液进行热交换，同时润滑油处于静止状态，润滑油间只能通过热传导方式进行加热，因此润滑油温升响应速率会低于冷却液，6×10-6t2+0.317t+45.705为以冷却液温升为参照，根据试验数据拟合润滑油加温时间关系式，
Figure BDA0003224808570000042
为单位时间内润滑油温升所需最小热功率数值；发动机缸套通过冷却液加热水套升温，温升响应速率会低于冷却液。-9×10-6t2+0.8862t-5.8864为以冷却液温升为参照，根据试验数据拟合发动机缸套加温时间关系式，
Figure BDA0003224808570000043
为单位时间内发动机缸套平均温升所需最小热功率数值；
Figure BDA0003224808570000044
Figure BDA0003224808570000045
为加温装置能够满足各部件加温需求的最小热功率，为热功率选型下限值。
本发明根据坦克装甲车辆起动前冷却液、发动机组件以及传动装置润滑油的预热需求和加温装置的燃油消耗量为边界条件，输入参数为发动机质量、冷却液质量、润滑液质量、油耗量、温升目标等设计常用参数，可以快速、准确、高效实现坦克装甲车辆加温装置匹配设计。
因此与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于大量研究及试验数据，提出了新的坦克装甲车辆燃油液体加温装置热功率选型的方法，通过选型公式来选择合适型号的燃油液体加温装置，兼顾考虑***匹配加温与降低能耗，提高了设计的智能化、准确化、节能化，有效的简化了选型方法。
2、本发明充分考虑了润滑油、发动机机体的热交换及温升过程，能够直观、准确的计算热交换和热传导过程中的能量交换，同时也考虑到了不均匀温升、静态传导等情况，提高了方法的精确度及可信度。
3、本发明可以扩展应用于不同坦克装甲车辆、不同流体介质、不同加温部件的热量计算及热功率评估，并可根据***原理图展开台架测试，台架连接简便，准确度高，试验安全性较高。
附图说明
图1、本发明的***原理图。
其中，1-加温装置供油箱、2-燃油液体加温装置、3传动箱、4发动机、5含泵机油箱、2-1-燃油液体加温装置进油流量采集点、2-2-燃油液体加温装置回油流量采集点、3-1-机油箱润滑油温升采集点、4-2-发动机出口温升采集点、4-1-发动机缸套温升采集点(多处)、5-1-传动箱润滑油温升采集点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示搭建坦克装甲车辆预热加温***，加温装置供油箱为燃油液体加温装置运行提供燃油供给并回收未燃烧的燃油，并设置燃油液体加温装置进油流量采集点和燃油液体加温装置回油流量采集点，通过采集点差值来计算燃油液体加温装置单位时间内燃油消耗量；燃油液体加温装置利用燃油燃烧产生的热量与***中冷却液进行热量交换，驱动加热后的冷却液采用并联方式流经传动箱、发动机、机油箱(含泵)，最终流回燃油液体加温装置；机油箱(含泵)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油及泵体的加热，并设置机油箱润滑油温升采集点，通过采集点来记录润滑油温度变化及计算润滑油预热需求；发动机通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对缸套的加热，并设置发动机缸套温升采集点(多处)，通过多处采集点均值来记录缸套温度变化及计算发动机组件预热需求，设置发动机出口温升采集点，通过采集点来记录发动机缸套内冷却液温度变化及计算冷却液预热需求；传动箱通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油的加热，并设置传动箱润滑油温升采集点，通过采集点来记录润滑油温度变化及计算润滑油预热需求。
根据坦克装甲车辆起动前冷却液、发动机组件以及传动装置润滑油的预热需求和加温装置的燃油消耗量为边界条件，拟合选型式：
当
Figure BDA0003224808570000051
时，可选用合适热功率的燃油液体加温装置。
其中：
G为燃油消耗量，kg/h；HUA为燃油基准低热值，kJ/kg；η为燃油液体加温装置换热效率，％；
N为燃油液体加温装置热功率，kW；K为综合散热系数；
