发动机台架试验冷却系统的设计.pdf

发动机台架试验冷却系统的设计 蒋受宝 蒋绍坚 曾红武 中南大学能源科学与工程学院 湖南长沙 410083 摘 要 车用发动机进行台架试验时 经过持续大负荷运行后 出现过热甚至 开锅 现象 其原因是现 有台架冷却系统已无法满足发动机的冷却需求 经过对台架冷却系统分析和重新设计 采取冷却水管 外接 水箱开式循环冷却及发动机进水并联分流式机油冷却器 实现水温油温恒温自动控制 成功解决 了车用发动机在试验室进行台架试验时出现过热甚至 开锅 的问题 同时为车用发动机台架冷却系统 朝着智能化 高效低能耗发展提供了一种较为科学的参考 关键词 发动机 台架试验 冷却系统 机油冷却器 中图分类号 TK417 文献标识码 A 文章编号 1671 0630 2007 03 0045 03 Design of Cooli ng System of Engi ne Bench Test Jiang Shoubao Jiang Shaoji an Zeng Hongwu School of Energy Science and Engineering Central South University Changsha 410083 Abstract When vehicle engine carry through bench test the engine appears superheated even boils after continuously heavy load running The reason is that engine s running condition in laboratory is different from that on road The cooling system is out of engine s cooling demand By analyzing and redesigning the present cooling system adopting cooling water pipe connecting outside water tank open2circle cooling and parallel connection and bypasswater enter oil radiator we carried out the constant temperature of cooling water and engine oil automatically the matterwas resolved successfully At the same ti me it supplies a scientific refer2 ence for bench cooling system of vehicle engine developing into intelligence higher efficiency and lower con2 sumption of energy Keywords Engine Bench test Cooling system Oil radiator 引言 随着汽车工业的发展 发动机的转速和功率不断 提高 热负荷也越来越大 对发动机的冷却和润滑系统 的可靠性提出了更高的要求 而影响可靠性的最主要 因素之一就是机油温度 机油温度过高 机油粘度及 稳定性降低 氧化变质加剧 机油压力偏低 易造成烧 轴瓦 烧曲轴 缸套拉伤等故障 实验室台架试验的发 动机 是横 向式C16NE发动 机 其 功率 为63kW 5500r min 在对其进行台架试验时 经过持续大负 荷试验 发动机出现过热甚至 开锅 现象 通过仔细 的分析后发现 试验室中发动机冷却风扇被拆除 外接 冷却水循环的管径过大 管路太长 弯头过多 在冷却 管道内产生气堵 使得发动机的冷却效果不好 使机油 在极短的时间内便达到报警温度上限 无法完成试验 任务 给科研和教学造成诸多不便 发动机台架冷却系统是保证发动机正常工作的重 要组成部分 在发动机性能试验时 由于试验工况多 试验时间较长 经常是持续大负荷试验 试验过程中发 动机的水温 机油温度会不断地升高 如不加以控制就 不能保证发动机的长期运转 现有的冷却系统已无法 作者简介 蒋受宝 1970 男 汉族 湖南衡阳 讲师 硕士 主要从事热能与动力机械研究 第36卷 第3期 2007年6月 小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 S MALL I NTERNAL COMBUSTI ON ENGI NE AND MOTORCYCLE Vol 36 No 3 Jun 2007 满足发动机的冷却需求 为了保证发动机的正常工作 同时保证各个参数得到精确测量 必须有效地控制水 温和机油温度 因此我们对台架冷却系统进行重新设 计 其主要包括两个保障系统 水温恒温控制系统 机 油恒温控制系统 这两个系统是两个完全独立的冷却 系统 虽然它们的进水来自同一根水管 但各自的进水 开关是由各自的测控仪进行控制 其温度也是通过控 制各自调节阀的开度来设定 实现恒温控制 从而使机 油及冷却液温度保持在一个试验温度要求范围之内 保证了科研和教学试验任务的顺利完成 1 水温恒温控制系统设计 水温是影响发动机运转的一个重要参数 发动机 冷却系统水温过低 容易引起废气排放变差 零部件磨 损加剧 功率输出减小 缩短发动机的使用寿命及增加 使用费用 水温过高同样能引起发动机新的磨损 在 发动机性能试验中 要求发动机必须处于热机状态 对 冷却水温度的要求是控制在80 85 C范围内 经过分析我们知道 要解决发动机过热的问题 就 是要提高发动机冷却系统的散热量 而冷却系统中影 响散热量的主要因素就是冷却水的循环量和水温 为 了保证发动机良好的经济性 动力性 可靠性和使用寿 命 水温必须保持在一定的范围之内 因此要改善冷 