劉長壽，陸小明，趙建民

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門361021)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架寬水溫控制冷卻系統(tǒng)

劉長壽，陸小明，趙建民

(集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門361021)

研制冷卻系統(tǒng)，以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)低水溫臺(tái)架試驗(yàn)．以水箱恒溫水對汽油機(jī)穩(wěn)定工況大循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出冷卻水溫不變的結(jié)論．據(jù)此敘述系統(tǒng)主要研制技術(shù)和水溫控制原理．系統(tǒng)采用旁通閥手動(dòng)排泄適宜的進(jìn)箱前冷卻水量，用浮球閥自動(dòng)向箱內(nèi)補(bǔ)充等排泄量的冷水，使箱內(nèi)水溫穩(wěn)定，并進(jìn)行試驗(yàn)與性能分析．結(jié)果表明:汽油機(jī)在轉(zhuǎn)速4000 r·min－1時(shí)各水溫控制精度≤0.3℃，滿足試驗(yàn)要求．此冷卻系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)在30～97℃之間任一冷卻水溫控制及節(jié)能減排．

車用發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻系統(tǒng);臺(tái)架試驗(yàn);水溫控制

0 引言

為了研究冷卻水溫對車用發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，需要在冷卻水溫30～97℃之間的任一設(shè)定溫度進(jìn)行特性試驗(yàn)．內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法對發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)測量精度的規(guī)定要求嚴(yán)格，尤其是規(guī)定了測試過程中冷卻介質(zhì)的溫度測量精度≤2℃［1－2］．對由發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)測控各性能參數(shù)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架而言，冷卻水溫控制穩(wěn)定與否，是測試效果優(yōu)劣的關(guān)鍵．

車用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架冷卻系統(tǒng)通常采用電控自動(dòng)補(bǔ)充冷水的恒溫水箱裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器共同作用，只能保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度維持在85℃左右．由于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器的作用，以帶散熱片水箱和風(fēng)扇為主要部件的冷卻系統(tǒng)，冷卻水的散熱效果良好，特別是利用單片機(jī)的智能冷卻系統(tǒng)［3］，以及采用微控技術(shù)控制風(fēng)扇和水泵轉(zhuǎn)速的冷卻系統(tǒng)［4］，已獲得美國專利技術(shù)的控制內(nèi)燃機(jī)冷卻水泵轉(zhuǎn)速的冷卻系統(tǒng)［5］，控制冷卻水溫的實(shí)用效果更佳，這些研究或解決了生產(chǎn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)過熱問題，或改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，但對水溫的控制均僅限于高溫范圍．即使按文獻(xiàn) ［6］所述的通過提高冷卻水流速改進(jìn)冷卻系統(tǒng)，也只是解決了發(fā)動(dòng)機(jī)局部過熱問題，可對水溫的控制也僅限于高溫范圍．本文在汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)水箱恒溫水實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了一套可寬范圍控制冷卻水溫的車用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架冷卻系統(tǒng)，以滿足試驗(yàn)對各種水溫的要求．

1 研制依據(jù)與技術(shù)

1.1 水箱恒溫水實(shí)驗(yàn)

圖1為水箱恒溫水汽油機(jī)穩(wěn)定工況冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)示意圖．取下發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器，堵住機(jī)內(nèi)小循環(huán)水孔，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于大循環(huán)冷卻;其出水管末端2與水箱等高．

1.1.1 儀器設(shè)備

1)豐田8A汽油機(jī)，額定功率63 kW，額定轉(zhuǎn)速6000r·min－1，最大扭矩 110N·m(5200 r·min－1)．

2)CW150/6500電渦流測功機(jī)，最大吸收功率150 kW，最高轉(zhuǎn)速 6500 r·min－1．

3)FST2C發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由電腦操控，恒扭矩控制精度≤0.2 N·m，恒轉(zhuǎn)速控制精度≤5 r·min－1，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工況，測錄進(jìn)出水溫、排氣溫度、扭矩、轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度和耗油率等參數(shù)．

4)3支Pt100熱電偶和3臺(tái)數(shù)顯溫度儀，分別測量發(fā)動(dòng)機(jī)出水管末端水溫、自來水溫度和出箱水溫．

5)LZB－50玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，測量冷卻水總流量，量程400 ～4000L·h－1．