C1为冷却液比热，kJ/(kg·℃)；M1为冷却液质量，kg；ΔT1为冷却液温升，℃；t为加温时间，s；
C2为润滑油比热，kJ/(kg·℃)；M2为润滑油质量，kg；ΔT2为润滑油温升，℃；由于实际加温过程中润滑油温升需要与冷却液进行热交换，同时润滑油处于静止状态，润滑油间只能通过热传导方式进行加热，因此润滑油温升响应速率会低于冷却液。以冷却液温升为参照，根据试验数据拟合润滑油加温对照关系式6×10-6t2+0.317t+45.705。
C3为发动机材料比热，kJ/(kg·℃)；M3为发动机质量，kg；ΔT3为发动机机体温升，℃；由于发动机传热温度分布不均，增加发动机机体平均温升系数R；发动机机体通过冷却液加热水套升温，温升响应速率会低于冷却液。以冷却液温升为参照，根据试验数据拟合发动机机体加温对照关系式-9×10-6t2+0.8862t-5.8864。
结合附图，本发明***原理图包括燃油液体加温装置、发动机、传动箱、机油箱(含泵)、加温装置供油箱及数据采集点。所述燃油液体加温装置与加温装置供油箱形成闭式供油***，在进、回油处采集单位时间内油液流量差G，所述发动机、传动箱、机油箱(含泵)并联排布，与所述燃油液体加温装置形成闭式水循环***，发动机出水处采集温升ΔT1，发动机缸套多处采集平均温升ΔT3，传动箱、机油箱处采集温升ΔT2。采集发动机质量M3，***冷却液总质量M1，***润滑油总质量M2。
以下进一步具体说明如何利用边界条件确定燃油液体加温装置的热功率。-43℃环境下，为某坦克装甲车辆进行预热升温，利用燃烧燃油对冷却液进行加温，并通过热交换完成对发动机缸套、传动箱和机油箱(含泵)中的润滑油的加温。根据装甲车辆起动需求，需在燃油液体加温装置工作30min内将发动机机体、冷却液加温至65℃，润滑油温度加温至0℃，冷液却初始温度、润滑油初始温度、发动机机体初始温度等于环境温度，其中，冷却液总量为32kg，润滑油总量为55kg，发动机重量为1230kg。同时利用加温装置供油箱液体为加温装置提供燃油供给及回收，经测定，燃油消耗量不大于4.2kg/h。根据上述条件对燃油液体加温装置进行热功率选型。
HUA取值42840kJ/kg，加温装置燃换热效率按90％计算。
Figure BDA0003224808570000071
K取值1.1，冷却液比热3.3kJ/(kg·℃)，发动机机体比热0.47kJ/(kg·℃)，润滑油比热2.09kJ/(kg·℃)，R取值0.6。
Figure BDA0003224808570000072
根据选型公式
Figure BDA0003224808570000073
燃油液体加温装置应选用热功率43±1kW产品，利用该燃油液体加温装置组成的坦克装甲车辆预热加温***能够满足坦克装甲车辆起动前预热工作，同时符合燃油消耗指标。

Claims (5)

1.一种坦克装甲车辆预热加温***，包括加温装置供油箱(1)、燃油液体加温装置(2)、传动箱(3)、发动机(4)、含泵机油箱(5)；所述的加温装置供油箱(1)为燃油液体加温装置(2)运行提供燃油供给并回收未燃烧的燃油，并设置燃油液体加温装置进油流量采集点(2-1)和燃油液体加温装置回油流量采集点(2-2)；所述燃油液体加温装置(2)利用燃油燃烧产生的热量与***中冷却液进行热量交换，驱动加热后的冷却液采用并联方式流经传动箱(3)、发动机(4)、含泵机油箱(5)，最终流回燃油液体加温装置(2)；所述含泵机油箱(5)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油及泵体的加热，含泵机油箱(5)上设置机油箱润滑油温升采集点(5-1)；所述发动机(4)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对缸套的加热，并设置多处发动机缸套温升采集点(4-1)，设置发动机出口温升采集点(4-2)；所述传动箱(3)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油的加热，并设置传动箱润滑油温升采集点(3-1)，其特征在于：所述燃油液体加温装置(2)的热功率由边界条件确定，边界条件具体如下：
Figure FDA0003224808560000011
其中：
