CN103742434B - 一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台及方法 - Google Patents

一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台及方法 Download PDF

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本发明公开了一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台及方法，包括试验台基座、风扇-驱动装置总成驱动系统、冷却系统、数据采集控制系统，所述风扇-驱动装置总成驱动系统的主轴转速可由变频电机进行调节；所述冷却系统通过水泵抽取水箱中热水，热水流经散热器后流回水箱，循环流动；所述数据采集控制系统通过智能型流量计实时采集散热器的进水温度和流量，热电偶实时采集散热器进风与出风温度、散热器的出水温度以及水箱中的水温，工控机设定的水温值由PID温控仪控制加热管来实现，光电传感器实时采集变频电机、风扇的转速，多功能电子式电表实时采集变频电机和加热管的能耗，并实时显示。本发明具有可信度高、操作简便、成本低等特点。

Description

一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台及方法
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机冷却系统各种风扇驱动装置性能测试与分析试验台及方法，是一种可以实测发动机风扇多种驱动总成能耗的装置及方法。
背景技术
为保证发动机的正常工作，冷却系统必不可少。作为发动机冷却系统重要部件的冷却风扇，直连式冷却风扇通常要消耗发动机能耗的5％～8％。与直连式的驱动方式相比较，双金属片硅油离合器、电控硅油离合器及电磁离合器驱动方式也逐渐被用作发动机风扇离合器，这些驱动装置可使发动机在最佳工作温度下工作，因而具有节油、降噪、减排、延长发动机使用寿命等优点。
为了量化多种(本专利给出了4种)发动机风扇驱动装置的能耗，搭建发动机冷却风扇多种驱动装置能耗性能比较试验台具有重要的意义。该试验台可实现对直连/双金属片硅油风扇离合器/电控硅油风扇离合器/电磁风扇离合器4种发动机冷却风扇驱动装置能耗的数据采集，对比验证风扇驱动总成的节能效果并指导离合器的设计改进工作。
发明内容
本发明为解决“发动机冷却风扇－驱动装置总成能耗”问题，提出了一种可信度高、操作简便、成本较低的发动机冷却风扇多种驱动装置能耗测试与分析试验台及其测试与分析方法。
为达到上述目的，本发明一方面采用如下技术方案：
一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台，包括试验台基座、风扇－驱动装置总成驱动系统、冷却系统、数据采集控制系统，
所述风扇－驱动装置总成驱动系统包括变频器、变频电机、轴承座、联轴器和风扇总成，所述变频电机水平固定在试验台基座上，并与设置在工控柜内的变频器电路连接，所述变频电机的输出轴依次通过轴承座及联轴器与风扇总成驱动连接；
所述冷却系统包括水箱、水泵、散热器总成和水管，所述水管将水箱、水泵、散热器总成依次连接成冷却水循环回路，所述水箱内设置有用于加热冷却水的加热管；具体地，冷却水的流向为水箱、水泵至散热器总成，最终再回到水箱，实现循环；