1.1.2 方法與目的

汽油機(jī)轉(zhuǎn)速2800 r·min－1、扭矩25 N·m、水箱接通15℃自來水，進(jìn)行冷卻水溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，以尋求箱內(nèi)水溫與冷卻系統(tǒng)各處水溫的關(guān)系．實(shí)驗(yàn)時(shí)間25 min，每過5 min測錄進(jìn)機(jī)水溫、出機(jī)水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)出水管末端水溫、出箱水溫、自來水溫度、環(huán)境溫度、冷卻水流量、轉(zhuǎn)速和扭矩．

1.1.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1．汽油機(jī)連續(xù)運(yùn)行25 min，扭矩和轉(zhuǎn)速的控制精度頗高，使冷卻水流量的控制精度≤1.2%．在持續(xù)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，環(huán)境氣溫和自來水溫度的變化幅度均≤+0.1℃，基本穩(wěn)定．在整個(gè)測試過程中，汽油機(jī)冷卻水進(jìn)、出口溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)出水管末端水溫的變化幅度均≤0.1℃，出箱水溫變化幅度≤+0.1℃．冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水管流動(dòng)時(shí)溫度略有升高，這是因?yàn)槲窄h(huán)境熱量;在排水管流動(dòng)時(shí)溫度略有下降，這是因?yàn)橄颦h(huán)境釋放熱量．因此，汽油機(jī)工況穩(wěn)定時(shí)，冷卻水流量不變．只要箱內(nèi)水溫不變，冷卻系統(tǒng)各處水溫就穩(wěn)定，這為研制車用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架寬水溫控制冷卻系統(tǒng)提供了水溫控制依據(jù)．

表1 箱內(nèi)水溫15℃時(shí)的冷卻水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．1 The data of coolant experiment at 15 ℃ water temperature in tank

1.2 主要技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架寬水溫控制冷卻系統(tǒng)的測試示意圖見圖2．其主要技術(shù)如下．

1)取下發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)溫器，堵住機(jī)內(nèi)小循環(huán)水孔，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于大循環(huán)冷卻．

2)水箱為鐵制品，容積為0.6 m×0.20 m×0.9 m，外表面包裝保溫材料，形成隔熱層;箱蓋可打開，蓋子設(shè)置通大氣孔．箱的一個(gè)側(cè)壁距箱底10 cm處開設(shè)出水孔，另一個(gè)側(cè)壁距箱頂5 cm處開設(shè)進(jìn)水孔，兩孔分別與發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出水管連接，并安裝熱電偶7和2．箱內(nèi)安裝電加熱器和浮球閥;浮球閥通過側(cè)壁孔與自來水管連接，自來水管安裝熱電偶5．

3)在發(fā)動(dòng)機(jī)出水管道上用三通接頭分成二路．其中一路接流量計(jì)、再接水箱;另一路接旁通閥，并與水箱高度相距1.8 m．

2 水溫控制

2.1 原理

如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)處于大循環(huán)冷卻，當(dāng)工況穩(wěn)定時(shí)，假設(shè)冷卻水流量為Q，進(jìn)箱冷卻水流量為Q1，排泄冷卻水量和補(bǔ)充冷水流量均為(Q－Q1)，可使進(jìn)入水箱的冷卻水與冷水混合后的溫度等于箱內(nèi)水溫t7．水箱外表有隔熱層，其對外散熱可忽略不計(jì)．根據(jù)能量守恒定理可得:

即:

式中:ρ為水的密度;t2為進(jìn)箱水溫;t5為自來水溫度．在測試過程中，可通過測量Q、t2、t5和t7的數(shù)據(jù)值來計(jì)算進(jìn)箱冷卻流量Q1值．由實(shí)驗(yàn)可知Q、t2、t5和t7不變，因此發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定時(shí)Q1值不變．

如果令Q1=0，則只能是t7=t5，即水箱全是冷水，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水也只能是冷水，而發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度t1=t5+△t，△t為發(fā)動(dòng)機(jī)出、進(jìn)口水的溫差值．因此，發(fā)動(dòng)機(jī)最低冷卻水溫等于補(bǔ)充冷水溫度與其冷卻水出、進(jìn)口溫差值之和．

2.2 方法

調(diào)整與固定水箱的浮球位置，使箱內(nèi)水位滿足要求．發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況運(yùn)行，系統(tǒng)中的冷卻水溫不斷升高，測錄發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流量Q．當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度等于設(shè)定溫度值時(shí)，測錄冷卻水進(jìn)箱口2、冷卻水出箱口7和補(bǔ)充冷水口5的水溫值．利用式 (1)計(jì)算進(jìn)箱冷卻水量Q1值之后，打開旁通閥，調(diào)節(jié)與固定閥門開度，使流量計(jì)的讀數(shù)等于Q1值，此時(shí)浮球閥起作用，為維持箱內(nèi)水位不變，流入等于(Q－Q1)值的冷水流量，使箱內(nèi)水溫不變，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制穩(wěn)定．

