可變換熱量冷卻液溫控系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

翟紹春，于士博，李云虹，黎觀生

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

冷卻液溫度控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)發(fā)動機冷卻液溫度精確控制，維持發(fā)動機工作在理想的溫度條件下，極大限度地模擬發(fā)動機在整車上的熱負荷及熱交換環(huán)境。由于發(fā)動機冷卻液溫度對整機動力性、經(jīng)濟性和燃燒、排放特性均有較明顯的影響規(guī)律，冷卻液溫度控制系統(tǒng)控溫能力和控溫精度決定了發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)的準確性、重復一致性，因此發(fā)動機冷卻液溫度控制系統(tǒng)是發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分[1-2]。

發(fā)動機試驗測試時，一般是按照國家標準、行業(yè)標準或者企業(yè)內(nèi)部標準對發(fā)動機冷卻液進行溫度控制。在GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動機性能試驗方法》國家標準中要求發(fā)動機臺架試驗過程中冷卻液的出口溫度控制在88±5℃[3]，很多企業(yè)標準對冷卻液的出口溫度要求比國標還要嚴格。

現(xiàn)有的冷卻液溫控系統(tǒng)都有一定的換熱范圍[4]。由于各個發(fā)動機試驗室的冷卻水溫度、流速和各種發(fā)動機換熱需求都不一樣。很難有一種冷卻液溫控系統(tǒng)能夠兼容到所有發(fā)動機試驗的冷卻液換熱需求。為了盡量擴大冷卻液溫控系統(tǒng)的換熱范圍并獲得好的控制效果，需要從循環(huán)換熱管路和結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化設(shè)計[5]。發(fā)動機冷卻液溫度控制系統(tǒng)要滿足冷卻液溫度控制外，還要滿足冷卻液壓力和流量控制目標。

1 冷卻系統(tǒng)帶走的熱量

由于冷卻系統(tǒng)的散熱受很多因素影響，其散熱量Qw，很難精確計算?？梢酝ㄟ^一些簡化公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行計算，其計算結(jié)果也能滿足系統(tǒng)的設(shè)計校準要求?？梢允褂孟铝薪?jīng)驗公式計算Qw：

式中：A為傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱量的百分比，對汽油機A=0.23～0.3，對柴油機A=0.18～0.25；ge為內(nèi)燃機燃料消耗量，kg/（kW·h）；Ne為內(nèi)燃機功率，kW；hn為燃料低熱值，kJ/kg。

具有一般指標的內(nèi)燃機，在額定工況時，柴油機ge可取0.210～0.270 kg/（kW·h），汽油機 ge可取 0.300～0.340 kg/（kW·h）；柴油機和汽油機的低熱值可分別取41 870 kJ/kg和43 100 kJ/kg，將此值代入式（1）可得：汽油機 Qw=(0 .85～1.10) Ne；柴油機 Qw=(0 . 50～0.78) Ne。

對于壓縮比較低燃燒室不緊湊的汽油機，傳給冷卻液的熱量多，Qw應(yīng)取上限，即Qw=(1 . 00～1.10) Ne；對于高壓縮比 (ε＞8)的汽油機，可取Qw=(0 . 85～0.95) Ne。車用柴油機Qw=(0 .60～0.75) Ne。直接噴射柴油機可取較小值，預(yù)燃室和渦流室柴油機可取較大值。增壓的直接噴射式柴油機由于掃氣的冷卻作用，加之單位功率的冷卻面積小，可取Qw=(0 .5～0.6) Ne[6-7]。

圖1 冷卻液溫控系統(tǒng)原理圖

現(xiàn)有發(fā)動機功率主要集中在80～200 kW，根據(jù)汽油機的經(jīng)驗公式計算得出的散熱量Qw為72～180 kJ/s。

2 循環(huán)水泵選型計算

在計算出發(fā)動機所需散走的熱量后，可通過式（2）計算冷卻液循環(huán)量：

式中：Δtw為冷卻液循環(huán)的容許溫升（6～12℃）；rw為冷卻液密度；Cw為冷卻液比熱。

取 Qw=180 kJ/s， Δtw=10 ℃， rw=1 030 kg/m3， Cw=3.551 kJ/(kg·℃)，計算得Vw=17.8 m3/h。

考慮到冷卻液溫控系統(tǒng)中壓力和流量的調(diào)節(jié)要求，要在發(fā)動機進出口處設(shè)置旁通管路，故泵的流量應(yīng)大于17.8 m3/h，根據(jù)泵的規(guī)格、型號可選泵的吸排口直徑DN40的管道循環(huán)泵，其額定流量為20 m3/h，揚程18 m。

