CN105673179B - 一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于发动机分体冷却与反向冷却的发动机智能冷却系统试验台及试验方法，所述的智能冷却系统试验台包括：发动机、测试台架、电控水泵、电子节温器、电控风扇、散热器、膨胀水箱、多个传感器及数据采集设备。本发明可进行发动机不同工况下分体冷却系统流量匹配标定试验，利用测功机对发动机进行加载从而为冷却系统提供多工况工作条件，通过数据采集设备采集缸盖、缸套温度及水套不同区域内冷却液温度、流量、水压等数据，并根据受热零部件冷却目标温度调节标定各阀门开度和电机转速，同时可定量分析冷却系统中水套热交换量和摩擦功耗等，从而综合评价冷却系统性能，为智能冷却系统的产品开发提供重要的试验依据。

Description

一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台 及试验方法

技术领域

本发明涉及发动机智能冷却领域，尤其一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台及试验方法。

背景技术

随着柴油机功率密度和缸内爆发压力的不断提升，包括缸盖、缸套等在内的受热零部件热负荷不断增大，其热失效案例也逐渐增多，而同时柴油机节能减排的方向是大势所趋。所以柴油机的不断发展对其可靠性、燃油经济性和排放性能都提出了更严格的要求，因此冷却系统应该为高热负荷区域提供足够的冷却强度以保证其热可靠性，同时减少热负荷区较低的区域的冷却流量以避免冷却强度的浪费，以此提高其燃油经济性。

而传统的冷却系统中针对缸盖、缸套的冷却采用一体化水套的方式，冷却液先进入机体水套冷却缸套后通过上水孔进入缸盖水套冷却缸盖，而由于缸盖热负荷较缸套高，此种冷却方式不能独立调节缸盖和缸套的冷却强度，因此会造成缸盖冷却不足或缸套过度冷却现象。而同时冷却液先冷却缸套后再冷却缸盖，势必造成缸盖水套冷却液温度比缸套水套冷却液温度高，这也是不利于缸盖、缸套冷却强度的合理调控的。

因此，针对缸盖、缸套冷却需求的不同，缸盖机体分体冷却技术得到了研究：对缸盖、机体分别采用独立冷却回路进行分体冷却可以通过独立调控各冷却回路流量大小而进行“精确冷却”。研究表明，采用分体冷却并合理分配冷却流量可以适当降低缸盖平均温度并提高缸套平均温度，降低整机冷却液热耗散量和水套功耗，降低缸套-活塞摩擦系数从而提升燃油经济性；同时采用分体冷却可以缩短发动机暖机时间，提高排放性能。另一方面，采用反向冷却技术可以通过提高关键区域冷却强度，降低缸盖底板火力面热应力，提高受热零部件热可靠性。因此，结合应用缸盖-机体分体冷却技术和反向冷却技术，提出一种基于二者的智能冷却系统对发动机的各项性能的提升是大有裨益的。

针对该新型智能冷却系统，研究人员需要研究不同负荷下电子水泵、电子风扇和电子节温器的控制策略，同时研究在该冷却系统中受热零部件温度、冷却液温度、各支流流量及冷却液温度等信号，以此分析该冷却系统整体散热量和水套功耗等。所以，搭建基于分体冷却和反向冷却的发动机智能冷却试验台及提出相应的试验方法和标定方法，对研究该冷却系统性能和冷却系统附件控制策略是有帮助的。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台及试验方法。

本发明的技术方案如下：一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台,其特征在于包括电控水泵、第一电控三通阀、第二电控三通阀、电控风扇、膨胀水箱、缸盖水套、机体水套、第一水温传感器、第二水温传感器、第三水温传感器、缸盖火力面温度传感器、缸套火力面温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第一水压传感器、第二水压传感器、第一电机、第二电机、数据采集系统、发动机及发动机台架；

所述的电控水泵和第一电控三通阀布置于缸盖水套及机体水套前端，并安装于发动机机体上，所述的电控水泵安装在第一电控三通阀的前端；缸盖、机体水套后端布有第二电控三通阀，第二电控三通阀安装于发动机缸盖上，第二电控三通阀的第一出口通过管道直接连接电控水泵，第二出口分为两个冷却液管道，一个冷却液管道经过散热器连接电控水泵，另一个冷却液管道经过膨胀水箱后连接电控水泵，电控风扇用于对散热器提供强制对流换热，第一电机驱动电控风扇，第二电机驱动电控水泵，缸盖火力面热电偶布置于缸盖火力面上，缸套火力面热电偶布置于缸套火力面上，第一温度传感器安装在缸盖水套出口，第二温度传感器安装在机体水套出口，第三温度传感器安装在第二电控三通阀的入口，第一流量传感器布置于电控水泵和第一电控三通阀之间，第二流量传感器和第三流量传感器分别布置于缸盖水套及缸套水套入口，第四流量传感器和第五流量传感器分别布置于第二电控三通阀第一出口和第二出口，第一水压传感器布置于电控水泵和第一电控三通阀之间，第二水压传感器布置于第二电控三通阀前端，数据采集系统与所有的传感器、电控三通阀和电机相连；发动机与电涡流测功机用弹性联轴器相连，发动机与电涡流测功机均安装于发动机台架。

在缸盖水套、机体水套内，冷却液流动方向均为自上而下。缸盖和机体采用独立的水套进行冷却。第一电控三通阀的第一出口连接缸盖水套，第二出口连接机体水套，缸盖水套和机体水套的出水管道汇合于第二电控三通阀之前。所述的第三温度传感器和第二水压传感器安装在缸盖水套和机体水套的出水管道汇合点后。

