环境温度和介质温度对电子水泵最大工作效率影响研究

王柯芸,张事业,严 伟,侯云鹏,张仕成,张 琰

(1.中国计量大学 机电工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江零跑科技股份有限公司,浙江 杭州 310051;3.中国计量大学 艺术与传播学院,浙江 杭州 310018;4.浙江中骐科技有限公司,浙江 杭州 311199)

随着汽车工业的发展,车用电子水泵因其能够精确匹配内燃机工况和车辆运行状态,优化发动机安装空间,延长发动机使用寿命,逐渐取代传统的机械水泵用于汽车冷却循环系统[1-2]。由于流体介质在水泵内部的运动情况十分复杂,难以用准确的数学模型进行描述,必须通过大量的测试来对水泵的性能进行评估,所以水泵的性能测试是水泵研制、开发及生产中不可缺少的一环[3]。

电子水泵由电机直接驱动,而电机的转速由发动机电子控制单元(electronic control unit,ECU)和发动机温度传感器联合控制,发动机温度传感器负责采集冷却液循环回路中冷却液的温度,发动机ECU负责将采集到的温度与发动机的额定工作温度进行对比。当循环温度大于额定工作温度时,发动机ECU会控制电机转速增大,加快冷却液循环,降低发动机的温度;而当循环温度小于额定工作温度时,发动机ECU会控制电机转速降低,减慢冷却液循环,使发动机的温度回升到额定工作温度[4]。但是不同的环境温度与介质温度都可能对电子水泵的工作效率造成影响,发动机ECU如果根据电子水泵的环境温度和介质温度进行综合判断,输出不同的控制信号,应该能在保证冷却循环系统控制效果的基础上降低能耗。

本文将设计一款能够改变介质温度和电子水泵工作环境温度的性能测试台架,探究环境温度和介质温度对电子水泵工作效率的影响,为电子水泵根据环境温度和介质温度综合调整转速提供理论依据。

1 测试内容及硬件设计

1.1 测试内容及原理

常见的水泵性能测试方法有水力学测试法和热力学测试法,前者是直接对水泵的各项参数进行测量,并计算其他的延展参数,后者是通过测量水泵工作过程中引起的外部参数的变化,间接对水泵性能进行测试[5-6]。热力学测试法一般用于工业现场不易拆装的大口径水泵,而电子水泵属于小型电控水泵,所以选用水力学测试法作为系统测试方法[7]。

性能测试要求在规定的转速范围内至少选取四种不同的转速进行试验,在每一种转速下均匀选取不少于6个流量点进行试验,通过试验获得电子水泵的流量Q、扬程H、输出功率Pout和效率η,并绘制对应的Q-H、Q-P和Q-η曲线[8]。其中各项参数的获取方式及计算公式如下。

扬程H为单位重力液体通过泵后获得的机械能[9],定义式为

(1)

式(1)中:P1和P2为水泵进出口的压力,kPa;V1和V2为水泵进出口处的取压口垂直截面处的介质平均流速,m/s;ρ为介质的密度,g/cm3;g为重力加速度,文中取9.8 m/s2;Z2和Z1分别为水泵进出口处的取压口至水泵中心的垂直高度,m。

功率Pin为水泵轴功率,也称水泵输入功率,一般机械水泵通过转速扭矩仪测量水泵的扭矩和转速,并通过转速和扭矩计算得到输入功率,而电子水泵的输入功率可以通过电子水泵正常工作状态下的电压和电流计算得到[10],定义式为

Pin=U×I。

(2)

式(2)中:U为电子水泵的工作电压,V;I为电子水泵的工作电流,A。

功率Pout为水泵输出功率,即水泵工作时,传送液体消耗的有用功功率,定义式为

Pout=ρ×Q×g×H。

(3)

水泵效率为水泵输出功率与水泵轴功率的比值,是反映水泵动力转换利用程度的技术经济指标,以η表示,定义式为

(4)

1.2 硬件设计

电子水泵的性能测试台分为封闭式和开式两种,其中汽蚀试验和密封性试验只能在封闭式测试台上完成[11],考虑到后续可能增加的测试要求,本次的测试台选用封闭式的标准进行设计,测试系统示意图如图1。

