发动机台架进气空调设备选型设计问题研究.docx

杜雅娟 高一鹏王志东：发动机台架进气空调设备选型设计问题研究11发动机台架进气空调设备选型设计问题研究study of intake air condition system for en酉ne test ce 杜雅娟高一鹏王志东 (北京汽车动力总成有限公司)(摘要发动机进气调节装置(简称进气空调)是发动机试验室的重要组成部分，它按要 求调节空气输出的压力、温度和湿度，为发动机试验提供标准的进气条件，减少环境干扰和试验 误差。本文对进气空调设备工作原理进行描述，列举五种试验标准所对应的的进气条件，并针对 四种不同型号发动机的进气量进行计算，针对北京地区某汽车企业试验室配套进气空调项目实施情况进行总结。 关键词发动机台架试验进气空调abstract： intake air condition system is just an imponant pan of engine test ceuthis system is an engine intake air conditioning system，which is used to satisfy the air condition for automatic measure or controlin en矛ne bench test，possessing the function of maintaining constant temperature，constant hu。 midity，constant pressure and adjusting now rate the air parameter such as tempemture， humidity， pressure and flow rate can be set according to the test requirement in this paper，it summarized the pro- ject implementation of the intake air conditioning p11。jects based on dif亿rent kind of engine test cellskey words：engine test ceutest intake air condition1前言 21发动机参数 在各类发动机试验过程中，必须排除地区、季 在进气空调流量选型主要根据发动机参数而确节和气候差异对试验结果的影响，确保试验结果的 定，本文根据工程经验，提供几组较典型发动机参 精确性、同一性、可比性，并缩短研发周期【l j。 数供下文探讨。 为了对试验环境和发动机燃烧空气的参数进行控某汽油发动机试验室的试验对象：转速： 制，发动机试验室必须设置发动机进气调节装置 7500rmin；功率：300kw；扭矩：500nm。 (简称进气空调)。其主要功能为：按照试验需求 本文以表1的发动机参数为例，进行配套进气空调 调节空气输出的压力、温度和湿度，减少由于大气 设计计算。环境条件差异而造成的试验误差。表1发动机参数输出功率 排量 输出扭矩 最大转速通常情况下，进气空调设备选型设计时主要考序号 (kw)(l) (nm)(rmin) 冲程数 增压比虑四个控制参数：温度、湿度、压力、流量。其中18015160 60()o 4 自然吸气2 18023350 5300 4 2o前三个参数主要根据试验标准和依据而进行控制，3 12518230 6000 4 2o而流量则与发动机型号有密切关系。本文针对北京4300 4450 60004地区某汽车企业发动机试验室配套进气空调项目为22一般发动机试验室可开展的试验项目 例，研究进气空调设备选型方法，针对设备选型设211主要试验标准 计上存在的问题进行探讨研究。 由于发动机试验任务中对于发动机进气状态的2 项目概况 要求不尽相同，在选择进气空调设备时，最先需要万方数据12 内燃机与配件2015年第3期考虑的因素就是发动机试验涉及的主要标准，常规进气温度：25，进气相对湿度：32，进气 发动机试验所涉及的主要试验标准见表2。 总压：100kpa。