CN104931269A - 发动机高原热平衡性能模拟试验方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种发动机高原热平衡性能模拟试验方法，可模拟发动机在0～5500m海拔时的试验环境条件，并通过冷却液温度、流量控制方法分别控制发动机冷却液温度、流量的变化，进行不同海拔、不同工况条件下发动机热平衡性能试验，获得不同海拔、不同工况下发动机最佳冷却液温度MAP与最佳冷却液流量MAP，冷却液温度控制范围是：50℃～120℃，波动小于±0.5℃；流量控制范围是：0～400L/min，波动小于±1％。该方法可根据试验需求实时、准确地调节发动机冷却液温度与流量，调节精度高、调节范围广，且避免了热平衡试验中为达到试验温度点而浪费大量时间，同时为高海拔条件下发动机冷却液最佳温度与流量MAP的获取提供平台与方法。

Description

发动机高原热平衡性能模拟试验方法及系统

技术领域

本发明涉及汽车发动机领域，特别涉及一种发动机高原热平衡性能模拟试验方法及系统。

背景技术

车辆、工程机械等动力装备在高原运行时，由于散热性能变差以及发动机热负荷增大等导致发动机出现冷却水易开锅、冷却系统冷却能力下降、机体易过热等问题，并将最终导致发动机在高原地区持续作业能力和作业强度均存在不同程度下降。这些问题可以归结为发动机在高原地区热平衡性能的恶化。

发动机热平衡试验是发动机在运行状态下，对其能量分布情况所进行的试验。对于发动机高原热平衡性能的试验研究手段主要分为高原实地试验与平原模拟试验，由于平原模拟试验具有成本低、可重复性好、试验周期短、模拟参数可任意调节等优点，成为重要的研究手段。

目前，针对发动机运行时的高原环境模拟方式大体可以分为进排气低压模拟和高原环境模拟舱两种，由于高原环境下(大气压力、温度、湿度等环境因素)发动机本体的环境热损失对其热平衡试验结果产生了一定的影响，因此相较于进排气低压模拟，采用高原环境模拟舱的方式可更好地达到发动机热平衡试验的要求；同时，由于发动机启动预热、变工况调节时其工作温度波动较大，往往需要较长的工作时间达到热平衡，因此对发动机采取冷却液温度与流量的实时调节控制，更有利于热平衡试验的实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种发动机高原热平衡性能模拟试验方法，该方法将待测发动机安置于高原环境模拟试验舱内，充分考虑并准确模拟发动机在高原大气环境下的机体散热状况；建立的冷却液恒温控制系统与冷却液可变流量控制系统，可根据试验需求实时、准确地调节发动机冷却液温度与流量，调节精度高、调节范围广，且避免了热平衡试验中为达到试验温度点而浪费大量时间，同时为高海拔条件下发动机冷却液最佳温度与流量MAP的获取提供平台与方法。

本发明的另一目的是提供上述发动机高原热平衡性能模拟试验方法所用的系统。

如上构思，本发明的技术方案是：一种发动机高原热平衡性能模拟试验方法，其特征在于:通过调节高原模拟舱内的压力、温度、相对湿度和紫外线强度来模拟发动机在0～5500m海拔时的试验环境条件，即101～47kPa之间的大气压力、-45℃～70℃之间的大气温度、15％～95％之间的相对湿度和0～10W/m²之间的紫外线强度；并通过冷却液温度、流量控制方法分别控制发动机冷却液温度、流量的变化，进行不同海拔、不同工况条件下发动机热平衡性能试验，获得不同海拔、不同工况下发动机最佳冷却液温度MAP与最佳冷却液流量MAP，冷却液温度控制范围是：50℃～120℃，波动小于±0.5℃；流量控制范围是：0～400L/min，波动小于±1％；

所述冷却液流量控制方法是：

(1)同一海拔下发动机不同工况最佳冷却液流量MAP的获取：

模拟发动机在设定海拔下的试验环境条件；选取发动机工况点：从最低稳定转速800r/min到额定转速2100r/min，发动机转速每隔300r/min作为试验转速，选取最大负荷的20％、40％、60％、80％、100％作为负荷测量点，获得30个试验工况点，在每个试验工况点控制发动机冷却液流量从50～400L/min改变，研究冷却液流量对发动机热平衡性能影响规律；同时在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、冷却液温度≤110℃、进出水温差5～9℃的试验限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得发动机不同工况下最佳冷却液流量MAP；

