雍安姣，付永宏，張林波，郭建峰

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡測(cè)試臺(tái)架按照所用散熱器來源可分為臺(tái)架散熱器方式[1-2]和整車散熱器方式。臺(tái)架散熱器方式考慮到臺(tái)架的兼容性，其設(shè)計(jì)散熱能力一般都很大，多為水冷設(shè)備，且水路為多個(gè)臺(tái)架或?qū)嶒?yàn)室共用，不易控制。一些企業(yè)或單位考慮到水阻對(duì)熱平衡測(cè)試結(jié)果的影響，以及與整車追求一致性的目的，采用整車散熱器進(jìn)行試驗(yàn)[3-6]，該方法因主要冷卻部件來自于本車，故散熱器采用強(qiáng)制風(fēng)冷方式。對(duì)于臺(tái)架散熱器方式，存在水阻過大、管路熱損失嚴(yán)重、流量不可控、進(jìn)出水溫差小等方面的弊端。整車散熱器方式，在流阻和流量分布上占優(yōu)勢(shì)，但因其依靠風(fēng)量控制溫度，不可避免會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的流場(chǎng)分布，進(jìn)而影響熱量分布和測(cè)試結(jié)果。同時(shí)，整車散熱器方式還存在風(fēng)側(cè)溫度不易測(cè)量的缺點(diǎn)。以上兩種方式，在實(shí)際測(cè)試中均存在測(cè)試誤差大、部分測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)錯(cuò)誤等缺陷。

據(jù)此，利用水冷式熱交換器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)了新的測(cè)試臺(tái)架。發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)可利用PID閥和旁通管路進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的控制[6-7]，另一側(cè)水路可自由控制流量及進(jìn)出口溫差。與常規(guī)測(cè)試方法相比，具有流量分布與整車相當(dāng)、熱損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活和測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過該方法，可使測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著提升。且在此基礎(chǔ)上，研究了不同進(jìn)氣溫度、臺(tái)架風(fēng)機(jī)開啟與否和不同水溫情況下的熱平衡特點(diǎn)。

1 臺(tái)架測(cè)試誤差分析

1.1 熱平衡誤差對(duì)整車水溫仿真的影響

臺(tái)架熱平衡測(cè)試值是整車水溫分析計(jì)算的直接輸入，其精度對(duì)水溫的計(jì)算結(jié)果影響很大。假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到冷卻系統(tǒng)的熱功率從20逐漸增加至24kW，分析其變化對(duì)于散熱器進(jìn)水溫度的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 冷卻系統(tǒng)熱功率變化與散熱器水溫變化關(guān)系

由表可見，冷卻系統(tǒng)熱功率每增加10%即2kW，會(huì)使散熱器進(jìn)水溫度升高近5℃。使用常規(guī)測(cè)試方法，熱功率誤差一般為20%左右，嚴(yán)重影響水溫計(jì)算結(jié)果的可信度。

因此，必須提高臺(tái)架測(cè)試的精度，進(jìn)而提升仿真預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

1.2 傳感器精度與測(cè)試誤差的關(guān)系

對(duì)于同種介質(zhì)，其單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出的熱量為

式中:Cp為被測(cè)液體熱容；M為被測(cè)液體的質(zhì)量流量；ΔT為被測(cè)液體進(jìn)出口溫差。

假設(shè)流量計(jì)誤差為a%；溫度傳感器誤差為d T，K；試驗(yàn)中各數(shù)據(jù)真值為Q＝Cp·M·ΔT，則誤差邊界下的可能測(cè)試值為[8-9]

則被測(cè)液體熱功率誤差百分比為

據(jù)此，常見的幾種傳感器的熱功率誤差與溫差的關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖可見:傳感器精度越高，熱功率誤差越低；同等傳感器精度下，溫差越大，熱功率誤差越低；流量計(jì)精度對(duì)于熱功率誤差影響較??；當(dāng)溫差增大到一定程度時(shí)，增大溫差對(duì)測(cè)試精度的提升收效不大。