3表2主要试验标准21324设备简介序号 设备应配合完成相关试验标准和循环的标准 标准号 241工作原理l汽车发动机性能试验方法cbt 182972001发动机进气空调工作原理如图1所示，设备从2 汽车发动机可靠性试验方法gbt 190552003车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排 设备间内取气(设备间内的温度为545)，经3gb 1835232005气污染物排放限值及测量方法过过滤的新风依次经过空气处理单元、增压风机、往复式内燃机性能第l部分：功率、燃料消耗4gbt 6072 l一2008和机油消耗的标定及试验方法风阀，最后经过稳压箱供到发动机的吸气端。在发5 车用发动机净功率测试方法gbt 17692一1999动机进气空调稳压箱后有空气温度、湿度、压力监6 轻型车欧v、欧阶段排放法规6922008ec7美国epa排放法规(lev、sulev水平)测点。8日本轻型车排放试验法规(10、1l工况) 发动机进气温湿度控制主要原理与变风量空调9 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第 gbl835252013五阶段) 系统类似，发动机进气压力控制是进气空调控制中212特种试验标准的核心部分，压力控制的稳定性和动态特性是系统高原标定试验是在高海拔条件下(高于海拔其它控制部分稳定的前提。4000米)对发动机进行验证，确保整车在高原环 境下保持良好的启动性能和驾驶性能，以及发动机 经济性能。近年来随着高原试验要求日趋明显，很 多汽车企业也配套了可模拟高原的发动机台架。表3列出了某发动机高原标定试验标准。 表3高原试验标准试验项目 试验条件 操作方法 冷启动 海拔2400米 车辆静置一夜冷启动 海拔3500米 车辆静置4小时 圈1 发动机进气空调组成框幽爆震标定 海拔2400一 车辆在山坡路段行驶，三档进行急加速操作 242控制方法研究2800米(1)温、湿度控制方法海拔3200一爆震标定 3500米 车辆在山坡路段行驶，三档进行急加速操作 进气空调适用于冬夏模式等各种气候环境，为怠速标定 海拔2400米 正常启动后进行操作 发动机台架试验提供标准进气。我们知道，我国的爆震标定 海拔3500米 正常启动后进行操作爆震标定 海拔4000米 正常启动后进行操作 夏季温度大概在2840之间，相对湿度较大，以上大概是60一90之间，所以夏季模式时，进气热启动 海拔2400米 车辆运行至高水温后熄火，待冷却液温度上升到最高点开始下降时再启动空调温湿度调节的主要功能是降温除湿h。；而在车辆运行至高水温后熄火，待冷却液温度上热启动 海拔3500米 冬季时，气温大概是0左右，相对湿度低于升到最高点开始下降时再启动热启动 海拔4000米 车辆运行至高水温后熄火，待冷却液温度上 50，所以冬季时，进气空调的主要调节功能是加以上升到最高点开始下降时再启动热加湿。发动机控制系 热启动正 拔掉发动机各传感器，检测是否存在故障码；统故障诊断 常后 再次装好传感器，检测故障码是否消除 以性能试验标准为例，标准的的进气空调的温23性能试验标准湿度的目标值是固定的，即在100kpa的大气压 参考中华人民共和国国家标准gbt 18297 下，干球温度25cc，相对湿度33。2001汽车发动机性能试验方法中对于发动机 进气空调温湿度控制系统的设计方法如下：系的进气空调状态的规定(见表4)： 统配置能产生6以下冷冻水的螺杆冷水机组，电 表4标准进气状态(gbt 182972001)。 加热器和蒸汽加湿器。冷水机功能是提供恒温的冷 进气参数 单位 标准值 冻水，供给进气空调降温除湿用。冷水机产生的冷 进气温度tk 298冻水储存在一个密封保温水箱中，循环水泵从水箱 进气干空气压 kpa 99 中抽出冷冻水，通过管道和调节阀把冷冻水输送到水蒸气分压 kpal进气总压 kpa loo 表冷器盘管。冷冻水在盘管中与对流的空气发生热经过换算，得到进气空调状态为：湿交换后水温上升，升高温度的水通过管道流回到 冷水机的壳管式蒸发器，经热交换后变为低温冷冻万方数据杜雅娟高一鹏王志东：发动机台架进气空调设备选型设计问题研究 13水回到水箱中。系统重复以上循环，可以给空气进 考虑当地大气压，适当选择风机的压头。