(2)发动机不同海拔、不同工况下最佳冷却液流量MAP的获取：

模拟发动机在海拔1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、5500m下的试验环境条件；发动机工况点选取如(1)一致，研究不同海拔条件下发动机各工况点热平衡性能随冷却液流量变化规律，在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、冷却液温度≤110℃、进出水温差5～9℃的限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得不同海拔、不同工况下最佳冷却液流量MAP；

所述冷却液温度的控制方法是：

(1)同一海拔下发动机不同工况最佳冷却液温度MAP的获取：

模拟发动机在设定海拔下的试验环境条件；选取发动机工况点：从最低稳定转速800r/min到额定转速2100r/min，发动机转速每隔300r/min作为试验转速，选取最大负荷的20％、40％、60％、80％、100％作为负荷测量点，获得30个试验工况点，在各试验工况点控制发动机进口温度在50～110℃之间调节，研究不同工况下发动机冷却液温度对发动机热平衡性能影响规律，在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、进出水温差6～9℃的限制条件下，以发动机有效热效率优化目标，获得发动机不同工况发动机最佳冷却液温度MAP；

(2)发动机不同海拔、不同工况下最佳冷却液温度MAP的获取：

模拟发动机在海拔1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、5500m下的试验环境条件；发动机工况选取方法同(1)一致，研究不同海拔条件下发动机各工况点热平衡性能随冷却液温度变化规律，在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、进出水温差5～9℃的限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得不同海拔、不同工况下最佳冷却液温度MAP。

上述发动机高原热平衡性能模拟试验方法所用的系统，包括舱体，其特征在于：舱体内分割成常温常压区和高原环境模拟区，常温常压区内放置测功机和ECU，高原模拟区内设置待测发动机、冷却液流量控制系统和冷却液恒温控制系统；

所述待测发动机的排气管路连接换热器、缓冲罐、控制阀与真空泵，用以实现排气背压的模拟；

所述高原环境模拟区通过管路连接换热器、控制阀与真空泵，用以实现高原环境模拟区内低气压环境的模拟；高原环境模拟区通过管路连接送风机、温度与湿度调节装置以及控制阀，用以实现高原环境模拟区内高低温、大气湿度的调节，并配合管路实现低气压的模拟；

所述冷却液流量控制系统包括温控三通阀、电控水泵、冷却液温度传感器以及流量计，温控三通阀和电动水泵受ECU控制实现发动机冷却液总流量的调节和大小循环流量的分配，得到不同海拔、不同工况最佳冷却液流量MAP；

所述冷却液恒温控制系统包括加热器、换热器、电控比例阀和冷却液温度传感器，ECU对电控比例阀与加热器进行协调控制，可实现发动机进水温度的调节，得到不同海拔、不同工况发动机最佳冷却液温度MAP。

本发明的有益效果是：

本发明可在平原模拟发动机在高原环境下运行工况，准确模拟发动机在高原环境下的本体散热状况，实现对发动机冷却液温度与流量的调节，其温度控制范围在50℃～120℃之间，温度波动小于±0.5℃，流量调节可实现发动机满负荷原机水泵的需求量，可方便、准确地进行发动机热平衡试验；同时发动机高原热平衡性能模拟试验方法的提出为进行发动机高原热平衡模拟试验，获取不同海拔、不同工况下发动机最佳冷却液温度与流量MAP提供了方法与途径，进一步为高原发动机散热系统设计和改进提供技术依据，减少高原实地试验费用，缩短高原发动机开发周期。

附图说明

图1所示为本发明的总体设计图；

图中，1-高原模拟舱体；2-常温常压区；3-高原环境模拟区；4-发动机及其试验装置；5-动机排气管路；6-高原环境模拟区排气管路；7-送风机；8-温度与湿度调节装置；9-高原环境模拟区进气管路；10、14-换热器；11-缓冲罐；12、13-真空泵；15、17、19-流量计；16、21-温度传感器；18-温控三通阀；20-电控水泵；22-比例阀；23-加热器；24-换热器；25-测功机；Ⅰ-冷却液可变流量控制系统；Ⅱ-冷却液恒温控制系统。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种发动机高原热平衡性能模拟试验系统及方法，将待测发动机放置于高原环境模拟舱内，舱体1隔断分为常温常压区2和高原环境模拟区3，常温常压区2可用于安置测功机等附属设备，高原环境模拟区3用于放置待测发动机4，可准确模拟发动机在高原环境下运行时机体散热状况；发动机排气管路5连接换热器10、缓冲罐11、控制阀与真空泵12，用以实现排气背压的模拟；高原环境模拟区3通过管路6连接换热器14、控制阀与真空泵13,用以实现高原环境模拟区3内低气压环境的模拟；高原环境模拟区3通过管路9连接送风机7、温度与湿度调节装置8以及控制阀，用以实现高原环境模拟区3内高低温、大气湿度的调节，并配合管路6实现低气压的模拟。