注：1—电子水泵;2—环境试验箱;3—测试回路;4—出口压力传感器;5—流量计;6—出口调压阀;7—放气阀;8—安全阀;9—真空压力计;10—通真空泵阀门;11—磁翻板液位计;12—封闭式水罐;13—冷热一体机;14—进水阀;15—放水阀;16—温度传感器;17—电动调节阀;18—进口压力传感器

电子水泵通过测试管道回路与水罐的出口和入口相连,测试管道回路和水罐上布有流量计、压力传感器、温度传感器等测量元件。电子水泵置于环境试验箱内,可以控制电子水泵工作时的环境温度在-40～125 ℃之间变换,水罐与加热制冷一体机相连,可以控制水罐内的介质温度在-20～150 ℃之间变换。

流量计选用测试范围为180～10 000 L/h的涡轮流量计,管路水平安装,保证流量计进口管道与出口管道至少20∶5的长度比例[12];压力传感器的测量范围为-1～500 kPa,保证测量精度为1 kPa,并且能在-40～125 ℃的环境中工作;温度传感器采用热电阻温度传感器,测量范围为-50～150 ℃,保证测量精度为0.1 ℃;电动调节阀的控制范围为0～3 000 L/h,保证控制精度为50 L/h。四种电子设备都输出4～20 mA的标准电流信号,通过NI-9208采集卡采集到上位机进行数据处理和显示。

2 软件设计

2.1 LabVIEW特点及优势

本次系统采用LabVIEW进行软件编程设计,LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境,广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,能够很好地实现数据采集和仪器控制[13]。LabVIEW集成了RS-485、RS-232、GPIB和VXI等协议的硬件及数据采集卡通信功能,可以方便高效地实现与其他很多编程语言的交互设计,是一个功能强大且灵活的软件[14-15]。

2.2 系统界面开发

上位机系统包括手动控制界面和自动控制界面,整体系统的设计采用模块化、分层设计的理念,在界面简洁的基础上保证控制界面功能齐全,并留有备用空间便于系统的功能扩展和开发。其主要的功能如图2,包含以下几点:

图2 水泵测试系统功能图

1)上位机通过工业标准(object linking and embedding for process control,OPC)第三方软件通信控制加热制冷一体机,传输控制协议(transmission control protocol,TCP)/网际协议(internet protocol,IP)控制环境试验箱,模拟量控制电动调节阀,局域互联网络(local interconnect network,LIN)总线控制电子水泵,进行测试参数的调整。

2)上位机通过数据采集卡采集温度传感器、压力传感器等电子元器件的输出信号,实时显示在测试系统的显示界面上。

3)上位机对采集到的数据进行分析处理,将处理后的数据显示在操作界面上,并绘制对应的曲线。

4)储存电子水泵测试过程中的测试数据和图像,并可以以EXECL的形式输出。

手动控制界面如图3,操作人员可以在手动控制界面控制加热制冷一体机和环境试验箱的开关与工作温度。加热制冷一体机启动时一体机开机按钮旁的指示灯变绿,环境试验箱启动时设置旁的指示灯变绿,帮助操作人员判断加热制冷一体机与环境试验箱是否启动。

图3 手动控制界面图

自动控制界面如图4,操作人员可以在测试开始前在通讯方式选择栏设置上位机发送给电子水泵的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWN)信号的频率及占空比,通过控制PWN信号的频率和占空比来控制电子水泵的转速,其中占空比为在一个脉冲循环内,通电时间相对于总时间所占的比例;在工位手自动切换栏调整测试配方中的流量点、测试电压和测试允许误差;在罐体手自动切换栏中调整测试配方中的介质温度和持续时间。所有的设置完成后点击工位手自动切换栏中的开始测试按钮,测试系统将根据测试配方自动调整电动调节阀开度,采集电子水泵在指定流量点工作时的参数并在曲线显示栏的表格中进行记录,测试结束后可以切换到曲线显示界面,系统将自动绘制性能曲线。