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)到另一工況點(diǎn)或另一冷卻水溫點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，先測錄發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流量Q．若其出水溫度高于設(shè)定溫度，則加大旁通閥開度，減少進(jìn)箱冷卻水量，增加流入水箱的冷水流量，使箱內(nèi)水溫下降;若出水溫度低于設(shè)定溫度，則減小旁通閥開度，增加進(jìn)箱冷卻水量，減少流入水箱的冷水流量，還可用電加熱器加熱，使箱內(nèi)水溫上升;若出水溫度等于設(shè)定溫度，則按上一工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)控制水溫的方法，使發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度穩(wěn)定．

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 儀器設(shè)備

FLA－501廢氣分析儀用來測量排氣成分中的HC、CO、CO2、NO和O2的含量，其他使用儀器設(shè)備與1.1.1所述相同．

3.2 項(xiàng)目與方法

1)定工況定水溫穩(wěn)定性試驗(yàn)．即對汽油機(jī)轉(zhuǎn)速4000 r·min－1、扭矩79.5 N·m、設(shè)定冷卻水溫60℃進(jìn)行21 min的測試，每過5 min測錄進(jìn)機(jī)水溫、出機(jī)水溫、進(jìn)箱水溫、出箱水溫、自來水溫度、環(huán)境溫度、進(jìn)箱冷卻水流量、轉(zhuǎn)速和扭矩．各參數(shù)與運(yùn)行時(shí)間對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示．

2)定水溫負(fù)荷特性試驗(yàn)．即汽油機(jī)轉(zhuǎn)速4000 r·min－1的最大扭矩為106 N·m，扭矩分別取10.6 N·m、26.5 N·m、53 N·m、79.5 N·m、90 N·m和106 N·m 6個(gè)設(shè)定工況點(diǎn)，設(shè)定冷卻水溫為50℃．負(fù)荷特性試驗(yàn)部分性能參數(shù)與水溫對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3．

3)定工況多水溫試驗(yàn)．即對汽油機(jī)轉(zhuǎn)速4000 r·min－1、扭矩90 N·m在30℃、45℃、55℃、70℃、85℃和97℃ 6個(gè)確定水溫點(diǎn)進(jìn)行測試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4．

表2 60℃冷卻水溫穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The data of coolant temperature stability test at 60℃

表3 50℃冷卻水溫的負(fù)荷特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．3 The data of load characteristic test at 50 ℃ coolant temperature

表4 扭矩90 N·m各冷卻水溫的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab．4 The data of each coolant temperature test at 90 N·m torque

4 系統(tǒng)性能分析

4.1 水溫穩(wěn)定性

對于試驗(yàn)項(xiàng)目1)，Q為1840 L·h－1，Q1為1440 L·h－1，且旁通閥開度固定．由表2可知，汽油機(jī)連續(xù)運(yùn)行21 min，扭矩和轉(zhuǎn)速的控制精度高，使進(jìn)箱冷卻水流量的控制精度＜1.4%．整個(gè)測試過程，汽油機(jī)的進(jìn)、出口水溫t8和t1的控制精度均≤+0.8℃，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)定冷卻水溫60℃的長時(shí)間穩(wěn)定控制．

由表2可發(fā)現(xiàn)，1 min之后各冷卻水溫上升0.4℃，主要是剛打開旁通閥門時(shí)，浮球閥開啟相對滯后，使冷水補(bǔ)充流量小于冷卻水排泄流量所致．一段時(shí)間之后，浮球閥自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)充冷水量等于排泄量，使箱內(nèi)水溫穩(wěn)定．各水溫出現(xiàn)正偏差主要是流量計(jì)和浮球閥開度的誤差所致．

由表3和表4可知，各測試水溫點(diǎn)的水溫控制精度均≤0.3℃．這主要是在試驗(yàn)過程中，各測試點(diǎn)的測試時(shí)間均在6 min內(nèi)，使冷卻水溫的實(shí)測值與設(shè)定值之間的偏差受時(shí)間影響?。?/p>

4.2 可行性

發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定，使冷卻水流量穩(wěn)定．一方面，進(jìn)箱冷卻水量無需因發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水量變化而改變，也就不必及時(shí)調(diào)整旁通閥，便于浮球閥自動(dòng)控制冷水流量，保持箱內(nèi)水溫穩(wěn)定;另一方面，保持發(fā)動(dòng)機(jī)出、進(jìn)水溫差值不變，以致冷卻水溫因箱內(nèi)水溫穩(wěn)定而不變．對冷卻水溫可靠控制21 min，足以滿足測試所需時(shí)間．水箱的隔熱效果好，對外散熱少，因而忽略水箱對外界散熱，而得出式 (1)是可行的．因此，系統(tǒng)控制水溫穩(wěn)定的方法可行．

