CN101261188A - 一种汽车发动机冷却水套流场测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽车发动机冷却水套流场测试系统，用于构建具有中空特征和一定壁厚的测试水套原型件CAD模型，利用光固化快速成型技术生成无色透明的发动机冷却水套测试原型件；将试验管路系统与水流测量系统集成为流场测试平台，利用专用夹具将测试原型件固定安装于该平台上，调节电机转速，模拟发动机工作过程的典型工况，对全透明水腔进行水流分布测试，获得在不同工况下的冷却水流场数据。本发明将快速成型技术与现代测试技术相结合，实现了汽车发动机内腔不可见结构水套的流场测试全程透明可视化，提高了冷却水套水流性能试验的可监控性，进而为汽车发动机冷却水套的结构优化提供更加全面的实验依据。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发动机冷却系统性能测试领域，特别涉及一种汽车发动机冷却水套流场测试系统。
背景技术
发动机冷却系统主要包括：散热器、节温器、水泵、冷却水套和风扇等几部分。其中冷却水套起着至关重要的作用，其结构设计的好坏直接决定了发动机的热效率，高温零部件的热负荷以及热量分配和能量利用。因此，研究冷却水套的冷却能力，合理地设计其内部结构，是保证发动机正常运行，提高其综合性能的重要措施。
目前，发动机冷却水套流场试验与数值模拟计算已广泛应用于汽车发动机冷却系统的设计和开发当中，但是，由于冷却水套结构复杂，又封闭在机体内部，不易观察和测量，现有的发动机冷却水套流场试验，只能观察到冷却水套内的特定位置或者局部区域的冷却水流场分布情况，无法得到所有位置的流场数据，这一方面使研究者很难全面了解冷却水套复杂三维几何尺寸的详细信息，另一方面又极大地制约了试验数据对于水套冷却性能研究的指导作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车发动机冷却水套流场测试系统，该系统利用光固化快速成型技术制成汽车发动机冷却水套的全透明高强度树脂试验件，使汽车发动机内腔不可见的冷却水套结构的流场测试全程透明可视化。本发明利用三维离子图像测速仪(PIV)实现了大尺度三维流场的精确测量，提高了冷却水套全流场水流性能试验的可监控性。
为了实现上述任务，本发明提供的技术解决方案如下：
一种汽车发动机冷却水套流场测试系统，其特征在于，该系统主要由试验管路系统、三维离子图像测速仪、冷却水套测试原型件、测试原型件夹具和计算机组成；
所述的试验管路系统主要包括交流伺服电机、水泵、水箱和连接水管组成，水箱中充有冷却液，水泵的出水口与水套测试原型件的入水口之间设有流量计和压力计，冷却水套出水口与水箱之间设有阀门，水箱中设有加热器和温度计；
所述的三维离子图像测速仪由双脉冲激光器、光学透镜以及两个高速CCD组成，两个高速CCD与计算机连接；
所述的冷却水套测试原型件是与发动机冷却水套比例为1∶1的全透明高强度树脂试验件，由测试原型件夹具固定安装于试验平台上；
调节交流伺服电机的转速与冷却液的温度，模拟发动机工作过程的工况，对冷却水套测试原型件进行水流分布测试，由计算机获得在不同工况下的冷却水流场数据。
本发明将快速成型技术与现代测试技术相结合，实现了汽车发动机内腔不可见的结构水套的流场测试全程透明可视化，提高了冷却水套水流性能试验的可监控性，进而为汽车发动机冷却水套的结构优化提供更加全面的实验依据。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是冷却水套的三维实体CAD模型；
图3是水流试验的测量点位置及其标记；
以下结合附图和发明人完成的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
按照本发明的技术方案，按以下具体步骤实施：
(1)建立汽车发动机冷却水套的三维实体CAD模型：
根据发动机性能、总体尺寸等要求，确定发动机缸体、缸盖的结构形式和结构尺寸，分别构建不包含冷却水套结构的缸体、缸盖CAD模型。在此基础上，对各内部特征的几何形状尺寸进行扩大。
根据发动机缸体、缸盖的总体结构形式及其尺寸，以圆柱特征和六面体特征为基本单元，分别构建缸体和盖水套的总体设计空间CAD模型。利用布尔运算操作，以缸盖总体设计空间CAD模型为基础，切除复杂内部特征曲面偏置生成的CAD实体模型。
在上述缸盖CAD模型和缸体总体设计空间CAD模型的基础上，利用常规的切除命令，构建初始水套结构的CAD模型。以扩大的几何尺寸为特征参数值，切除规则内部特征相应的设计偏置空间。根据缸盖、缸体加强筋、加强隔板等特征的布置，切除相应的特征设计空间。根据冷却水套中冷却水的流动特性，切除不利于冷切水流动的结构，包括排气道处的小尺寸结构、进气道处的薄壁等。分析缸体、缸盖的外部安装特征，切除与外部安装特征相干涉的空间。从而构建初始冷却水套结构的CAD模型。
最后，根据铸造的工艺性，对初始冷却水套结构的CAD模型进行圆角处理，得到缸体、缸盖的水套CAD实体模型。
(2)对冷却水套实体模型的各个曲面进行偏置处理和布尔运算，构建具有中空特征和一定壁厚的冷却水套测试原型件CAD模型，并以STL格式输出；