所述数据采集控制系统包括智能型流量计、热电偶组、通过电路控制加热管的PID温控仪、光电传感器组、用于采集变频电的三相能耗和加热管的单相能耗的多功能电子式电表、PLC和工控机，所述PID温控仪、多功能电子式电表、PLC和工控机设置在工控柜内，并通过电路相连接，所述智能型流量计设置在与水泵输出端相连接的水管上，并通过电路与PLC21相连接，所述光电传感器组包括设置在变频电机的输出轴处的第一光电传感器和设置在风扇总成处的第二光电传感器，用于获取变频电机的输出轴及风扇总成转速；所述热电偶组包括设置在水箱内的第三热电偶、设置在散热器总成出水端水管上的第四热电偶以及设置在散热器总成出风侧的第一热电偶和入风侧的第二热电偶，所述光电传感器组与热电偶组均通过电路与PLC电路连接。
进一步地，所述风扇总成包括相连接的风扇及驱动轴，所述风扇与驱动轴为直连式刚性连接或为双金属片硅油式、电控硅油式、电磁式离合连接。
进一步地，所述散热器总成包括依次设置的散热器，护风罩，挡板，所述护风罩，挡板上均设置有使空气流向散热器的通气孔，散热器总成的护风罩可以根据模拟状况进行更换，即通过更换不同尺寸、结构的护风罩，调整风扇叶尖间隙、风扇轴向安装方式，来模拟不同形式护风罩的风扇驱动总成实际工况，同时，所述护风罩前端的挡板的类型可以改变，即通过挡板结构的改变，来模拟汽车不同的运行工况。
本发明的另一方面采用如下技术方案：
利用所述的试验台进行测试与分析的方法，包括步骤：
A.开启工控机，设定水箱中的水温和变频电机的主轴转速；
B.开启水箱中的加热管，第三热电偶实时采集水箱中水的温度值，当水温达到设定值时，多功能电子式电表数据清零；开启水泵，使水箱中的热水经过散热器总成后再流回水箱，循环流动；同时变频电机按设定的转速值开始运转，为风扇总成提供动力；
C.水泵开启后，智能型流量计实时采集散热器总成的进水温度tin及流量qv，第四热电偶实时采集散热器总成的出水温度tout，第二热电偶、第一热电偶分别实时采集散热器的进风、出风温度，第一光电传感器、第二光电传感器分别实时采集变频电机的主轴输出转速和风扇的转速，所述多功能电子式电表实时采集变频电机的三相能耗值和加热管的单相能耗值，并相隔预设时间间隔记录下能耗值。
D.将采集到的数据经PLC、组态软件的处理以数据曲线的形式显示在工控机的交互式界面上，所述数据曲线包括实验起始与结束的时间轴、变频电机转速、风扇转速、包含变频电机的三相能耗和加热管的单相能耗实时功耗、散热器总成的出水温度、散热器总成的出风温度；
E.以散热器总成进水流量及进出水温度差值来计算冷却系统的制冷量，其中散热器制冷量Φ＝qv·ρ·cP·(tin-tout)，其中qv为散热器进水流量，ρ为冷却水密度，cP为冷却水定压比热容，tin-tout为冷却水温差，以多功能电子式电表采集的电能功耗来表征风扇驱动总成的能耗水平，然后根据若干相隔预设时间间隔记录下的能耗值分别计算单位能耗转换成的制冷量，即冷却能效比，最后将所述冷却能效比的平均值计算得到相对应的发动机的油耗水平。
本发明具有的有益效果：
1)属于国内相关领域自主研发的测试试验台，可以在较低成本下进行发动机冷却风扇多种驱动装置总成的能耗试验，便于评价、比较风扇驱动总成的能耗水平。
2)利用带加热管的水箱替代发动机作为冷却系统的热源，降低了试验台的成本。
3)在散热器前端设置可更换的挡板，可以模拟不同的汽车运行工况。
4)使用电机替代发动机驱动风扇驱动总成，以便用电能表征风扇驱动总成的能耗水平，降低了试验台的成本。
5)将消耗的电能转换为对应发动机所消耗的燃油量进行输出显示，可以得到直观的能耗结果对比。
附图说明
图1为发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台的结构示意图。
图2为散热器总成处的局部结构示意图。
图3为水箱处的局部结构示意图。
图4为散热器总成的爆炸结构示意图。
图5为散热器总成的散热器结构示意图。
图6为散热器总成的挡板结构示意图。
图7为散热器总成的护风罩结构示意图。