图4 自动控制界面图

3 数据采集及分析

本文为了对环境温度、介质温度单独对电子水泵工作效率的影响和两者共同作用对电子水泵工作效率的影响进行探究,设计了3组测试,分别为保持介质温度不变,观察环境温度变化对电子水泵工作效率的影响;保持环境温度不变,观察介质温度变化对电子水泵工作效率的影响;观察环境温度和介质温度共同变化对电子水泵工作效率的影响。本文中所用的介质为水。

3.1 环境温度对电子水泵工作效率影响分析

为了探究环境温度对电子水泵工作效率的影响,通过加热制冷一体机将水罐内的介质温度控制在90 ℃,调整环境试验箱内的温度,分为10 ℃、30 ℃和50 ℃ 3个阶段;在每个阶段都对电子水泵在四种不同转速下工作的性能参数进行采集,发送给电子水泵的PWN信号频率为100 Hz,占空比分别为60%、70%、80%和90%。

在环境试验箱内的温度达到设定温度后,上位机向电子水泵发送占空比为60%的PWN信号启动电子水泵,使电子水泵在环境试验箱内工作1 h。电子水泵工作1 h后上位机根据操作员输入的待测流量点来控制电动调节阀的阀开度,采集指定流量点电子水泵的性能参数,采集完成后上位机向电子水泵发送占空比为70%的PWN信号,重复上述的测试过程,在采集完成电子水泵在四种不同占空比的PWN信号下工作的性能参数后,电子水泵停止工作,等待环境试验箱内的温度到达下一阶段后重复上述测试流程。

图5为介质温度为90 ℃,环境温度分别为10 ℃、30 ℃和50 ℃时电子水泵在四种不同转速下的Q-η曲线,图中的ET为环境温度,WT为介质温度,从图中可以看出,在不同转速和环境温度下电子水泵的Q-η曲线都随流量的增大呈现先上升后下降的趋势,符合电子水泵Q-η曲线的一般规律,电子水泵在4种不同转速下能达到的最大工作效率都随环境温度的上升而下降。

图5 介质温度为90 ℃时不同环境温度下的Q-η曲线

3.2 介质温度对电子水泵工作效率影响分析

为了探究介质温度对电子水泵工作效率的影响,调整环境试验箱将电子水泵工作时的环境温度控制在30 ℃,通过加热制冷一体机控制介质温度,分为50 ℃、70 ℃和90 ℃ 3个阶段,在每个阶段都对电子水泵在四种不同转速下的性能参数进行采集,发送给电子水泵的PWN信号频率为100 Hz,占空比分别为60%、70%、80%和90%。

在水罐内的介质温度达到设定温度后,上位机向电子水泵发送占空比为60%的PWN信号启动电子水泵,使电子水泵在环境试验箱内工作1 h。电子水泵工作1 h后上位机根据操作员输入的待测流量点来控制电动调节阀的阀开度,采集指定流量点电子水泵的性能参数,采集完成后上位机向电子水泵发送占空比为70%的PWN信号,重复上述的测试过程,在采集完成电子水泵在4种不同占空比的PWN信号下工作的性能参数后,电子水泵停止工作,等待水罐内的介质温度到达下一阶段后重复上述测试流程。

图6为环境温度为30 ℃,介质温度分别为50 ℃、70 ℃和90 ℃时电子水泵在4种不同转速下的Q-η曲线,从图中可以看出,在不同转速和介质温度下的电子水泵的Q-η曲线都随流量的增大呈现先上升后下降的趋势,符合电子水泵Q-η曲线的一般规律,电子水泵在4种不同转速下能达到的最大工作效率都随介质温度的上升而下降。

图6 环境温度为30 ℃时不同介质温度下的Q-η曲线

3.3 介质温度和环境温度共同作用对电子水泵工作效率影响分析

为了探究介质温度和环境温度共同作用对电子水泵工作效率的影响,通过加热制冷一体机控制介质温度,分为50 ℃、70 ℃和90 ℃ 3个阶段;通过环境试验箱控制环境温度,分为10 ℃、30 ℃和50 ℃ 3个阶段。使用上文所述的电子水泵性能参数采集方式,采集介质温度为70 ℃,环境温度分别为10 ℃、30 ℃和50 ℃时电子水泵在4种不同转速下的性能参数和介质温度为50 ℃,环境温度分别为10 ℃、30 ℃和50 ℃时电子水泵在4种不同转速下的性能参数。