溫差對(duì)熱量測(cè)試精度的影響，舉例如下:以流量計(jì)精度1%、溫度傳感器精度0.5K為例，同樣測(cè)試工況下，當(dāng)被測(cè)液體溫差為3℃時(shí)，誤差為34%，若提升液體溫差至15℃，則誤差降為7.6%，將測(cè)試溫差提升至25℃時(shí)，則誤差降至4.96%，完全符合工程數(shù)據(jù)誤差要求。

圖1 流量計(jì)及溫度傳感器精度與熱量測(cè)試精度關(guān)系圖

1.3 提升臺(tái)架測(cè)試精度的措施

基于以上分析，提升測(cè)試精度的有效方法應(yīng)是:在合理的傳感器精度前提下，盡可能地增大被測(cè)液體的進(jìn)出口溫差。常規(guī)測(cè)試方法，因無法調(diào)控臺(tái)架散熱器水流量，溫差一般為2～10℃。即使傳感器精度較高，也存在11%～50%的誤差。對(duì)于工程中常用的中低負(fù)荷，誤差可達(dá)20%以上，無法滿足實(shí)際工程使用需求。

根據(jù)能量守恒原理，散熱器兩側(cè)進(jìn)行熱交換的能量相等。因此，可通過計(jì)算散熱器冷卻水側(cè)的熱量來獲取發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量。通過減小冷卻水流量可達(dá)到增大冷卻水進(jìn)出口溫差的目的，且減小冷卻水流量，對(duì)于熱平衡后的熱交換量和發(fā)動(dòng)機(jī)本身熱量分布毫無影響。另外，即使采用精度較低的傳感器，只要保證足夠的溫差，同樣能獲得較高的測(cè)試精度。所以這是一種新穎且經(jīng)濟(jì)有效的測(cè)試方法。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架搭建

測(cè)試系統(tǒng)原理如圖2所示，測(cè)試臺(tái)架如圖3所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖3 測(cè)試臺(tái)架實(shí)物圖

需要注意的是，熱交換器內(nèi)部含有PID流量控制回路，以便于控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液側(cè)溫度。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

基于以上分析，對(duì)原有臺(tái)架進(jìn)行改造設(shè)計(jì)[10]。并依據(jù)提升精度的措施，進(jìn)行了測(cè)試。由于條件所限，未能在同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行方法對(duì)比。圖4和圖5為兩款發(fā)動(dòng)機(jī)分別采用新舊方法的熱平衡測(cè)試map圖。很明顯，舊方法在中低負(fù)荷區(qū)存在大量趨勢(shì)不合理的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而新方法測(cè)試數(shù)據(jù)趨勢(shì)合理，曲面光滑，符合邏輯，說明新方法在測(cè)試質(zhì)量上獲得了大幅提升。

圖4 使用舊方法測(cè)試的某發(fā)動(dòng)機(jī)熱功率map圖

4 熱平衡關(guān)鍵影響因素研究

圖5 使用新方法測(cè)試的某發(fā)動(dòng)機(jī)熱功率map圖

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程非常復(fù)雜，燃燒狀態(tài)和周邊介質(zhì)狀態(tài)不同，均可導(dǎo)致熱平衡結(jié)果的變化。因此，通過理論公式對(duì)熱平衡進(jìn)行分析意義不大，通常是進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。在臺(tái)架測(cè)試精度大幅提高的情況下，對(duì)一些可控可測(cè)的因素進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證，更能獲取可靠的信息和結(jié)論。對(duì)于熱平衡測(cè)試，較為顯著的影響因素有:環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、臺(tái)架測(cè)試艙內(nèi)的風(fēng)速、控制策略、進(jìn)氣溫度和環(huán)境艙內(nèi)部布局等?？紤]目前發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架設(shè)備的實(shí)際情況，重點(diǎn)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、排氣降溫風(fēng)機(jī)開啟與否和進(jìn)氣溫度3個(gè)因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的影響[9，11]。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)不同水溫對(duì)熱平衡測(cè)試結(jié)果的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫不同，代表著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部液體黏度特性不同、摩擦損失也不同，進(jìn)而導(dǎo)致散熱量也不同。圖6為某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在88和105℃水溫情況下的熱平衡map圖。由圖可見，水溫對(duì)熱平衡測(cè)試結(jié)果有顯著的影響。但不同水溫時(shí)，曲線整體趨勢(shì)一致，低溫狀態(tài)下熱平衡測(cè)試結(jié)果普遍高于高溫狀態(tài)。其原因是105℃是發(fā)動(dòng)機(jī)較理想的工作溫度，摩擦損失和液體黏度均較低，故熱損失較小。

