一種基于分體冷卻及反向冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻領(lǐng)域，尤其一種基于分體冷卻及反向冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著柴油機(jī)功率密度和缸內(nèi)爆發(fā)壓力的不斷提升，包括缸蓋、缸套等在內(nèi)的受熱零部件熱負(fù)荷不斷增大，其熱失效案例也逐漸增多，而同時(shí)柴油機(jī)節(jié)能減排的方向是大勢(shì)所趨。所以柴油機(jī)的不斷發(fā)展對(duì)其可靠性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能都提出了更嚴(yán)格的要求，因此冷卻系統(tǒng)應(yīng)該為高熱負(fù)荷區(qū)域提供足夠的冷卻強(qiáng)度以保證其熱可靠性，同時(shí)減少熱負(fù)荷區(qū)較低的區(qū)域的冷卻流量以避免冷卻強(qiáng)度的浪費(fèi)，以此提高其燃油經(jīng)濟(jì)性。
[0003]而傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中針對(duì)缸蓋、缸套的冷卻采用一體化水套的方式，冷卻液先進(jìn)入機(jī)體水套冷卻缸套后通過上水孔進(jìn)入缸蓋水套冷卻缸蓋，而由于缸蓋熱負(fù)荷較缸套高，此種冷卻方式不能獨(dú)立調(diào)節(jié)缸蓋和缸套的冷卻強(qiáng)度，因此會(huì)造成缸蓋冷卻不足或缸套過度冷卻現(xiàn)象。而同時(shí)冷卻液先冷卻缸套后再冷卻缸蓋，勢(shì)必造成缸蓋水套冷卻液溫度比缸套水套冷卻液溫度高，這也是不利于缸蓋、缸套冷卻強(qiáng)度的合理調(diào)控的。
[0004]因此，針對(duì)缸蓋、缸套冷卻需求的不同，缸蓋機(jī)體分體冷卻技術(shù)得到了研究:對(duì)缸蓋、機(jī)體分別采用獨(dú)立冷卻回路進(jìn)行分體冷卻可以通過獨(dú)立調(diào)控各冷卻回路流量大小而進(jìn)行“精確冷卻”。研究表明，采用分體冷卻并合理分配冷卻流量可以適當(dāng)降低缸蓋平均溫度并提高缸套平均溫度，降低整機(jī)冷卻液熱耗散量和水套功耗，降低缸套-活塞摩擦系數(shù)從而提升燃油經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)采用分體冷卻可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間，提高排放性能。另一方面，采用反向冷卻技術(shù)可以通過提高關(guān)鍵區(qū)域冷卻強(qiáng)度，降低缸蓋底板火力面熱應(yīng)力，提高受熱零部件熱可靠性。因此，結(jié)合應(yīng)用缸蓋-機(jī)體分體冷卻技術(shù)和反向冷卻技術(shù)，提出一種基于二者的智能冷卻系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能的提升是大有裨益的。
[0005]針對(duì)該新型智能冷卻系統(tǒng)，研究人員需要研究不同負(fù)荷下電子水栗、電子風(fēng)扇和電子節(jié)溫器的控制策略，同時(shí)研究在該冷卻系統(tǒng)中受熱零部件溫度、冷卻液溫度、各支流流量及冷卻液溫度等信號(hào)，以此分析該冷卻系統(tǒng)整體散熱量和水套功耗等。所以，搭建基于分體冷卻和反向冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻試驗(yàn)臺(tái)及提出相應(yīng)的試驗(yàn)方法和標(biāo)定方法，對(duì)研究該冷卻系統(tǒng)性能和冷卻系統(tǒng)附件控制策略是有幫助的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提出一種針對(duì)基于分體冷卻與反向冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)及其試驗(yàn)方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種用于進(jìn)行基于發(fā)動(dòng)機(jī)分體冷卻與反向冷卻的發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，其特征在于包括電控水栗、第一電控三通閥、第二電控三通閥、電控風(fēng)扇、膨脹水箱、缸蓋水套、機(jī)體水套、第一水溫傳感器、第二水溫傳感器、第三水溫傳感器、缸蓋火力面溫度傳感器、缸套火力面溫度傳感器、第一流量傳感器、第二流量傳感器、第三流量傳感器、第四流量傳感器、第一水壓傳感器、第二水壓傳感器、第一電機(jī)、第二電機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架；
[0008]所述的電控水栗和第一電控三通閥布置于缸蓋水套及機(jī)體水套前端，并安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體上，所述的電控水栗安裝在第一電控三通閥的前端;缸蓋、機(jī)體水套后端布有第二電控三通閥，第二電控三通閥安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上，第二電控三通閥的第一出口通過管道直接連接電控水栗，第二出口分為兩個(gè)冷卻液管道，一個(gè)冷卻液管道經(jīng)過散熱器連接電控水栗，另一個(gè)冷卻液管道經(jīng)過膨脹水箱后連接電控水栗，電控風(fēng)扇用于對(duì)散熱器提供強(qiáng)制對(duì)流換熱，第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)電控風(fēng)扇，第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)電控水栗，缸蓋火力面熱電偶布置于缸蓋火力面上，缸套火力面熱電偶布置于缸套火力面上，第一溫度