某車(chē)用國(guó)Ⅳ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)研究

桂樹(shù)國(guó)，蔣 強(qiáng)，趙 超，劉 星

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系, 合肥 230011;2.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司, 合肥 230022)

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某車(chē)用國(guó)Ⅳ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)研究

桂樹(shù)國(guó)1，蔣 強(qiáng)1，趙 超2，劉 星2

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系, 合肥 230011;2.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司, 合肥 230022)

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后達(dá)到國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的某型國(guó)產(chǎn)2.8 L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)整體性能和相關(guān)零部件的可靠性和穩(wěn)定性，在AVL公司開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了歷時(shí)八天的有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的單個(gè)零部件阻尼特性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗(yàn)、節(jié)溫器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)以及氣蝕試驗(yàn)等，收集整理了試驗(yàn)工況環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)直觀的性能曲線將試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了樣機(jī)性能的最初設(shè)計(jì)指標(biāo)，為發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；臺(tái)架試驗(yàn)

引 言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，為滿足人們生活的需要，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率不斷提高，隨之產(chǎn)生的熱負(fù)荷也越來(lái)越大，冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其主要作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)總是工作在最佳溫度范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)的性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性都有很大影響。汽車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，除要保證發(fā)動(dòng)機(jī)自身正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的冷卻外，還要保證對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓器等容易產(chǎn)生高溫的部件進(jìn)行可靠的冷卻，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)身表面溫度和排氣系統(tǒng)零部件溫度的有效控制，滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。

1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)對(duì)象基本參數(shù)

某型國(guó)產(chǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：型式：高壓共軌直噴、四缸、可變截面增壓中冷、直列；缸徑×沖程：93×102 mm；額定功率：88 kW；額定轉(zhuǎn)速：3600 r/min；最大扭矩：250 N·m；最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速：1800～2800 r/min；壓縮比：17；排量：2.771 L；升功率:31.8 kW/L；排放水平：國(guó)Ⅳ；全負(fù)荷最低燃油消耗:208 g/(kW·h)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與規(guī)格型號(hào)

臺(tái)架控制系統(tǒng)(AVL PUMA)；電渦流測(cè)功機(jī)(DynoRoad 202/12SL)；油耗儀(AVL735)；燃油恒溫(AVL753)；機(jī)油恒溫(AVL554)；水恒溫(AVL553)；巡檢儀(AVL indicom1.5)；水流量測(cè)量?jī)x(LDG-40)；電子秤(Yp2001n)；活塞漏氣量測(cè)量?jī)x(AVL442)；防爆軸流通風(fēng)機(jī)(BT35-11)；水流量傳感器: 0～150 L/min。

1.3 邊界條件

燃料: 0#柴油；潤(rùn)滑油：SG 15W-40；冷卻液：防凍液；進(jìn)氣系統(tǒng)：整車(chē)進(jìn)氣系統(tǒng)；排氣系統(tǒng)： 整車(chē)排氣系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)：整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)。

1.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

節(jié)溫器：雙節(jié)溫器，初開(kāi)溫度82±2 ℃，全開(kāi)溫度92 ℃。水泵性能：在水溫(80±5 ℃)時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速為3000 rpm，流量100 L/min條件下，揚(yáng)程應(yīng)大于6.5 m；水泵轉(zhuǎn)速4000 rpm，流量120 L/min條件下，揚(yáng)程應(yīng)大于12 m。

1.5 主要試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)主要參數(shù)

1.6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 零部件阻尼特性試驗(yàn)

測(cè)量流量與壓力差，以確定各部件壓力降與流量的關(guān)系式。主要的目的是方便在整車(chē)系統(tǒng)條件下，通過(guò)測(cè)量壓力差來(lái)計(jì)算水的流量。由水泵提供水源，水溫為常溫，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制水流量的大小，由流量傳感器測(cè)量系統(tǒng)的流量，壓力傳感器測(cè)量零部件前后的壓力值。流量步長(zhǎng)視零部件的不同而不同，主要以通過(guò)零部件的最大流量為依據(jù)，選擇最佳的步長(zhǎng)，測(cè)量流量與壓力數(shù)據(jù)。通過(guò)零部件的阻尼特性與壓力分布試驗(yàn)，可以得出冷卻系統(tǒng)中暖風(fēng)機(jī)、EGR冷卻器、油冷器部件的流量。部件流量/壓力差測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 部件流量/壓力差測(cè)量示意圖