对汽车发动机冷却水套的CAD实体模型各曲面向其外法线方向做偏置处理(偏置距离3～6mm，该偏置距离要保证生成的试验件满足透明度、机械强度和热强度要求)，构建出相应的CAD实体模型，在此基础上利用布尔运算操作，切除步骤(1)生成的CAD实体模型，构建具有中空特征和一定壁厚的冷却水套测试原型件CAD模型并以STL格式输出。
(3)利用光固化快速成型技术生成与汽车发动机冷却水套比例为1∶1的全透明高强度树脂试验件；具体实施方法是：以激光快速成型机为成型设备(如西安交通大学开发的型号为SPS600B的激光快速成型机)，输入步骤(2)生成的水套测试原型件STL模型数据。选择透明且具有相当机械强度和耐热性的光固化树脂为成型材料(如11122低密度聚乙烯树脂)，以缸体水套底部向缸盖水套顶部为成型方向，光固化层厚度控制在0.05mm～0.30mm之间，成型速度控制在普通成型速度的60％左右，由此生成壁厚为3mm～6mm的与汽车发动机冷却水套比例为1∶1的全透明高强度树脂的发动机冷却水套测试原型件，并满足透明度、机械强度和热强度要求。
(4)设置试验管路系统与水流测量系统，利用测试原型件夹具4将步骤(3)得到的冷却水套测试原型件固定安装于流场测试平台上；该流场测试平台由试验管路系统与水流测量系统两部分组成。
其中，试验管路系统由交流伺服电机1-1、水泵1-2、水箱1-8和连接水管1-9组成，水泵1-2的出水口与冷却水套测试原型件3的入水口之间设有流量计1-3和压力计1-4，汽车发动机冷却水套的出水口与水箱1-8之间设有阀门1-5，水箱1-3中设有加热器1-6和温度计1-7；
水流测量系统由三维离子图像测速仪2和计算机5组成，三维离子图像测速仪2由ND-YAG双脉冲激光器2-1、光学透镜2-2、两台高速CCD(2-3、2-4)组成；向水箱中1-8充入冷却液(含有示踪粒子是直径为100～200μm表面镀银的聚苯乙烯微球的水溶液)，开启交流伺服电机1-1驱动水泵1-2对测试系统进行充水，检测试验管路的密封性与通畅性。
(5)调节交流伺服电机1-1的转速与冷却液温度，模拟发动机工作过程典型工况，对全透明的冷却水套测试原型件3进行水流分布测试，由计算机5获得在不同工况下的冷却水流场数据。
系统工作时，双脉冲激光器2-1发出激光脉冲，通过光学透镜2-2照射在冷却水套测试原型件上，两台高速CCD(2-3、2-4)分别从不同的方向不断拍摄冷却水套测试原型件中的水流形态，记录粒子的图像，建立图像坐标与实际空间坐标之间的关系，并将水流形态图像发送至计算机5进行分析处理，即：利用互相关法原理建立三维P IV连续两幅粒子空间图像之间的粒子对应方法，确定粒子的速度。然后对对应后得到的速度向量进行误对应粒子速度向量的判断和消除，最后得到可靠、精确的结果(见表1、2)。
表1 试验用发动机主要参数
| 序号 | 项目 | 性能指标 |
| 1 | 制造厂商 | 比亚迪汽车有限公司 |
| 2 | 发动机型号 | 483QA |
| 3 | 气缸布置与冷却方式 | L，W |
| 4 | 气缸数 | 4 |
| 5 | 气缸缸径/活塞行程(mm) | 83/85 |
| 6 | 排量(L) | 1.839 |
| 7 | 压缩比 | 9.0 |
| 8 | 额定功率/转速(kW/r/min) | 90/6000 |
| 9 | 最大扭矩/转速(N.m/r/min) | 160/4500 |
表2 额定工况和最大扭矩工况下各测量点测试结果
Claims (2)
1.一种汽车发动机冷却水套流场测试系统，其特征在于，该系统主要由试验管路系统(1)、三维离子图像测速仪(2)、冷却水套测试原型件(3)、测试原型件夹具(4)和计算机(5)组成；
所述的试验管路系统(1)主要由交流伺服电机(1-1)、水泵(1-2)、水箱(1-8)和连接水管(1-9)组成，水箱(1-8)中充有冷却液，水泵(1-2)的出水口与冷却水套测试原型件(3)的入水口之间设有流量计(1-3)和压力计(1-4)，冷却水套测试原型件(3)的出水口与水箱(1-8)之间设有阀门(1-5)，水箱(1-3)中设有加热器(1-6)和温度计(1-7)；
所述的三维离子图像测速仪(2)由双脉冲激光器(2-1)、光学透镜(2-2)以及两个高速CCD(2-3、2-4)组成，两个高速CCD(2-3、2-4)与计算机(5)连接；
所述的冷却水套测试原型件(3)是与发动机冷却水套比例为1∶1的全透明高强度树脂试验件，由测试原型件夹具(4)固定安装于试验平台上；
调节交流伺服电机(1-1)的转速与冷却液的温度，模拟发动机工作过程的工况，对冷却水套测试原型件(3)进行水流分布测试，由计算机(5)获得在不同工况下的冷却水流场数据。
2、如权利要求1所述的汽车发动机冷却水套流场测试系统，其特征在于，所述的冷却水套测试原型件(3)的制备是以激光快速成型机为成型设备，输入汽车发动机冷却水套原型件的STL格式CAD模型数据，以一种透明且具有相当机械强度和耐热性的光固化树脂为成型材料，合理控制成型速度与光固化层厚度，生成壁厚为3mm～6mm的发动机冷却水套测试原型件，并满足透明度、机械强度和热强度要求。
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