图中所示为：1—试验台基座，2—变频电机，3—第一光电传感器，4—轴承座，5—联轴器，6—风扇总成，7—第二光电传感器，8—散热器总成，801—散热器，802—护风罩，803—挡板，9—智能型流量计，10—第一热电偶，11—第二热电偶，12—水管，13—水泵，14—加热管，15—第三热电偶，16—水箱，17—第四热电偶，18—变频器，19—PID温控仪，20—多功能电子式电表，21—PLC，22—工控机，23—工控柜。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
实施例1
如图1至图7所示，一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台，包括试验台基座1、风扇－驱动装置总成驱动系统、冷却系统、数据采集控制系统，
所述风扇－驱动装置总成驱动系统包括变频器18、变频电机2、轴承座4、联轴器5和风扇总成6，所述变频电机2水平固定在试验台基座1上，并与设置在工控柜23内的变频器18电路连接，所述变频电机2的输出轴依次通过轴承座4及联轴器5与风扇总成6驱动连接；
所述冷却系统包括水箱16、水泵13、散热器总成8和水管12，所述水管12将水箱16、水泵13、散热器总成8依次连接成冷却水循环回路，所述水箱16内设置有用于加热冷却水的加热管14；具体地，冷却水的流向为水箱16、水泵13至散热器总成8，最终再回到水箱16，实现循环。
所述数据采集控制系统包括智能型流量计9、热电偶组、通过电路控制加热管14的PID温控仪19、光电传感器组、用于采集变频电机2的三相能耗和加热管14的单相能耗的多功能电子式电表20、PLC21和工控机22，所述PID温控仪19、多功能电子式电表20、PLC21和工控机22设置在工控柜23内，并通过电路相连接，所述智能型流量计9设置在与水泵13输出端相连接的水管12上，并通过电路与PLC21相连接，所述光电传感器组包括设置在变频电机2的输出轴处的第一光电传感器3和设置在风扇总成6处的第二光电传感器7，用于获取变频电机2的输出轴及风扇总成6转速；所述热电偶组包括设置在水箱16内的第三热电偶15、设置在散热器总成8出水端水管12上的第四热电偶17以及设置在散热器总成8出风侧的第一热电偶10和入风侧的第二热电偶11，所述光电传感器组与热电偶组均通过电路与PLC21电路连接,所述PLC21指可编程控制器。
进一步地，所述风扇总成6包括相连接的风扇及驱动轴，所述风扇与驱动轴为直连式刚性连接或为双金属片硅油式、电控硅油式、电磁式离合连接。
双金属片式风扇离合器总成工作状态主要影响因素为散热器出风温度；电控硅油式风扇离合器、电磁式风扇离合器总成工作状态主要影响因素为散热器出水温度。
进一步地，如图4至图7所示，所述散热器总成8包括依次设置的散热器801，护风罩802，挡板803，所述护风罩802，挡板803上均设置有使空气流向散热器801的通气孔，散热器总成8的护风罩802可以根据模拟状况进行更换，即通过更换不同尺寸、结构的护风罩802，调整风扇叶尖间隙、风扇轴向安装方式，来模拟不同形式护风罩的风扇驱动总成实际工况，同时，所述护风罩802前端的挡板803的类型可以改变，即通过挡板803结构的改变，来模拟汽车不同的运行工况。
实施例2
利用所述的试验台进行测试与分析的方法，包括步骤：
A.开启工控机22，此时水箱16起始水温不大于30℃(起始水温一致)，设定水箱16中的水温为95℃，变频电机2的主轴转速为发动机冷车怠速运转状态下的800r/min；
B.开启水箱16中的加热管14，第三热电偶15实时采集水箱16中水的温度值，当水温达到95℃时，多功能电子式电表20数据清零；开启水泵13，使水箱16中的热水经过散热器总成8后再流回水箱16，循环流动；同时变频电机2按设定的转速值开始运转，为风扇总成6提供动力；
