车用发动机台架宽水温控制冷却系统

刘长寿，陆小明，赵建民

(集美大学机械工程学院，福建厦门361021)

车用发动机台架宽水温控制冷却系统

刘长寿，陆小明，赵建民

(集美大学机械工程学院，福建厦门361021)

研制冷却系统，以进行发动机低水温台架试验．以水箱恒温水对汽油机稳定工况大循环冷却系统进行实验，得出冷却水温不变的结论．据此叙述系统主要研制技术和水温控制原理．系统采用旁通阀手动排泄适宜的进箱前冷却水量，用浮球阀自动向箱内补充等排泄量的冷水，使箱内水温稳定，并进行试验与性能分析．结果表明:汽油机在转速4000 r·min－1时各水温控制精度≤0.3℃，满足试验要求．此冷却系统运行可靠，实现在30～97℃之间任一冷却水温控制及节能减排．

车用发动机;冷却系统;台架试验;水温控制

0 引言

为了研究冷却水温对车用发动机性能的影响，需要在冷却水温30～97℃之间的任一设定温度进行特性试验．内燃机台架性能试验方法对发动机性能参数测量精度的规定要求严格，尤其是规定了测试过程中冷却介质的温度测量精度≤2℃［1－2］．对由发动机数控系统测控各性能参数的车用发动机台架而言，冷却水温控制稳定与否，是测试效果优劣的关键．

车用发动机台架冷却系统通常采用电控自动补充冷水的恒温水箱装置与发动机的节温器共同作用，只能保证发动机冷却水温度维持在85℃左右．由于发动机节温器的作用，以带散热片水箱和风扇为主要部件的冷却系统，冷却水的散热效果良好，特别是利用单片机的智能冷却系统［3］，以及采用微控技术控制风扇和水泵转速的冷却系统［4］，已获得美国专利技术的控制内燃机冷却水泵转速的冷却系统［5］，控制冷却水温的实用效果更佳，这些研究或解决了生产过程中发动机过热问题，或改善了发动机的经济性和可靠性，但对水温的控制均仅限于高温范围．即使按文献 ［6］所述的通过提高冷却水流速改进冷却系统，也只是解决了发动机局部过热问题，可对水温的控制也仅限于高温范围．本文在汽油机冷却系统水箱恒温水实验的基础上，研制了一套可宽范围控制冷却水温的车用发动机台架冷却系统，以满足试验对各种水温的要求．

1 研制依据与技术

1.1 水箱恒温水实验

图1为水箱恒温水汽油机稳定工况冷却系统实验示意图．取下发动机节温器，堵住机内小循环水孔，使发动机始终处于大循环冷却;其出水管末端2与水箱等高．

1.1.1 仪器设备

1)丰田8A汽油机，额定功率63 kW，额定转速6000r·min－1，最大扭矩 110N·m(5200 r·min－1)．

2)CW150/6500电涡流测功机，最大吸收功率150 kW，最高转速 6500 r·min－1．

3)FST2C发动机数控系统由电脑操控，恒扭矩控制精度≤0.2 N·m，恒转速控制精度≤5 r·min－1，控制发动机工况，测录进出水温、排气温度、扭矩、转速、环境温度和耗油率等参数．

4)3支Pt100热电偶和3台数显温度仪，分别测量发动机出水管末端水温、自来水温度和出箱水温．

5)LZB－50玻璃转子流量计，测量冷却水总流量，量程400 ～4000L·h－1．

1.1.2 方法与目的

汽油机转速2800 r·min－1、扭矩25 N·m、水箱接通15℃自来水，进行冷却水温稳定性实验，以寻求箱内水温与冷却系统各处水温的关系．实验时间25 min，每过5 min测录进机水温、出机水温、发动机出水管末端水温、出箱水温、自来水温度、环境温度、冷却水流量、转速和扭矩．

1.1.3 结果分析

实验结果见表1．汽油机连续运行25 min，扭矩和转速的控制精度颇高，使冷却水流量的控制精度≤1.2%．在持续运行时间内，环境气温和自来水温度的变化幅度均≤+0.1℃，基本稳定．在整个测试过程中，汽油机冷却水进、出口温度和发动机出水管末端水温的变化幅度均≤0.1℃，出箱水温变化幅度≤+0.1℃．冷却水在发动机进水管流动时温度略有升高，这是因为吸收环境热量;在排水管流动时温度略有下降，这是因为向环境释放热量．因此，汽油机工况稳定时，冷却水流量不变．只要箱内水温不变，冷却系统各处水温就稳定，这为研制车用发动机台架宽水温控制冷却系统提供了水温控制依据．