4.3 經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性

系統(tǒng)研制費(fèi)用3600元，是原系統(tǒng)造價(jià)的25%，占整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架總價(jià)的1.2%，成本低．在測試過程中，因水溫控制穩(wěn)定，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況良好，既縮短了試驗(yàn)時(shí)間，又實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排．在研究水溫傳感器或冷卻水溫對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響、以及水溫特性試驗(yàn)時(shí)，需要在各種冷卻水溫下對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，而本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，控制水溫范圍廣且穩(wěn)定性好，可為這方面研究提供對水溫特殊要求的試驗(yàn)．在借用計(jì)算流體力學(xué) (CFD)分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的工作狀況時(shí)［7－8］，使用該系統(tǒng)試驗(yàn)可提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并能對分析情況進(jìn)行精確地驗(yàn)證．系統(tǒng)也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作水溫的試驗(yàn)．因而，拓寬了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架功能．

5 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行各種冷卻水溫試驗(yàn)，建立了可寬范圍控制水溫的冷卻系統(tǒng)．經(jīng)汽油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)證明該系統(tǒng)技術(shù)可行，能滿足試驗(yàn)要求，并具有以下特點(diǎn)．

1)水溫控制穩(wěn)定，在測試過程中各冷卻水溫的控制精度≤0.3℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精確．

2)實(shí)現(xiàn)了在30～97℃之間的任一設(shè)定冷卻水溫控制．

3)該系統(tǒng)可運(yùn)用于對水溫有特殊要求的臺(tái)架試驗(yàn)，也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作水溫的試驗(yàn)，拓寬了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架功能．

4)所控制最低冷卻水溫受補(bǔ)充冷水溫度高低和發(fā)動(dòng)機(jī)出進(jìn)水溫差大小的限制．

［1］國家標(biāo)準(zhǔn)局．GB1105.3－8內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)方法—測量技術(shù)［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987．

［2］《輪機(jī)工程手冊》編委會(huì)．輪機(jī)工程手冊中冊［M］．北京:人民交通出版社，1992:427-464．

［3］郭新民，翟麗，高平，等．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的研究 ［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2001，22(1):15-16．

［4］孫新年，郭新民，楊文霞，等．裝載機(jī)冷卻系統(tǒng)控制裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26(2):188-191．

［5］ SUZUKI，MAKOTO．Cooling System and Method for an Internal Combustion Engine:USA:6571752 ［P］．2003－06－03．

［6］朱建軍，鄭國璋．465Q汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn) ［J］．內(nèi)燃機(jī)工程，2003，24(3):51-53．

［7］張強(qiáng)，王志明．基于CFD的船用柴油機(jī)缸體水套設(shè)計(jì) ［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005，23(6):548-553．

［8］劉巽俊，陳群，李駿，等．車用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的CFD分析 ［J］．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2003，21(2):125-129．

(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳扼西)

Cooling System with Wide Coolant Temperatures Control on Vehicle Engine Testing Bench

LIU Chang-shou，LU Xiao-ming，ZHAO Jian-min
(School of Mechanical Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China)

The cooling system was developed to conduct engine bench tests at low coolant temperature．A conclusion was drawn that the temperature of coolant was maintained steady when large cycle cooling system of gasoline engine at stable conditions was experimented with constant temperature coolant in tank．The major technologies developed and coolant temperature control principles were stated here accordingly．Coolant temperature in tank was stabilized by draining manually moderate flow of coolant before feeding back into the tank via a bypass valve and adding automatically to the tank colder coolant equal to the drainage quantity via a float valve．The performances of the system were analyzed after gasoline engine tests．The results indicated that the coolant temperature control accuracy at different points was within 0.3 ℃ at 4000 r·min－1engine speed and thus satis fied the required testing conditions．The system accomplished reliable operation at any controlled coolant temperature between 30℃ and 97℃，while achieved energy saving and emission reduction．

vehicle engine;cooling system;bench test;coolant temperature control

TK417+4

A

1007－7405(2012)04－0281－06

2011－12－09

2012－02－11

福建省科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目 (2009H2006)

劉長壽 (1967—)，男，高級實(shí)驗(yàn)師，從事內(nèi)燃機(jī)測試研究．