C.水泵13开启后，智能型流量计9实时采集散热器总成8的进水温度tin及流量qv，第四热电偶17实时采集散热器总成8的出水温度tout，第二热电偶11、第一热电偶10分别实时采集散热器801的进风、出风温度，第一光电传感器3、第二光电传感器7分别实时采集变频电机2的主轴输出转速和风扇的转速，所述多功能电子式电表20实时采集变频电机2的三相能耗值和加热管14的单相能耗值，记录风扇总成工作状态下0.5h和1h时的能耗值；
D.将采集到的数据经PLC21、组态软件的处理以数据曲线的形式显示在工控机22的交互式界面上，所述数据曲线包括实验起始与结束的时间轴、变频电机2转速、风扇转速、包含变频电机2的三相能耗和加热管14的单相能耗实时功耗、散热器总成8的出水温度、散热器总成8的出风温度；
E.以散热器总成8进水流量及进出水温度差值来计算冷却系统的制冷量，其中散热器制冷量Φ＝qv·ρ·cP·(tin-tout)，其中qv为散热器进水流量，ρ为冷却水密度，cP为冷却水定压比热容，tin-tout为冷却水温差，以多功能电子式电表20采集的电能功耗来表征风扇驱动总成的能耗水平，然后根据所记录的风扇总成工作状态下0.5h和1h时的能耗值分别计算单位能耗转换成的制冷量，即冷却能效比，最后将所述冷却能效比的平均值计算得到相对应的发动机冷车怠速运转状态下的油耗水平。
实施例3
利用所述的试验台进行测试与分析的方法，包括步骤：
A.开启工控机22，此时水箱16起始水温为60℃-65℃，设定水箱16中的水温为95℃，变频电机2的主轴转速为在发动机热车持续运转状态下的1800r/min；
B.开启水箱16中的加热管14，第三热电偶15实时采集水箱16中水的温度值，当水温达到95℃时，多功能电子式电表20数据清零；开启水泵13，使水箱16中的热水经过散热器总成8后再流回水箱16，循环流动；同时变频电机2按设定的转速值开始运转，为风扇总成6提供动力；
C.水泵13开启后，智能型流量计9实时采集散热器总成8的进水温度tin及流量qv，第四热电偶17实时采集散热器总成8的出水温度tout，第二热电偶11、第一热电偶10分别实时采集散热器801的进风、出风温度，第一光电传感器3、第二光电传感器7分别实时采集变频电机2的主轴输出转速和风扇的转速，所述多功能电子式电表20实时采集变频电机2的三相能耗值和加热管14的单相能耗值，记录风扇驱动总成工作状态下1h、2h、3h的能耗值；
D.将采集到的数据经PLC21、组态软件的处理以数据曲线的形式显示在工控机22的交互式界面上，所述数据曲线包括实验起始与结束的时间轴、变频电机2转速、风扇转速、包含变频电机2的三相能耗和加热管14的单相能耗实时功耗、散热器总成8的出水温度、散热器总成8的出风温度；
E.以散热器总成8进水流量及进出水温度差值来计算冷却系统的制冷量，其中散热器制冷量Φ＝qv·ρ·cP·(tin-tout)，其中qv为散热器进水流量，ρ为冷却水密度，cP为冷却水定压比热容，tin-tout为冷却水温差，以多功能电子式电表20采集的电能功耗来表征风扇驱动总成的能耗水平，然后根据所记录的风扇驱动总成工作状态下1h、2h、3h的能耗值分别计算单位能耗转换成的制冷量，即冷却能效比，最后将所述冷却能效比的平均值计算得到相对应的发动机热车持续运转状态下的油耗水平。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台，其特征在于：包括试验台基座(1)、风扇－驱动装置总成驱动系统、冷却系统、数据采集控制系统，
所述风扇－驱动装置总成驱动系统包括变频器(18)、变频电机(2)、轴承座(4)、联轴器(5)和风扇总成(6)，所述变频电机(2)水平固定在试验台基座(1)上，并与设置在工控柜(23)内的变频器(18)电路连接，所述变频电机(2)的输出轴依次通过轴承座(4)及联轴器(5)与风扇总成(6)驱动连接；
所述冷却系统包括水箱(16)、水泵(13)、散热器总成(8)和水管(12)，所述水管(12)将水箱(16)、水泵(13)、散热器总成(8)依次连接成冷却水循环回路，所述水箱(16)内设置有用于加热冷却水的加热管(14)；