3 換熱器選型

換熱器的計算選型是決定冷卻液溫控系統(tǒng)溫控效果優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一[8]。由于本項目所開發(fā)的溫控系統(tǒng)不是針對某一具體發(fā)動機，而是需要兼顧到企業(yè)所研發(fā)的大多數(shù)發(fā)動機型。為了獲得好的控制精度，采用雙換熱器并聯(lián)方式。對于換熱量需求小的小功率發(fā)動機在試驗過程中只使用其中一個換熱器；對于換熱量需求大的大功率發(fā)動機在試驗過程中使用兩個換熱器同時換熱。通過公式（3）計算換熱器的理論散熱面積：

式中：K為換熱器換熱系數(shù)，查得K=800 W/(m2·℃)；Δtm為冷熱介質(zhì)平均溫差。

計算冷熱介質(zhì)平均溫差：

式中：T1為冷卻液進口溫度，取90℃；T2為冷卻液出口溫度，取82℃；t1為冷卻水進口溫度，取20℃；t2為冷卻水出口溫度，取26℃。

通過式（4）計算得到Δtm=62.99℃，再將此值代入式（3）得到理論換熱面積S=3.6 m2。換熱器的選型面積可在理論計算的面積上乘以一個安全系數(shù)即1.5S=5.4 m2。根據(jù)換熱器產(chǎn)品的規(guī)格，可選兩個2.8 m2的板式換熱器。在進行小功率發(fā)動機試驗時使用一個換熱器即可滿足換熱需求；當需要對大功率發(fā)動機進行測試時，使用兩個換熱器同時工作以滿足試驗過程中的散熱需求。

4 管路系統(tǒng)設(shè)計

冷卻液溫控系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在發(fā)動機試驗過程中，發(fā)動機傳遞到冷卻液中的熱量主要是通過換熱器與外部冷卻水進行換熱以達到維持發(fā)動機出水口溫度調(diào)節(jié)與穩(wěn)定的效果。調(diào)節(jié)過程中是通過合流型比例閥10分配通過換熱器5和6的熱介質(zhì)的比例。當發(fā)動機出口冷卻液溫度比目標值高，通過換熱器的冷卻液就多；如果發(fā)動機出口溫度比目標值低，則比例閥調(diào)節(jié)通過換熱器的冷卻液的比例就變小。系統(tǒng)會根據(jù)發(fā)動機出水口的溫度對比例閥進行實時調(diào)節(jié)。當測試小功率發(fā)動機時需要的換熱量少，關(guān)閉閥7，系統(tǒng)只有一個換熱器6參與換熱；當測試大功率發(fā)動機時需要的換熱量大，打開閥7，此時換熱器5和6同時參與換熱。在系統(tǒng)中設(shè)計了膨脹水箱A，膨脹水箱的主要作用有：當發(fā)動機冷卻液受熱膨脹時，提供膨脹空間；補充發(fā)動機冷卻液；通過在主管道中連接小管（DN10）到膨脹水箱分離發(fā)動機冷卻液內(nèi)的氣泡；通過液位計15目測檢查發(fā)動機冷卻液的液位；通過壓力表16限制系統(tǒng)壓力（≤0.15 MPa）；冷卻液的液位和壓力報警，觸發(fā)自動補液或通知試驗人員及時補液。在系統(tǒng)中設(shè)計輔助加熱箱B，在發(fā)動機熱機過程中使用加熱器為冷卻液加溫縮短發(fā)動機的熱機時間。在系統(tǒng)中設(shè)計了補液系統(tǒng)，當膨脹水箱A中低于最低液位時，可以向系統(tǒng)中補充冷卻液以保證管路中有足夠多的冷卻液。設(shè)備運行狀態(tài)如圖2所示。

圖2 設(shè)備運行狀態(tài)

5 運行驗證

使用所開發(fā)的發(fā)動機冷卻液溫控系統(tǒng)對企業(yè)的某款發(fā)動機試驗提供冷卻液溫度控制，選取的溫度調(diào)節(jié)點為80℃、85℃、90℃、93℃和95℃，其在各個溫度點的發(fā)動機工況和調(diào)節(jié)效果如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)溫度控制精度可以達到±1℃，從圖3所示的溫控效果曲線可以看出試驗中通過本溫控系統(tǒng)控制的發(fā)動機出水口的溫度波動小，能夠滿足發(fā)動機的性能測試的冷卻液溫度控制要求。

圖3 溫控效果曲線

表1 溫度調(diào)節(jié)情況表

6 結(jié)束語

本文采用雙換熱器并聯(lián)的回路結(jié)構(gòu)，通過控制接入系統(tǒng)中的換熱器數(shù)量來兼容不同換熱需求的冷卻液溫控，以達到最佳的控制效果。使用三通比例閥控制流過換熱器冷卻液的量，調(diào)節(jié)冷卻液溫度到期望的范圍。通過試驗驗證，所設(shè)計的冷卻液溫控系統(tǒng)在常用溫控范圍內(nèi)都能獲得滿意的溫控效果，能夠滿足發(fā)動機性能測試時溫控要求。