所述冷却液流量控制系统由温控三通阀(18)、电控水泵(20)、冷却液温度传感器(16)以及流量计(15)、(17)、(19)组成，当发动机处于启动预热阶段与低负荷阶段时，ECU通过控制温控三通阀(18)的大循环开启温度与开度，控制发动机大小循环流量分配比例保证合理的散热强度，当发动机处于中高负荷，温控阀大循环出口已全开，ECU通过电控水泵转速，达到试验所需的冷却液流量，实现发动机冷却液总流量的调节和大小循环流量的分配，得到不同海拔、不同工况最佳冷却液流量MAP，试验方法如下：

(1)同一海拔下发动机不同工况最佳冷却液流量MAP的获取：

模拟发动机在设定海拔下的试验环境条件；选取发动机工况点：从最低稳定转速800r/min到额定转速2100r/min，发动机转速每隔300r/min作为试验转速，选取最大负荷的20％、40％、60％、80％、100％作为负荷测量点，获得30个试验工况点。在每个试验工况点，控制发动机冷却液流量从50～400L/min改变，研究冷却液流量对发动机热平衡性能影响规律，同时在涡轮前排温(≤800℃)、缸内最高燃烧压力(≤16MPa)、冷却液温度(≤110℃)、进出水温差(5～9℃)的试验限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得发动机不同工况下最佳冷却液流量MAP。

(2)发动机不同海拔、不同工况下最佳冷却液流量MAP的获取：

模拟发动机在不同海拔(1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、5500m)下的试验环境条件；发动机工况点选取如(1)所述，研究不同海拔条件下发动机各工况点热平衡性能随冷却液流量变化规律，在涡轮前排温(≤800℃)、缸内最高燃烧压力(≤16MPa)、冷却液温度(≤110℃)、进出水温差(5～9℃)的限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得不同海拔、不同工况下最佳冷却液流量MAP。

所述冷却液恒温控制系统由加热器(23)、换热器(24)、电控比例阀(22)以及冷却液温度传感器(21)组成，外源水通过换热器对冷却液进行冷却，加热器与换热器接口处安装电控比例阀分配冷却液流量，电控比例阀开度与加热器工作状态由ECU控制；当冷却液温度低于设定值时，ECU通过比例控制阀(22)控制流经加热器(23)的冷却液流量增大，同时控制加热器(23)开始工作，当冷却液温度高于设定值，ECU通过比例阀控制通过换热器(24)的冷却液流量增大，增大对冷却液的冷却强度，保证发动机水温循序达到试验所需的测试温度点，实现发动机进水温度的调节，得到不同海拔、不同工况发动机最佳冷却液温度MAP，试验方法如下：

(1)同一海拔下发动机不同工况最佳冷却液温度MAP的获取：

模拟发动机在设定海拔下的试验环境条件；发动机工况选取方法同上述一致，在各试验工况点，通过冷却液恒温控制系统控制发动机进口温度在50～110℃之间调节，研究不同工况下发动机冷却液温度对发动机热平衡性能影响规律，在涡轮前排温(≤800℃)、缸内最高燃烧压力(≤16MPa)、进出水温差(6～9℃)的限制条件下，以发动机有效热效率优化目标，获得发动机不同工况发动机最佳冷却液温度MAP。