2.2 穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)布置安裝整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)，按照要求布置壓力傳感器，要求壓力傳感器的測(cè)量的范圍要在測(cè)量參數(shù)的變化范圍相當(dāng)。節(jié)溫器模擬全開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?000 rpm開(kāi)始，以200 rpm為步長(zhǎng)，一直到發(fā)動(dòng)機(jī)最高額定轉(zhuǎn)速，并要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在每個(gè)測(cè)量工況點(diǎn)穩(wěn)定以后再測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.3 節(jié)溫器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)布置安裝整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)，節(jié)溫器處于自然狀態(tài)，在節(jié)溫器處布置溫度傳感器，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500 rpm，測(cè)量?jī)x器監(jiān)控并記錄節(jié)溫器處溫度與散熱器流量數(shù)據(jù)。

2.4 氣蝕試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)布置安裝整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)，試驗(yàn)需要模擬節(jié)溫器，并且節(jié)溫器的開(kāi)度要求大于等于8 mm。冷卻液采用防凍液。向膨脹水壺內(nèi)加壓縮空氣，在通向膨脹水箱壓力處安裝調(diào)節(jié)壓力閥，通過(guò)操作壓力閥來(lái)控制膨脹水箱壓力，膨脹水箱口蓋需要處于常閉的狀態(tài)，泄壓閥工作在正常狀態(tài)。當(dāng)膨脹水箱內(nèi)部壓力達(dá)到要求點(diǎn)，記錄膨脹水箱的壓力和水泵前壓力，并且同時(shí)記錄散熱器的流量。

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，直至發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速和出水溫度，測(cè)量膨脹水箱和水泵前壓力和流量，逐漸增加膨脹水箱壓力，直到散熱器的流量達(dá)到最大流量的100%，記錄全部試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，找出發(fā)動(dòng)機(jī)最大流量的97%的工況點(diǎn)。氣蝕試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 氣蝕試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 零部件阻尼特性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得冷卻系統(tǒng)主要部件阻尼特性為：暖風(fēng)機(jī)y=0.0762x2-0.1124x+0.1527；EGR冷卻器y=0.0358x2- 0.3667x+6.2183；機(jī)油冷卻器y=0.0149x2-0.0344x+2.6481。冷卻系統(tǒng)部件阻尼特性如圖3所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)部件阻尼特性圖

3.2 穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗(yàn)結(jié)果

冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓力分布如圖4所示。由圖4可知，試驗(yàn)測(cè)得水泵最大揚(yáng)程為95.3 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋水套最大壓力損失為77.1 kPa，暖風(fēng)機(jī)最大壓力損失為30.1 kPa，EGR冷卻器最大壓力損失為42.2 kPa，機(jī)油冷卻器最大壓力損失為8.4 kPa，散熱器最大壓力損失為8.5 kPa。

圖4 冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓力分布圖

根據(jù)冷卻系統(tǒng)部件的阻尼特性和壓力損失分布可以計(jì)算出，散熱器最大流量為93.7 L/min，機(jī)油冷卻器最大流量為19.7 L/min，暖風(fēng)機(jī)最大流量為19.8 L/min，EGR冷卻器最大流量為32.1 L/min，最大總流量為145.7 L/min。冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流量分布(虛線為計(jì)算值，實(shí)線為實(shí)測(cè)值)如圖5所示。

圖5 冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)流量分布圖

3.3 節(jié)溫器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在85 ℃時(shí)，初次開(kāi)啟的幅度很小，開(kāi)啟后出水溫度下降；當(dāng)出水溫度再次達(dá)到82 ℃時(shí)，節(jié)溫器第二次開(kāi)啟，節(jié)溫器第二次開(kāi)啟后水溫再次下降；當(dāng)出水度達(dá)到81 ℃時(shí)，節(jié)溫器第三次開(kāi)啟，此時(shí)加大負(fù)荷，使出水溫度持續(xù)升高，到92 ℃時(shí)，節(jié)溫器達(dá)到全開(kāi)。節(jié)溫器動(dòng)態(tài)特性圖如圖6所示。