如当地气 行降温和除湿。图2上述过程的焓湿图，ac表示压较低，则应适当增加风机压头，如当地气压较 的是经过表冷器热湿交换的空气状态变化过程，a 高，则应适当减小风机压头。 点表示进入表冷器前空气的状态，b点是进气空调其次要考虑系统管道的布置与安装，因进气空 试验需要的目标状态，c点是经表冷器处理过的空 调安装场所与空间位置的不同，通风管道的尺寸和 气状态，觚表示进人表冷器的冷冻水的水温，该空弯头的数量则会有差异，造成系统管道的阻力特性 气调节过程使得空气焓值降低、温度降低，含湿量 不一致。如果系统管道比较长，弯头与节流装置比 降低，相对湿度增加”j。 较多，则管网阻力比较大，要适当增加风机的压d头。最后还要考虑系统的调压方式，主要的调压方 式有两种。一种是采用变频调压，根据风机压头与 转速平方成正比，风量与转速成正比的关系，改变 变频器输出频率，即可改变风机转速，可以调节风 机的压头。风机特性曲线如图3示，n1、112、n3 分别表示不同转速下风机特性曲线，其中illn2 n3【7 j【81。另外一种是节流调压，改变管网系统的阻力特性，可以调节系统的压力。一般在通风管道圈2气冷却除湿过程上安装风阀，调节风阀的开启度，即可改变管道的经表冷器降温除湿后的空气温度大概是7，阻力，如图3示，u、l2表示两种管网特性的曲相对湿度接近饱和。该空气还需要经过加热和加湿线，其中l1是增加节流后的特性曲线。后，才能达到试验需求状态。图2的cd段表示的是空气经过电加热加热升温过程，该过程是等湿升 温处理过程，焓值和温度上升，含湿量保持不变， d点的温度是25。图2db段表示的是空气加湿 过程，空气与加湿器喷出的蒸汽相混合，该过程是 近视为等温加湿过程，其焓值和含湿量增加，温度 基本不变，b点的温度是25，相对湿度 是33。近年来兴起另外一种露点控制进气空调，与传 图3风机与冒网特性曲线 统进气空调温湿度控制原理不同的是，它露点装置 3选型设计 主要用于使新风达到系统所需要的露点温度，通过 31进气流量计算 调节冷冻水管道上的比例调节阀，实现通过该露点进气空调进气量必须满足发动机最大耗气量。 装置的空气保持在相对湿度为100工况下的一个在发动机进气空调流量选择上，不同的供应商有不 相对稳定的温度值，确保给进入加热装置的空气的同的理论依据；针对发动机最大耗气量，不同的参 新风湿度控制有一个比较稳定的输人工况。考书上也有不同的计算公式。下面列出四种常用的(2)压力控制方法 计算空气流量的方法和相应公式，针对表1中的发对于进气空调的压力控制，首先是要考虑地域动机参数进行计算。区别，由于全国各地海拔的不同，进气空调安装当 以下公式仅作为参考，具体方案还需要根据用地的环境气压不同。长春一汽研发中心当地大气压 户的具体情况来确定：在秋季大概是98kpa，武汉东风汽车研发中心夏季的大气压大概是101kpa，山西大同一年四季大气公式l：发动机耗气量y=叼鼍盎x湍压大概是90kpa，还有国家建立的一些汽车研发中m3h心，大气压因地域不同而大不相同。然而标准发动其中： 机性能试验需要的进气压力是100kpa，所以，选1吸入空气量与气缸体积之比，自然吸气 型风机的参数要因地制宜，选型增压风机时，必须 约为08，增压发动机最大可到25；万方数据14 内燃机与配件 2015年第3期vs排量l； 能满足试验需求。而对于高性能试验室，为保证试 n发动机最高转速rmin；验精准度，建议采用闭式进气空调。 k冲程系数，4冲程k=2，2冲程k=1。 表5进气空调连接方式对比表计算得到：项目开式 闭式以上四种发动机耗气量分别为216 m3h，914 温度调节能力 1535可调1535可调m3h，810公式2：发动机耗气量q望等m3hm3h，1800m3h。压力调节能力 不可调节压力，进气 95一105kpa可调 压力为当地环境压力湿度调节能力 50一70可调50一70可调其中：安装方式 喇叭口式，安装方便 需要与不同型号发动机进气端匹配， 安装不方便vh排量l； 各供应商报价不尽价格 相同 比开式进气高60一70左右n发动机最高转速rmin；对标企业使用 可靠性试验区多采用 高性能、性能试验区多采用闭式i发动机冲程数。