傳感器安裝在缸蓋水套出口，第二溫度傳感器安裝在機(jī)體水套出口，第三溫度傳感器安裝在第二電控節(jié)溫器的入口，第一流量傳感器布置于電控水栗和第一電控三通閥之間，第二流量傳感器和第三流量傳感器分別布置于缸蓋水套及缸套水套入口，第四流量傳感器和第五流量傳感器分別布置于第二電控三通閥第一出口和第二出口，第一水壓傳感器布置于電控水栗和第一電控三通閥之間，第二水壓傳感器布置于第二電控三通閥前端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與所有的傳感器、電控三通閥和電機(jī)相連;發(fā)動(dòng)機(jī)與電渦流測(cè)功機(jī)用彈性聯(lián)軸器相連，發(fā)動(dòng)機(jī)與電渦流測(cè)功機(jī)均安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架。
[0009]在缸蓋水套、機(jī)體水套內(nèi)，冷卻液流動(dòng)方向均為自上而下。缸蓋和機(jī)體采用獨(dú)立的水套進(jìn)行冷卻。第一電控節(jié)溫器的第一出口連接缸蓋水套，第二出口連接機(jī)體水套，缸蓋水套和機(jī)體水套的出水管道匯合于第二電控節(jié)溫器之前。所述的第三溫度傳感器和第二水壓傳感器安裝在缸蓋水套和機(jī)體水套的出水管道匯合點(diǎn)后。
[0010]所述發(fā)動(dòng)機(jī)智能冷卻系統(tǒng)的冷卻流量標(biāo)定試驗(yàn)方法是:
[0011]在柴油機(jī)不同負(fù)荷試驗(yàn)過程中，第二電機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻水栗將冷卻液栗入機(jī)內(nèi)冷卻流道，通過第一電控節(jié)溫器后分別進(jìn)入缸蓋水套及機(jī)體水套中冷卻缸蓋和缸套;冷卻液分別進(jìn)入缸蓋水套和機(jī)體水套后，各自從缸蓋及機(jī)體的上部冷卻液入水口流入，從上至下冷卻受熱零部件后分別從缸蓋和機(jī)體出水口流出，兩路冷卻液交匯于第二電控節(jié)溫器前，通過第二電控節(jié)溫器后分別從第一出口和第二出口流出，進(jìn)入第一出口的冷卻液直接進(jìn)入電控水栗，形成小循環(huán);而進(jìn)入第二出口的冷卻液通過散熱器，由第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子風(fēng)扇為其提供強(qiáng)制水-空對(duì)流換熱，降低冷卻液溫度后，冷卻液進(jìn)入電控冷卻水栗，形成大循環(huán)，當(dāng)?shù)诙娍毓?jié)溫器的第二出口水溫過高導(dǎo)致水壓過高，且高于膨脹水箱水壓時(shí)，冷卻液自動(dòng)流入膨脹水箱進(jìn)行儲(chǔ)水；當(dāng)電控水栗入口水壓低于膨脹水箱水壓，冷卻液自動(dòng)流出膨脹水箱流入電控水栗進(jìn)行補(bǔ)水；
[0012]在柴油機(jī)冷啟動(dòng)過程中，由于缸套升溫比缸蓋慢，故在暖機(jī)剛開始階段，第一電控節(jié)溫器封閉缸套水套入口，冷卻液完全栗入缸蓋水套中，冷卻缸蓋后通過第二電控節(jié)溫器進(jìn)入第一出口，即直接進(jìn)入水栗形成小循環(huán)回路，冷卻液在該回路中不斷受到缸蓋加熱;缸套冷卻液不參與循環(huán)流動(dòng)，待缸套溫度升高到預(yù)設(shè)限值Tb，第一電控節(jié)溫器打開缸套水套入口，缸蓋和機(jī)體水套內(nèi)冷卻液分別冷卻完缸蓋和缸套后匯合于第二電控節(jié)溫器，在冷卻液溫度達(dá)到預(yù)設(shè)限值Tc前，第二電控節(jié)溫器仍舊關(guān)閉第二出口，冷卻液通過水栗形成小循環(huán)回路，冷卻液在該回路中同時(shí)受到缸蓋及缸套加熱;直到冷卻液溫度升高到預(yù)設(shè)限值Tc，第二電控節(jié)溫器開啟第二出口，冷卻液通過散熱器散熱后進(jìn)入水栗，暖機(jī)過程結(jié)束；
[0013]在不同工況的試驗(yàn)過程中，缸蓋火力面熱電偶、缸套火力面熱電偶獲得溫度數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制單元根據(jù)溫度信號(hào)控制第一電子節(jié)溫器的開度，從而調(diào)節(jié)進(jìn)入缸蓋水套和缸套水套中的冷卻液流量;第三溫度傳感器測(cè)得缸蓋水套與機(jī)體水套出水總管冷卻液溫度信號(hào)輸送至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制單元控制第二電子節(jié)溫器的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)入大、小循環(huán)的冷卻液流量；同時(shí)，在確定整機(jī)散熱量需求后，以最小化風(fēng)扇功耗和水栗功耗為目標(biāo)函數(shù)，控制單元根據(jù)整機(jī)熱耗散量控制第一電機(jī)轉(zhuǎn)速控制冷卻風(fēng)扇的冷卻強(qiáng)度，并控制第二電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂齐娍厮踹M(jìn)而調(diào)控進(jìn)入缸蓋水套和機(jī)體水套的冷卻液總流量，在以上過程中對(duì)不同執(zhí)行器進(jìn)行標(biāo)定；
[0014]試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和第三溫度傳感器信號(hào)，分別測(cè)得缸蓋水套出水口水溫、缸套水套出水口水溫和二者匯合后的冷卻液溫度；同時(shí)采集第一流量傳感器、第二流量傳感器、第三流量傳感器、第四流量傳感器、第五流量傳感器信號(hào)，分別測(cè)得整機(jī)水套進(jìn)口流量、缸蓋水套流量、缸套水套流量以及大、小循環(huán)流量等冷卻液流量數(shù)據(jù)，作為試驗(yàn)和標(biāo)定的反饋數(shù)據(jù)；同時(shí)采集第一壓力傳感器和第二壓力傳感器信號(hào)分