圖6 節(jié)溫器動(dòng)態(tài)特性圖

3.4 氣蝕試驗(yàn)

出水溫度84 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3600 rpm時(shí)，水泵前壓力為10 kPa，膨脹水壺壓力為33 kPa時(shí)不發(fā)生氣蝕。出水溫度為84 ℃時(shí)，氣蝕特性圖如圖7所示。

圖7 出水溫度為84 ℃時(shí)，氣蝕特性圖

出水溫度100 ℃ ，轉(zhuǎn)速3600 rpm時(shí)，為避免發(fā)生氣蝕，需要的最大膨脹水壺壓力為97.9 kPa。出水溫度為100 ℃時(shí)，氣蝕特性如圖8所示。

圖8 出水溫度為100 ℃時(shí)，氣蝕特性圖

出水溫度110 ℃，轉(zhuǎn)速3600 rpm時(shí)，為避免發(fā)生氣蝕，需要的最大膨脹水壺壓力為109 kPa。出水溫度為110 ℃時(shí)，氣蝕特性如圖9所示。

圖9 出水溫度為110 ℃時(shí)，氣蝕特性圖

4 結(jié)論與建議

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3600 rpm時(shí)，水泵揚(yáng)程為95.3 kPa(約9.53 m)，流量為145.7 L/min；水泵轉(zhuǎn)速為3000 rpm時(shí)，揚(yáng)程為56.8 kPa(約5.68 m)，流量為113.9 L/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)節(jié)溫器開(kāi)啟時(shí)，出水溫度在81～82 ℃之間，當(dāng)出水溫度達(dá)到92 ℃時(shí)，節(jié)溫器已全開(kāi)，滿足設(shè)計(jì)要求(82±2 ℃開(kāi)啟，92 ℃全開(kāi))。

(3)為保證不發(fā)生氣蝕，冷卻系統(tǒng)泄壓閥需定義在110 kPa及以上。

[1] 廖明明,林偉鍵.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)淺析[J].裝備制造技術(shù),2010(4):167-169.

[2] 高朝輝.高壓共軌柴油機(jī)二次預(yù)噴射的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī),2013(3):28-30.

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[7] GB/T18297—2001,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].

[8] QC/T 526-2013,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)定型試驗(yàn)規(guī)程[S].

[9] GB/T12542-2009,汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法[S].

Verification Test Study of the Cooling System of a State IV Vehicle Diesel Engine

GUIShuguo1,JIANGQiang1,ZHAOChao2,LIUXing2

(1.Department of Mechanical Engineering, Anhui Vocational and Technical College, Hefei 230011,China; 2.Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei 230022, China)

In order to verify the reliability and stability of the whole performance and related components of the cooling system of a certain type of domestic 2.8 L diesel engine whether to achieve State-Ⅳ emission standard after optimum design, a test bench developed by AVL is used to make a verification test on the single components of the engine cooling system of the prototype, including damping characteristics test, the pressure distribution test of steady state, thermostat dynamic test and cavitation test, etc. The test has continued on for 8 days, and some relevant test data have been collected and arranged concerning the engine cooling system under the environment of the test condition. Based on the intuitive performance curve, and through the comparison and analysis of the test result and the design parameters, it is very evident for us to verify the original design index of the prototype performance so as to provide reliable basic data for the optimum design of engines.

diesel engine; cooling system; optimum design; bench test

2015-11-11

安徽省教育廳2015年年度省級(jí)質(zhì)量工程教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2015jyxm552);教育部財(cái)政部支持高等職業(yè)學(xué)校提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力項(xiàng)目(教職成廳函[2011]71號(hào));安徽省教育廳2015年度省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015jxtd076)

桂樹(shù)國(guó)(1977-),男,安徽鳳臺(tái)人,副教授,碩士,主要從事自動(dòng)化、機(jī)械加工、CAD/CAE/CAM等方面的研究,(E-mail)azygsg@126.com

1673-1549(2016)01-0020-04

10.11863/j.suse.2016.01.05

U467.2+1

A