圖6 不同發(fā)動(dòng)機(jī)水溫?zé)崞胶鉁y(cè)試結(jié)果

4.2 臺(tái)架風(fēng)機(jī)開啟與否對(duì)熱平衡測(cè)試結(jié)果的影響

實(shí)際臺(tái)架測(cè)試時(shí)，某些大負(fù)荷工況，必須對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，否則會(huì)導(dǎo)致排氣溫度過高，試驗(yàn)無法進(jìn)行。由于空間限制，發(fā)動(dòng)機(jī)布置趨于緊湊，冷卻風(fēng)多會(huì)直接吹拂到發(fā)動(dòng)機(jī)本體，影響發(fā)動(dòng)機(jī)本體與測(cè)試環(huán)境的對(duì)流換熱量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡測(cè)試。因此，對(duì)某款渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了排氣風(fēng)機(jī)開啟與否的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中，缸體各處風(fēng)速均有差異，平均約3m/s，測(cè)試結(jié)果如圖7所示(為使圖形清晰易辨，僅呈現(xiàn)3組數(shù)據(jù)結(jié)果)。

圖7 臺(tái)架風(fēng)機(jī)開啟與否熱平衡測(cè)試結(jié)果

由圖7可知，開風(fēng)機(jī)后，相同工況下的熱平衡測(cè)試結(jié)果均比不開風(fēng)機(jī)時(shí)約小3kW。該數(shù)值與測(cè)試風(fēng)速有直接關(guān)系。

4.3 不同進(jìn)氣溫度對(duì)熱平衡測(cè)試結(jié)果的影響

不同的進(jìn)氣溫度，會(huì)影響實(shí)際參與燃燒的空氣質(zhì)量，引起發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的改變，進(jìn)而影響實(shí)際的燃油消耗率和熱平衡測(cè)試結(jié)果。因此，對(duì)某渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了進(jìn)氣溫度為43和60℃時(shí)的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同進(jìn)氣溫度熱平衡測(cè)試結(jié)果

由圖可見，進(jìn)氣溫度越高，對(duì)應(yīng)的熱平衡測(cè)試值也越高，但不同溫度時(shí)曲線整體趨勢(shì)一致。由于試驗(yàn)條件所限，僅進(jìn)行了兩個(gè)轉(zhuǎn)速下的試驗(yàn)，數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，還不足以進(jìn)行整體趨勢(shì)的判定。

5 結(jié)論

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)精度對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配至關(guān)重要。通過增大測(cè)試液體進(jìn)出口溫差的方法，可將熱平衡測(cè)試誤差控制在5%以內(nèi)，且該方法經(jīng)濟(jì)有效，可操作性強(qiáng)。對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改型設(shè)計(jì)后，利用該方法得出的試驗(yàn)結(jié)果，測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著提高。

當(dāng)測(cè)試精度較差時(shí)，很多因素的影響往往被大誤差所掩蓋而未能呈現(xiàn)。在測(cè)試精度提升的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、排氣降溫風(fēng)機(jī)開啟與否和進(jìn)氣溫度3個(gè)因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的影響。結(jié)果表明，這3個(gè)因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡測(cè)試結(jié)果均有較大影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫越接近最佳工作溫度范圍，熱損失越小，105℃水溫的熱平衡測(cè)試值低于88℃水溫的熱平衡測(cè)試值；風(fēng)機(jī)吹拂發(fā)動(dòng)機(jī)本體會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)熱量分布，導(dǎo)致熱平衡測(cè)試值降低，開風(fēng)機(jī)后，相同工況下的熱功率值比不開風(fēng)機(jī)時(shí)小3kW左右，該差值大小與吹拂發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的風(fēng)速直接相關(guān)；發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣溫度越高，熱平衡測(cè)試值越大，當(dāng)進(jìn)氣溫度相差約20℃時(shí)，熱平衡測(cè)試值相差約4kW。