表1 箱内水温15℃时的冷却水实验数据Tab．1 The data of coolant experiment at 15 ℃ water temperature in tank

1.2 主要技术

发动机台架宽水温控制冷却系统的测试示意图见图2．其主要技术如下．

1)取下发动机的节温器，堵住机内小循环水孔，使发动机始终处于大循环冷却．

2)水箱为铁制品，容积为0.6 m×0.20 m×0.9 m，外表面包装保温材料，形成隔热层;箱盖可打开，盖子设置通大气孔．箱的一个侧壁距箱底10 cm处开设出水孔，另一个侧壁距箱顶5 cm处开设进水孔，两孔分别与发动机的进出水管连接，并安装热电偶7和2．箱内安装电加热器和浮球阀;浮球阀通过侧壁孔与自来水管连接，自来水管安装热电偶5．

3)在发动机出水管道上用三通接头分成二路．其中一路接流量计、再接水箱;另一路接旁通阀，并与水箱高度相距1.8 m．

2 水温控制

2.1 原理

如图2所示，发动机处于大循环冷却，当工况稳定时，假设冷却水流量为Q，进箱冷却水流量为Q1，排泄冷却水量和补充冷水流量均为(Q－Q1)，可使进入水箱的冷却水与冷水混合后的温度等于箱内水温t7．水箱外表有隔热层，其对外散热可忽略不计．根据能量守恒定理可得:

即:

式中:ρ为水的密度;t2为进箱水温;t5为自来水温度．在测试过程中，可通过测量Q、t2、t5和t7的数据值来计算进箱冷却流量Q1值．由实验可知Q、t2、t5和t7不变，因此发动机工况稳定时Q1值不变．

如果令Q1=0，则只能是t7=t5，即水箱全是冷水，此时发动机进水也只能是冷水，而发动机出水温度t1=t5+△t，△t为发动机出、进口水的温差值．因此，发动机最低冷却水温等于补充冷水温度与其冷却水出、进口温差值之和．

2.2 方法

调整与固定水箱的浮球位置，使箱内水位满足要求．发动机稳定工况运行，系统中的冷却水温不断升高，测录发动机冷却水流量Q．当发动机出水温度等于设定温度值时，测录冷却水进箱口2、冷却水出箱口7和补充冷水口5的水温值．利用式 (1)计算进箱冷却水量Q1值之后，打开旁通阀，调节与固定阀门开度，使流量计的读数等于Q1值，此时浮球阀起作用，为维持箱内水位不变，流入等于(Q－Q1)值的冷水流量，使箱内水温不变，从而使发动机出水温度控制稳定．

当发动机调到另一工况点或另一冷却水温点稳定运行时，先测录发动机冷却水流量Q．若其出水温度高于设定温度，则加大旁通阀开度，减少进箱冷却水量，增加流入水箱的冷水流量，使箱内水温下降;若出水温度低于设定温度，则减小旁通阀开度，增加进箱冷却水量，减少流入水箱的冷水流量，还可用电加热器加热，使箱内水温上升;若出水温度等于设定温度，则按上一工况点稳定运行时控制水温的方法，使发动机出水温度稳定．

3 台架试验

3.1 仪器设备

FLA－501废气分析仪用来测量排气成分中的HC、CO、CO2、NO和O2的含量，其他使用仪器设备与1.1.1所述相同．

3.2 项目与方法

1)定工况定水温稳定性试验．即对汽油机转速4000 r·min－1、扭矩79.5 N·m、设定冷却水温60℃进行21 min的测试，每过5 min测录进机水温、出机水温、进箱水温、出箱水温、自来水温度、环境温度、进箱冷却水流量、转速和扭矩．各参数与运行时间对应的试验数据如表2所示．

2)定水温负荷特性试验．即汽油机转速4000 r·min－1的最大扭矩为106 N·m，扭矩分别取10.6 N·m、26.5 N·m、53 N·m、79.5 N·m、90 N·m和106 N·m 6个设定工况点，设定冷却水温为50℃．负荷特性试验部分性能参数与水温对应的试验数据见表3．

3)定工况多水温试验．即对汽油机转速4000 r·min－1、扭矩90 N·m在30℃、45℃、55℃、70℃、85℃和97℃ 6个确定水温点进行测试，试验数据见表4．