情况 开式进气 进气计算得到：供应商对比国内厂家，开式进气 国内厂家闭式进气跟随性差进口 技术比较成熟厂家闭式进气技术比较成熟以上四种发动机耗气量分别为270 m3h，33相对湿度选型设计3657 m3h，324 m3h，720m3h。公式3：汽油机耗气量(m3h)=最大燃油消 进气空调相对湿度选择对比见表6：表6进气空调相对湿度选择对比表耗率141空气密度，其中最大燃油消耗率根据项目最低相对湿度30 最低相对湿度50测试工程师提供的经验值计算，并认为耗气量与功温度调节能力 1535可调 1535可调率成正比。试验工程师提供125kw发动机最大燃压力调节能力 95105kpa可调 95105kpa可调油消耗率为55(kwh)。湿度调节能力 3070可调50一70可调计算得到：冷冻水需求 需要2的冷冻水，需要为进 需要常规7冷 气空调单独配备冷冻水机组 冻水125kw发动机耗气量=5514112=可以看出，如果试验区供气均按照相对湿度646m3h：30提供，那么需要单独为进气空调配备一台冷水以上四种发动机耗气量分别为413 m3h，机组，与试验室辅助设备和全室空调要求的7冷930m3h，646m3h，1550m3h。冻水分开设计。 公式5：也可以根据供应商提供的经验公式：进气量=发动机功率54功能性选型设计计算得到：41性能试验室以上四种发动机耗气量分别为400 m3h， 根据项目经验，进口进气空调和国产进气空调900m3h，625m3h，1500m3h。差价大约在4倍以上，同时进口进气空调的优越性 由于在发动机试验室建设时，一般考虑台架试 主要体现在压力调节的跟随性比较好。因此，一般验能力能够覆盖所有型号发动机。因此用户在对进性能试验室和可靠性试验室发动机进气不需要压力 气空调流量进行选择时，建议对比以上四种计算结调节，建议采用国产进气空调；对于高性能瞬态试果，将结果中最大进气流量最为选型依据比较验室，建议选购两个进口进气空调。恰当。42排放试验室32连接方式选型设计 做排放试验的试验室，如果企业规定的排放试进气空调设备出气口与发动机进气口连接的方 验要求较高，也建议采用进口设备以供瞬态进气要 式直接影响到进气压力的控制效果。在试验要求进 求，一般排放试验对进气湿度要求较高，建议采用 气压力必须精确控制的状态下，必须选择闭式连 露点控制的闭式连接的进气空调装置，并且与其配 接。进气空调连接方式对比见表5： 套的冷冻水温度能够达到1及以下。从表5可以看出，由于北京地区大气压力 43可靠性试验室 (北京地区属于平原地区，大气压力在100606 pa 针对可靠性试验室，如果有需求要号|生能试验 到101085 pa之间)与标准大气压力接近，同时对 保持相同的进气条件，则要求可靠性试验室也采购 于一般性能试验和可靠性试验选择开式进气空调即 进气空调设备，如果台架相同功率发动机测试情况万方数据杜雅娟 高一鹏王志东：发动机台架进气空调设备选型设计问题研究15较多，为降低一次性投资需求，则可酌考虑采用一似项目以及空调设备供应商生产销售工作具有指导 拖多形式，即一台进气空调设备可以同时提供多个 和借鉴意义。 试验间供气；也可采用可移动式进气空调设备，在台架有需求时移动到台架附近供气。参考文献44发动机nvh试验室 1吴杰生，刘庆瑜，蒋兰平等汽车发动机试验室进气发动机nvh试验室一般对声学要求较高，对空调机组设计j制冷与空调，2014，14(6)：77于有进气控制要求的试验间，进气空调一部分管路79和与发动机连接接口处是曝露在nvh试验间内部3gbt 182972001汽车发动机性能试验方法s2001的，这部分的声学处理要特别注意。一般要求进气2gb 176912005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机空调与nvh试验室房中房结构结合处做消声处理， 与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国i、要求进气空调达到连接处噪音小于等于nr2030，、v阶段)s2005另一部分，与发动机连接一定要采用闭式连接，以3陆家珍发动机进气空调系统的研究和应用j汽避免进气空调出口风口处较强的气流对声学环境造车科技，2003(4)：