所述数据采集控制系统包括智能型流量计(9)、热电偶组、通过电路控制加热管(14)的PID温控仪(19)、光电传感器组、用于采集变频电机(2)的三相能耗和加热管(14)的单相能耗的多功能电子式电表(20)、PLC(21)和工控机(22)，所述PID温控仪(19)、多功能电子式电表(20)、PLC(21)和工控机(22)设置在工控柜(23)内，并通过电路相连接，所述智能型流量计(9)设置在与水泵(13)输出端相连接的水管(12)上，并通过电路与PLC(21)相连接，所述光电传感器组包括设置在变频电机(2)的输出轴处的第一光电传感器(3)和设置在风扇总成(6)处的第二光电传感器(7)，用于获取变频电机(2)的输出轴及风扇总成(6)转速；所述热电偶组包括设置在水箱(16)内的第三热电偶(15)、设置在散热器总成(8)出水端水管(12)上的第四热电偶(17)以及设置在散热器总成(8)出风侧的第一热电偶(10)和入风侧的第二热电偶(11)，所述光电传感器组与热电偶组均通过电路与PLC(21)电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台，其特征在于：所述风扇总成(6)包括相连接的风扇及驱动轴，所述风扇与驱动轴为直连式刚性连接或为双金属片硅油式、电控硅油式、电磁式离合连接。
3.根据权利要求1所述的一种发动机冷却风扇能耗测试与分析试验台，其特征在于：所述散热器总成(8)包括依次设置的散热器(801)，护风罩(802)，挡板(803)，所述护风罩(802)，挡板(803)上均设置有使空气流向散热器(801)的通气孔。
4.利用权利要求1至3任一项所述的试验台进行测试与分析的方法，其特征在于，包括步骤：
A.开启工控机(22)，设定水箱(16)中的水温和变频电机(2)的主轴转速；
B.开启水箱(16)中的加热管(14)，第三热电偶(15)实时采集水箱(16)中水的温度值，当水温达到设定值时，多功能电子式电表(20)数据清零；开启水泵(13)，使水箱(16)中的热水经过散热器总成(8)后再流回水箱(16)，循环流动；同时变频电机(2)按设定的转速值开始运转，为风扇总成(6)提供动力；
C.水泵(13)开启后，智能型流量计(9)实时采集散热器总成(8)的进水温度tin及流量qv，第四热电偶(17)实时采集散热器总成(8)的出水温度tout，第二热电偶(11)、第一热电偶(10)分别实时采集散热器(801)的进风、出风温度，第一光电传感器(3)、第二光电传感器(7)分别实时采集变频电机(2)的主轴输出转速和风扇的转速，所述多功能电子式电表(20)实时采集变频电机(2)的三相能耗值和加热管(14)的单相能耗值，并相隔预设时间间隔记录下能耗值；
D.将采集到的数据经PLC(21)、组态软件的处理以数据曲线的形式显示在工控机(22)的交互式界面上，所述数据曲线包括实验起始与结束的时间轴、变频电机(2)转速、风扇转速、包含变频电机(2)的三相能耗和加热管(14)的单相能耗实时功耗、散热器总成(8)的出水温度、散热器总成(8)的出风温度；
E.以散热器总成(8)进水流量及进出水温度差值来计算冷却系统的制冷量，其中散热器制冷量Φ＝qv·ρ·cP·(tin-tout)，其中qv为散热器进水流量，ρ为冷却水密度，cP为冷却水定压比热容，tin-tout为冷却水温差，以多功能电子式电表(20)采集的电能功耗来表征风扇驱动总成的能耗水平，然后根据若干相隔预设时间间隔记录下的能耗值分别计算单位能耗转换成的制冷量，即冷却能效比，最后将所述冷却能效比的平均值计算得到相对应的发动机的油耗水平。
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