桂樹國，蔣 強，趙 超，劉 星

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

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某車用國Ⅳ柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)驗證試驗研究

桂樹國1，蔣 強1，趙 超2，劉 星2

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

為了驗證優(yōu)化設(shè)計后達(dá)到國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的某型國產(chǎn)2.8 L柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)整體性能和相關(guān)零部件的可靠性和穩(wěn)定性，在AVL公司開發(fā)的試驗臺架上對樣機進(jìn)行了歷時八天的有關(guān)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的單個零部件阻尼特性試驗、穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗、節(jié)溫器動態(tài)試驗以及氣蝕試驗等，收集整理了試驗工況環(huán)境下的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過直觀的性能曲線將試驗結(jié)果和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了對比分析，驗證了樣機性能的最初設(shè)計指標(biāo)，為發(fā)動機優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

柴油發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；臺架試驗

引 言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，為滿足人們生活的需要，車用發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率不斷提高，隨之產(chǎn)生的熱負(fù)荷也越來越大，冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動機的重要組成部分，其主要作用是使發(fā)動機總是工作在最佳溫度范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)的性能對發(fā)動機的動力性、耐久性、經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性都有很大影響。汽車柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計時，除要保證發(fā)動機自身正常穩(wěn)定運行時的冷卻外，還要保證對發(fā)動機的增壓器等容易產(chǎn)生高溫的部件進(jìn)行可靠的冷卻，實現(xiàn)對發(fā)動機的機身表面溫度和排氣系統(tǒng)零部件溫度的有效控制，滿足整個系統(tǒng)的要求。

1 試驗前準(zhǔn)備

1.1 試驗對象基本參數(shù)

某型國產(chǎn)柴油發(fā)動機主要技術(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Ⅳ；全負(fù)荷最低燃油消耗:208 g/(kW·h)。

1.2 實驗設(shè)備與規(guī)格型號

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

1.3 邊界條件

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

1.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求

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

1.5 主要試驗參數(shù)

試驗主要參數(shù)見表1。

表1 試驗主要參數(shù)

1.6 試驗現(xiàn)場布置圖

試驗現(xiàn)場布置圖如圖1所示。

圖1 試驗現(xiàn)場布置圖

2 試驗方案及方法

2.1 零部件阻尼特性試驗

測量流量與壓力差，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系統(tǒng)條件下，通過測量壓力差來計算水的流量。由水泵提供水源，水溫為常溫，通過調(diào)節(jié)閥控制水流量的大小，由流量傳感器測量系統(tǒng)的流量，壓力傳感器測量零部件前后的壓力值。流量步長視零部件的不同而不同，主要以通過零部件的最大流量為依據(jù)，選擇最佳的步長，測量流量與壓力數(shù)據(jù)。通過零部件的阻尼特性與壓力分布試驗，可以得出冷卻系統(tǒng)中暖風(fēng)機、EGR冷卻器、油冷器部件的流量。部件流量/壓力差測量示意圖如圖2所示。

圖2 部件流量/壓力差測量示意圖

2.2 穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗

發(fā)動機布置安裝整車?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量的范圍要在測量參數(shù)的變化范圍相當(dāng)。節(jié)溫器模擬全開，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1000 rpm開始，以200 rpm為步長，一直到發(fā)動機最高額定轉(zhuǎn)速，并要求發(fā)動機轉(zhuǎn)速在每個測量工況點穩(wěn)定以后再測量數(shù)據(jù)。

2.3 節(jié)溫器動態(tài)試驗

發(fā)動機布置安裝整車?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，啟動發(fā)動機并將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500 rpm，測量儀器監(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

發(fā)動機布置安裝整車?yán)鋮s系統(tǒng)，試驗需要模擬節(jié)溫器，并且節(jié)溫器的開度要求大于等于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，通過操作壓力閥來控制膨脹水箱壓力，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，記錄膨脹水箱的壓力和水泵前壓力，并且同時記錄散熱器的流量。

起動發(fā)動機，直至發(fā)動機達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速和出水溫度，測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%，記錄全部試驗測量數(shù)據(jù)，找出發(fā)動機最大流量的97%的工況點。氣蝕試驗工況見表2。

表2 氣蝕試驗工況

3 試驗結(jié)果分析

3.1 零部件阻尼特性試驗結(jié)果

試驗測得冷卻系統(tǒng)主要部件阻尼特性為：暖風(fēng)機y=0.0762x2-0.1124x+0.1527；EGR冷卻器y=0.0358x2- 0.3667x+6.2183；機油冷卻器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，試驗測得水泵最大揚程為95.3 kPa，發(fā)動機缸體缸蓋水套最大壓力損失為77.1 kPa，暖風(fēng)機最大壓力損失為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算出，散熱器最大流量為93.7 L/min，機油冷卻器最大流量為19.7 L/min，暖風(fēng)機最大流量為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(虛線為計算值，實線為實測值)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)溫器動態(tài)試驗結(jié)果

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

圖6 節(jié)溫器動態(tài)特性圖

3.4 氣蝕試驗

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

圖7 出水溫度為84 ℃時，氣蝕特性圖

出水溫度100 ℃ ，轉(zhuǎn)速3600 rpm時，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，氣蝕特性如圖8所示。

圖8 出水溫度為100 ℃時，氣蝕特性圖

出水溫度110 ℃，轉(zhuǎn)速3600 rpm時，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，氣蝕特性如圖9所示。

圖9 出水溫度為110 ℃時，氣蝕特性圖

4 結(jié)論與建議

(1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速3600 rpm時，水泵揚程為95.3 kPa(約9.53 m)，流量為145.7 L/min；水泵轉(zhuǎn)速為3000 rpm時，揚程為56.8 kPa(約5.68 m)，流量為113.9 L/min，滿足設(shè)計要求。

(2)發(fā)動機機運行時，當(dāng)節(jié)溫器開啟時，出水溫度在81～82 ℃之間，當(dāng)出水溫度達(dá)到92 ℃時，節(jié)溫器已全開，滿足設(shè)計要求(82±2 ℃開啟，92 ℃全開)。

(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)動機臺架試驗淺析[J].裝備制造技術(shù),2010(4):167-169.

[2] 高朝輝.高壓共軌柴油機二次預(yù)噴射的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機,2013(3):28-30.

[3] 韓曉峰,路榮榮,王海寧,等.某歐Ⅳ柴油發(fā)動機EGR冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].內(nèi)燃機與動力裝置,2012(5):27-29.

[4] 左利忠,曹宇,鞠海平,等.對車用柴油機國IV以上技術(shù)路線的思考[J].汽車工程師,2011(10):23-25.

[5] 黃海燕.汽車發(fā)動機試驗學(xué)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[6] GB/T19055—2003,汽車發(fā)動機可靠性試驗方法[S].

[7] GB/T18297—2001,汽車發(fā)動機性能試驗方法[S].

[8] QC/T 526-2013,汽車發(fā)動機定型試驗規(guī)程[S].

[9] GB/T12542-2009,汽車熱平衡能力道路試驗方法[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年年度省級質(zhì)量工程教學(xué)研究重點項目(2015jyxm552);教育部財政部支持高等職業(yè)學(xué)校提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力項目(教職成廳函[2011]71號);安徽省教育廳2015年度省級質(zhì)量工程項目(2015jxtd076)

桂樹國(1977-),男,安徽鳳臺人,副教授,碩士,主要從事自動化、機械加工、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