图7为介质温度为70 ℃,环境温度分别为10 ℃、30 ℃和50 ℃时电子水泵在4种不同转速下的Q-η曲线,从图中可以看出,电子水泵在4种不同转速下的Q-η曲线都符合一般规律,随流量的增大先上升后下降,电子水泵在四种不同转速下能达到的最大工作效率都随环境温度的上升而下降,与介质温度为90 ℃时电子水泵的最大工作效率随环境温度变化的规律相同。

图8为介质温度为50 ℃,环境温度分别为10 ℃、30 ℃和50 ℃时电子水泵在四种不同转速下的Q-η曲线,从图中可以看出,电子水泵在4种不同转速下的Q-η曲线都符合一般规律,随流量的增大先上升后下降,但电子水泵在4种不同转速下能达到的最大工作效率随环境温度的上升先上升后下降,这与介质温度为90 ℃和70 ℃时电子水泵的最大工作效率随环境温度变化的规律不同。

结合图6、图7和图8,可以发现介质温度和环境温度对电子水泵的最大工作效率的影响存在交互作用,两者之间存在一种特定的关系共同作用于电子水泵,将两者的共同作用量化为一个具体的值MT,则MT存在一个临界值,在达到临界值前电子水泵的最大工作效率会随着MT的上升而上升,超过临界值后,电子水泵的最大工作效率就会反而下降。

图7 介质温度为70 ℃时不同环境温度下的Q-η曲线

图8 介质温度为50 ℃时不同环境温度下的Q-η曲线

产生这种现象,可能与环境温度和介质温度都会对介质的物理性质产生影响有关[16-17]。从式(4)来看,电子水泵的最大工作效率在U、I、g、H不变的情况下与介质的密度ρ和测试回路中的流量Q有关系,本次实验中采用的介质为水,水的密度在高于4 ℃时会随着温度的上升而下降,回路中的流量大小与水的黏度有关,水的温度越高,黏度越低,测试回路中的流量就越大。水的密度和黏度变化对电子水泵最大工作效率产生影响的比重不同,一旦温度超过某个临界值后水的密度减小对电子水泵最大工作效率产生的负面影响超过水的黏度减小对电子水泵最大工作效率产生的正面影响,使得电子水泵的最大工作效率随温度的上升而下降。

从本次实验的角度来进行分析,随着环境温度的上升,介质由于换热而损失的热量减少,介质的实际温度变高。在介质温度为90 ℃和70 ℃时,介质的实际温度超过了临界值,温度的上升对电子水泵的最大工作效率产生负面影响;而当介质温度只有50 ℃时,介质的实际温度在随环境温度的上升而上升的过程中超越了临界值,使得电子水泵的最大工作效率随环境温度的上升先上升后下降。

4 结 语

为了探究环境温度和介质温度对电子水泵工作效率的影响,本文设计了一种能够控制测试回路中介质温度和电子水泵工作环境温度的电子水泵性能测试系统,进行了测试系统的平台搭建和软件设计,并在测试系统完成后对电子水泵在不同环境温度和介质温度下的工作效率进行了测试。根据测试所得的Q-η曲线发现在介质温度为90 ℃和70 ℃时,电子水泵的最大工作效率会随环境温度的上升而下降,而在介质温度为50 ℃时,电子水泵的最大工作效率会随环境温度的上升先上升后下降。说明介质温度和环境温度都对电子水泵的最大工作效率存在影响,且两者对电子水泵的最大工作效率造成的影响存在交互作用,不同介质温度下环境温度的变化对电子水泵最大工作效率的影响不一定相同。

电子水泵的最大工作效率会在介质温度和环境温度的共同作用下先上升后下降,但是根据本文所进行的实验还不能对介质温度和环境温度对电子水泵的工作效率造成的影响进行量化,需要后续进行更多的实验。