(2)发动机不同海拔、不同工况下最佳冷却液温度MAP的获取：

模拟发动机在不同海拔(1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、5500m)下的试验环境条件；发动机工况选取方法同上述一致，研究不同海拔条件下发动机各工况点热平衡性能随冷却液温度变化规律，在涡轮前排温(≤800℃)、缸内最高燃烧压力(≤16MPa)、进出水温差(5～9℃)的限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得不同海拔、不同工况下最佳冷却液温度MAP。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种发动机高原热平衡性能模拟试验方法，其特征在于:通过调节高原模拟舱内的压力、温度、相对湿度和紫外线强度来模拟发动机在0～5500m海拔时的试验环境条件，即101～47kPa之间的大气压力、-45℃～70℃之间的大气温度、15％～95％之间的相对湿度和0～10W/㎡之间的紫外线强度；并通过冷却液温度、流量控制方法分别控制发动机冷却液温度、流量的变化，进行不同海拔、不同工况条件下发动机热平衡性能试验，获得不同海拔、不同工况下发动机最佳冷却液温度MAP与最佳冷却液流量MAP，冷却液温度控制范围是：50℃～120℃，波动小于±0.5℃；流量控制范围是：0～400L/min，波动小于±1％；

所述冷却液流量控制方法是：

(1)同一海拔下发动机不同工况最佳冷却液流量MAP的获取：

模拟发动机在设定海拔下的试验环境条件；选取发动机工况点：从最低稳定转速800r/min到额定转速2100r/min，发动机转速每隔300r/min作为试验转速，选取最大负荷的20％、40％、60％、80％、100％作为负荷测量点，获得30个试验工况点，在每个试验工况点控制发动机冷却液流量从50～400L/min改变，研究冷却液流量对发动机热平衡性能影响规律；同时在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、冷却液温度≤110℃、进出水温差5～9℃的试验限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得发动机不同工况下最佳冷却液流量MAP；

(2)发动机不同海拔、不同工况下最佳冷却液流量MAP的获取：

模拟发动机在海拔1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、5500m下的试验环境条件；发动机工况点选取如(1)一致，研究不同海拔条件下发动机各工况点热平衡性能随冷却液流量变化规律，在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、冷却液温度≤110℃、进出水温差5～9℃的限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得不同海拔、不同工况下最佳冷却液流量MAP；

所述冷却液温度的控制方法是：

(1)同一海拔下发动机不同工况最佳冷却液温度MAP的获取：

模拟发动机在设定海拔下的试验环境条件；选取发动机工况点：从最低稳定转速800r/min到额定转速2100r/min，发动机转速每隔300r/min作为试验转速，选取最大负荷的20％、40％、60％、80％、100％作为负荷测量点，获得30个试验工况点，在各试验工况点控制发动机进口温度在50～110℃之间调节，研究不同工况下发动机冷却液温度对发动机热平衡性能影响规律，在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、进出水温差6～9℃的限制条件下，以发动机有效热效率优化目标，获得发动机不同工况发动机最佳冷却液温度MAP；

(2)发动机不同海拔、不同工况下最佳冷却液温度MAP的获取：

模拟发动机在海拔1000m、2000m、3000m、4000m、5000m、5500m下的试验环境条件；发动机工况选取方法同(1)一致，研究不同海拔条件下发动机各工况点热平衡性能随冷却液温度变化规律，在涡轮前排温≤800℃、缸内最高燃烧压力≤16MPa、进出水温差5～9℃的限制条件下，以发动机有效热效率为优化目标，获得不同海拔、不同工况下最佳冷却液温度MAP。

2.一种根据权利要求1所述的发动机高原热平衡性能模拟试验方法所用的系统，包括舱体，其特征在于：舱体内分割成常温常压区和高原环境模拟区，常温常压区内放置测功机和ECU，高原模拟区内设置待测发动机、冷却液流量控制系统和冷却液恒温控制系统；

所述待测发动机的排气管路连接换热器、缓冲罐、控制阀与真空泵，用以实现排气背压的模拟；

所述高原环境模拟区通过管路连接换热器、控制阀与真空泵，用以实现高原环境模拟区内低气压环境的模拟；高原环境模拟区通过管路连接送风机、温度与湿度调节装置以及控制阀，用以实现高原环境模拟区内高低温、大气湿度的调节，并配合管路实现低气压的模拟；

所述冷却液流量控制系统包括温控三通阀、电控水泵、冷却液温度传感器以及流量计，温控三通阀和电动水泵受ECU控制实现发动机冷却液总流量的调节和大小循环流量的分配，得到不同海拔、不同工况最佳冷却液流量MAP；

所述冷却液恒温控制系统包括加热器、换热器、电控比例阀和冷却液温度传感器，ECU对电控比例阀与加热器进行协调控制，可实现发动机进水温度的调节，得到不同海拔、不同工况发动机最佳冷却液温度MAP。