G为利用进油流量采集点(2-1)的进油量，以及回油流量采集点(2-2)的回油量的差值得到的燃油液体加温装置(2)单位时间内的燃油消耗量，HUA为燃油基准低热值，η为燃油液体加温装置换热效率；
N为燃油液体加温装置热功率，K为综合散热系数；
C1为冷却液比热，M1为冷却液质量，ΔT1为冷却液温升，ΔT1＝T1目标-T1，T1为发动机出口温升采集点(4-2)采集的冷液却初始温度，T1目标为冷却液目标温度，t为加温时间；
C2为润滑油比热，M2为润滑油质量，ΔT2为润滑油温升，ΔT2＝T2目标-T2，T2为机油箱润滑油温升采集点(5-1)采集的润滑油初始温度，T2目标为润滑油目标温度；
C3为发动机材料比热，M3为发动机质量，ΔT3为发动机机体温升，ΔT3＝T3目标-T3，T3为发动机机体初始温度，即多处发动机缸套温升采集点(4-1)采集的发动机机体温度的均值，T3目标为发动机机体目标温度，R为发动机机体平均温升系数。
2.一种坦克装甲车辆预热加温方法，基于坦克装甲车辆预热加温***，包括加温装置供油箱(1)、燃油液体加温装置(2)、传动箱(3)、发动机(4)、含泵机油箱(5)；所述的加温装置供油箱(1)为燃油液体加温装置(2)运行提供燃油供给并回收未燃烧的燃油，并设置燃油液体加温装置进油流量采集点(2-1)和燃油液体加温装置回油流量采集点(2-2)；所述燃油液体加温装置(2)利用燃油燃烧产生的热量与***中冷却液进行热量交换，驱动加热后的冷却液采用并联方式流经传动箱(3)、发动机(4)、含泵机油箱(5)，最终流回燃油液体加温装置(2)；所述含泵机油箱(5)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油及泵体的加热，含泵机油箱(5)上设置机油箱润滑油温升采集点(5-1)；所述发动机(4)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对缸套的加热，并设置多处发动机缸套温升采集点(4-1)，设置发动机出口温升采集点(4-2)；所述传动箱(3)通过与加热后的冷却液进行热交换，完成对润滑油的加热，并设置传动箱润滑油温升采集点(3-1)，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)通过发动机出口温升采集点(4-2)采集冷液却初始温度T1；
步骤(2)通过机油箱润滑油温升采集点(5-1)采集润滑油初始温度T2；
步骤(3)通过多处发动机缸套温升采集点(4-1)采集发动机机体温度，其均值作为发动机机体初始温度T3；
步骤(4)采集燃油液体加温装置进油流量采集点(2-1)的进油量，以及回油流量采集点(2-2)的回油量，通过进、回油量的差值得到燃油液体加温装置(2)单位时间内的燃油消耗量G；
步骤(5)设定坦克装甲车辆预热加温时间t，设定冷却液目标温度T1目标、润滑油目标温度T2目标，以及发动机机体目标温度T3目标；
步骤(6)根据步骤(1)-(5)获取的量，利用边界条件计算燃油液体加温装置的热功率范围，并在该范围内选择燃油液体加温装置(2)，所述边界条件具体如下：
Figure FDA0003224808560000031
其中：
G为燃油消耗量，HUA为燃油基准低热值，η为燃油液体加温装置换热效率；
N为燃油液体加温装置热功率，K为综合散热系数；
C1为冷却液比热，M1为冷却液质量，ΔT1为冷却液温升，ΔT1＝T1目标-T1，t为加温时间；
C2为润滑油比热，M2为润滑油质量，ΔT2为润滑油温升，ΔT2＝T2目标-T2；
C3为发动机材料比热，M3为发动机质量，ΔT3为发动机机体温升，ΔT3＝T3目标-T3，R为发动机机体平均温升系数；
步骤(7)坦克装甲车辆***采用步骤(6)选择的燃油液体加温装置(2)完成对坦克装甲车辆的加热。
3.根据权利要求2所述的一种坦克装甲车辆预热加温方法，其特征在于：进一步的，设置冷液却初始温度T1等于环境温度。
4.根据权利要求2所述的一种坦克装甲车辆预热加温方法，其特征在于：进一步的，设置润滑油初始温度T2等于环境温度。
5.根据权利要求2所述的一种坦克装甲车辆预热加温方法，其特征在于：进一步的，设置发动机机体初始温度T3等于环境温度。
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