表2 60℃冷却水温稳定性试验数据Tab.2 The data of coolant temperature stability test at 60℃

表3 50℃冷却水温的负荷特性试验数据Tab．3 The data of load characteristic test at 50 ℃ coolant temperature

表4 扭矩90 N·m各冷却水温的试验数据Tab．4 The data of each coolant temperature test at 90 N·m torque

4 系统性能分析

4.1 水温稳定性

对于试验项目1)，Q为1840 L·h－1，Q1为1440 L·h－1，且旁通阀开度固定．由表2可知，汽油机连续运行21 min，扭矩和转速的控制精度高，使进箱冷却水流量的控制精度＜1.4%．整个测试过程，汽油机的进、出口水温t8和t1的控制精度均≤+0.8℃，实现了对设定冷却水温60℃的长时间稳定控制．

由表2可发现，1 min之后各冷却水温上升0.4℃，主要是刚打开旁通阀门时，浮球阀开启相对滞后，使冷水补充流量小于冷却水排泄流量所致．一段时间之后，浮球阀自动调节补充冷水量等于排泄量，使箱内水温稳定．各水温出现正偏差主要是流量计和浮球阀开度的误差所致．

由表3和表4可知，各测试水温点的水温控制精度均≤0.3℃．这主要是在试验过程中，各测试点的测试时间均在6 min内，使冷却水温的实测值与设定值之间的偏差受时间影响小．

4.2 可行性

发动机工况稳定，使冷却水流量稳定．一方面，进箱冷却水量无需因发动机冷却水量变化而改变，也就不必及时调整旁通阀，便于浮球阀自动控制冷水流量，保持箱内水温稳定;另一方面，保持发动机出、进水温差值不变，以致冷却水温因箱内水温稳定而不变．对冷却水温可靠控制21 min，足以满足测试所需时间．水箱的隔热效果好，对外散热少，因而忽略水箱对外界散热，而得出式 (1)是可行的．因此，系统控制水温稳定的方法可行．

4.3 经济性与实用性

系统研制费用3600元，是原系统造价的25%，占整个发动机台架总价的1.2%，成本低．在测试过程中，因水温控制稳定，使发动机运行工况良好，既缩短了试验时间，又实现节能减排．在研究水温传感器或冷却水温对发动机性能影响、以及水温特性试验时，需要在各种冷却水温下对发动机进行台架试验，而本系统运行可靠，控制水温范围广且稳定性好，可为这方面研究提供对水温特殊要求的试验．在借用计算流体力学 (CFD)分析发动机冷却系统的工作状况时［7－8］，使用该系统试验可提供准确数据，并能对分析情况进行精确地验证．系统也可用于发动机正常工作水温的试验．因而，拓宽了发动机台架功能．

5 结论

在实验基础上，对车用发动机进行各种冷却水温试验，建立了可宽范围控制水温的冷却系统．经汽油机台架试验证明该系统技术可行，能满足试验要求，并具有以下特点．

1)水温控制稳定，在测试过程中各冷却水温的控制精度≤0.3℃，试验数据精确．

2)实现了在30～97℃之间的任一设定冷却水温控制．

3)该系统可运用于对水温有特殊要求的台架试验，也可用于发动机正常工作水温的试验，拓宽了发动机台架功能．

4)所控制最低冷却水温受补充冷水温度高低和发动机出进水温差大小的限制．

［1］国家标准局．GB1105.3－8内燃机台架性能试验方法—测量技术［S］．北京:中国标准出版社，1987．

［2］《轮机工程手册》编委会．轮机工程手册中册［M］．北京:人民交通出版社，1992:427-464．

［3］郭新民，翟丽，高平，等．汽车发动机智能冷却系统的研究 ［J］．内燃机工程，2001，22(1):15-16．

［4］孙新年，郭新民，杨文霞，等．装载机冷却系统控制装置设计与试验研究［J］．内燃机学报，2008，26(2):188-191．

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

［6］朱建军，郑国璋．465Q汽油机冷却系统的改进 ［J］．内燃机工程，2003，24(3):51-53．

［7］张强，王志明．基于CFD的船用柴油机缸体水套设计 ［J］．内燃机学报，2005，23(6):548-553．

［8］刘巽俊，陈群，李骏，等．车用柴油机冷却系统的CFD分析 ［J］．内燃机学报，2003，21(2):125-129．

(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈扼西)

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

福建省科技创新平台建设项目 (2009H2006)

刘长寿 (1967—)，男，高级实验师，从事内燃机测试研究．