却系的散热能力只能从冷却水的循环量着手 在冷却系统设计时 水泵是按所需泵水量和泵水 压力设计的 泵水量和泵水压力影响冷却水的循环 量 其与冷却系的散热量之间存在关系式 Vw Qw tw wCw 式中 Qw 冷却系的散热量 kJ s Vw 冷却水的循环量 m 3 s tw 冷却水在内燃机中循环时的容许温升 对现代强制冷却循环系 取 tw 6 12 C w 水的密度 可近似取 w 1000kJ m 3 Cw 水的比热 可近似取Cw 4 187kJ kg C 可见 要提高冷却系的散热量 就要增大水泵的泵 水量 试验台架各总成安装及相关尺寸一般无法改 变 在保证水泵尺寸不变的情况下 只能靠提高水泵的 转速来提高水泵的泵水量和泵水压力 但这样不仅会 使水泵消耗功率急剧增加 而且很容易产生气蚀现象 破坏水泵正常工作 所以通过提高水泵的转速来达到 提高冷却系统能力基本上是不可取的 3 从以上分析可知 我们不能采用提高水泵转速来 达到增大水泵泵水量的目的 而在试验室配置风扇加 强风冷又受限于试验室面积较小的缘故 效果并不理 想 还会造成试验过于拥挤 且会增加使用费用 因 此 我们采用了冷却水管外接 水箱开式循环冷却的冷 却方式 提高冷却系统能力 其工作原理见图1所示 图1 水温恒温控制装置工作原理 在进行发动机性能试验时 将冷却液恒温控制装 置的管路串接入发动机冷却水的进 出水的管路 并经 膨胀水箱向发动机加注冷却液 此时电磁阀1 2处于 开启状态 当发动机 热交换器中充满冷却液 膨胀水 箱中的液位达到标定值后 电磁阀2关闭 即可启动发 动机 实验过程中 当温度传感器测量到水温达到温 控仪表设定值时 伺服器根据温控仪表的指令开启气 动调节阀 来自外部的冷却水对热交换器进行冷却 并 根据温度的变化控制调节阀的开度 改变冷却水的流 量实现对冷却液的恒温控制 同时 由于内部循环的 冷却液在高温下会汽化 因此我们还设置了一个气体 快速排放阀 气体通过快速排放阀迅速排出 防止产生 气堵 使换热条件恶化 冷却液随着汽化被排放 其容 量因此也会逐渐减小 因此须及时补充冷却液 为防 止膨胀水箱液位过低 影响发动机性能试验 在膨胀水 箱上安装有液位传感器 当安装在膨胀水箱上的液位 传感器测量到液位低于下限时 电磁阀2和水泵自动 开启 由水泵向膨胀水箱补充液体至规定值 同样 为 防止气动调节阀失灵 发动机试验不能正常进行 在管 路上并接了手动阀 通过手动调节进入热交换器的冷 却水流量来实现对水温的恒温控制 出水温度传感器 及压力传感器感应的信号也通过数据采集系统接至 CAN网络总线系统 实现实时远程控制 64 小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第36卷 2 机油恒温控制系统设计 在发动机性能试验中 为了保证轴承等摩擦副在 良好的工况下工作 要求发动机必须处于热机状态 对 机油温度控制在85 90 C范围内 传统发动机台架 试验采用的是喷淋式冷却机油的冷却方式 但台架试 验中发动机往往在持续大负荷工况下运行 又随着发 动机采用更加紧凑的设计和具有更大的比功率 发动 机产生的废热密度也随之明显增大 零件的温度和机 油的受热量大大增长 且发动机结构紧凑很难合理布 置好冷却系统的进水管与出水管 单靠对油底壳喷淋 和发动机其它零件的自然散热作用 已不能满足试验 条件对机油温度的严格要求 因此我们采用发动机 进水并联分流式机油冷却器 即机油外循环强制冷却 的措施 机油温度恒温控制装置中的机油冷却器散热过程 实际上是一个热平衡过程 见图2 图2 机油冷却器散热过程 图2中 t01为冷却前机油温度 t02为冷却后机油温 度 V0为机油流量 Q0为机油散发的热量 tw1为冷却前 冷却水温度 tw2为冷却后水温 Vw为冷却水量 Qw为 冷却水吸收的热量 机油散发的热量在理论上就是冷却水带走的热 量 Qw Q0 Qc Q c为机油冷却器散热量 对机油冷却器散热进行分析可得 t01 tw1 Qc 1 KA 1 VwCpw w 1 V 0Cp0 0 2 式中 Cp0 Cw分别为机油和冷却水比热容 0 w分别 为机油和冷却水密度 K为机油冷却器散热系数 A为 机油冷却器散热面积 4 由上式可知 在试验中因为Qc tw1 V0已确定 所 以对于采用与发动机进水并联的分流式机油冷却器 机油温度t01主要由冷却水量决定 试验室选用南通 江华机械有限公司生产的JLG 2A机油冷却器 对机 油冷却系统进行了重新设计 满足了试验系统散热要 求 其工作原理如图3所示 在进行发动机性能试验时 将机油温度恒温控制 装置管路串接入发动机润滑油管路并加注润滑油 使 机油冷却器内充满机油且发动机的油标达到要求 机 油通过机油冷却器循环 当温度传感器测量到的油温 达到温控仪表设定值时 伺服器根据温控仪表的指令 图3 机油温恒温控制装置工作原理 开启气动调节阀 来自外部的冷却水开始通过机油冷 却器对机油进行强制冷却 并根据温度的变化控制调 节阀的开度 这样 恒温控制装置通过调节进入机油 冷却器的冷却水流量来实现对机油的恒温控制 为防 止气动调节阀失灵 发动机试验不能正常进行 在管路 上并接了手动阀 通过手动调节进入机油冷却器的冷 却水流量来实现对机油的恒温控制 机油温度传感器 及压力传感器感应的信号通过数据采集系统接至 CAN网络总线系统 实现实时远程控制 3 结论 传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机 现代 先进的冷却系统往往采用新型冷却介质和冷却机理 朝着智能化 高效低能耗发展 使冷却系统既保证发动 机正常工作 又提高发动机效率和减少排放 发动机 台架试验的冷却系统经过上述重新设计 采用水温油 温恒温控制系统 成功地解决了系统水温油温过热报 警现象 很好地满足了教学和科研的需要 而且发动机 效率有了提高 气体排放也大为改善 参考文献 1 卢广锋 郭新民 孙运柱 等 汽车冷却系统水温对发动机 性