所述发动机智能冷却系统的冷却流量标定试验方法是：

在柴油机不同负荷试验过程中，第二电机驱动冷却水泵将冷却液泵入机内冷却流道，通过第一电控三通阀后分别进入缸盖水套及机体水套中冷却缸盖和缸套；冷却液分别进入缸盖水套和机体水套后，各自从缸盖及机体的上部冷却液入水口流入，从上至下冷却受热零部件后分别从缸盖和机体出水口流出，两路冷却液交汇于第二电控三通阀前，通过第二电控三通阀后分别从第一出口和第二出口流出，进入第一出口的冷却液直接进入电控水泵，形成小循环；而进入第二出口的冷却液通过膨胀水箱，由第一电机驱动的电子风扇为其提供强制水-空对流换热，降低冷却液温度后，冷却液进入电控冷却水泵，形成大循环，当第二电控三通阀的第二出口水温过高导致水压过高，且高于膨胀水箱水压时，冷却液自动流入膨胀水箱进行储水；当电控水泵入口水压低于膨胀水箱水压，冷却液自动流出膨胀水箱流入电控水泵进行补水；

在柴油机冷启动过程中，由于发动机机体升温比缸盖慢，故在暖机刚开始阶段，第一电控三通阀封闭缸套水套入口，冷却液完全泵入缸盖水套中，冷却缸盖后通过第二电控三通阀进入第一出口，即直接进入水泵形成小循环回路，冷却液在该回路中不断受到缸盖加热；缸套冷却液不参与循环流动，待缸套温度升高到预设限值T_b，第一电控三通阀打开缸套水套入口，缸盖和机体水套内冷却液分别冷却完缸盖和缸套后汇合于第二电控三通阀，在冷却液温度达到预设限值T_c前，第二电控三通阀仍旧关闭第二出口，冷却液通过水泵形成小循环回路，冷却液在该回路中同时受到缸盖及缸套加热；直到冷却液温度升高到预设限值T_c，第二电控三通阀开启第二出口，冷却液通过散热器散热后进入水泵，暖机过程结束；

在不同工况的试验过程中，缸盖火力面热电偶、缸套火力面热电偶获得温度数据传递至数据采集系统，控制单元根据温度信号控制第一电控三通阀的开度，从而调节进入缸盖水套和缸套水套中的冷却液流量；第三温度传感器测得缸盖水套与机体水套出水总管冷却液温度信号输送至数据采集系统，控制单元控制第二电控三通阀的开度，调节进入大、小循环的冷却液流量；同时，在确定整机散热量需求后，以最小化风扇功耗和水泵功耗为目标函数，控制单元根据整机热耗散量控制第一电机转速控制冷却风扇的冷却强度，并控制第二电机转速从而控制电控水泵进而调控进入缸盖水套和机体水套的冷却液总流量，在以上过程中对不同执行器进行标定；

试验中数据采集系统采集第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器信号，分别测得缸盖水套出水口水温、缸套水套出水口水温和二者汇合后的冷却液温度；同时采集第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第五流量传感器信号，分别测得整机水套进口流量、缸盖水套流量、缸套水套流量以及大、小循环流量等冷却液流量数据，作为试验和标定的反馈数据；同时采集第一压力传感器和第二压力传感器信号分别测得水套进出口总压。

本发明具有以下优点：

1.本冷却系统试验台可以对缸盖水套、机体水套进行独立冷却流量的调控，控制二者的冷却强度匹配；

2.本试验台可以对智能冷却系统各电子执行元件进行标定；

3.本试验台可以获取智能冷却系统在不同工况下各流道的流量、冷却液温度和压降等数据，进而分析冷却液散热量和水套功耗等。

附图说明

图1为基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台示意图；

图2为冷却系统控制部分示意图；

图3为缸盖水套和缸套水套内部冷却液流动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本冷却系统试验台主要包括机内冷却水套(缸盖、机体冷却水套)、机外冷却系统附件(电控水泵、电控风扇、电控三通阀、膨胀水箱)、传感器(温度传感器、流量传感器、压力传感器)和数据采集系统。

如图1所示，一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台包括电控水泵、第一电控三通阀、第二电控三通阀、电控风扇、膨胀水箱、缸盖水套、机体水套、第一水温传感器、第二水温传感器、第三水温传感器、缸盖火力面温度传感器、缸套火力面温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第一水压传感器、第二水压传感器、第一电机、第二电机、数据采集系统、发动机及发动机台架。

所述的电控水泵1和第一电控三通阀2布置于缸盖水套5及机体水套6前端，并安装于发动机机体4上，所述的电控水泵1安装在第一电控三通阀2的前端；缸盖、机体水套后端布有第二电控三通阀7，第二电控三通阀7安装于发动机缸盖3上，第二电控三通阀7的第一出口通过管道直接连接电控水泵1，第二出口分为两个冷却液管道，一个冷却液管道经过散热器8连接电控水泵1，另一个冷却液管道经过膨胀水箱12后连接电控水泵1，电控风扇9用于对散热器8提供强制对流换热，第一电机10驱动电控风扇9，第二电机11驱动电控水泵1，缸盖火力面热电偶24布置于缸盖火力面上，缸套火力面热电偶25布置于缸套火力面上，第一温度传感器17安装在缸盖水套出口，第二温度传感器18安装在机体水套出口，第三温度传感器19安装在第二电控三通阀7的入口，第一流量传感器13布置于电控水泵1和第一电控三通阀2之间，第二流量传感器15和第三流量传感器16分别布置于缸盖水套5及缸套水套6入口，第四流量传感器21和第五流量传感器22分别布置于第二电控三通阀7第一出口和第二出口，第一水压传感器14布置于电控水泵1和第一电控三通阀2之间，第二水压传感器20布置于第二电控三通阀7前端，数据采集系统与所有的传感器、电控三通阀和电机相连；发动机与电涡流测功机23用弹性联轴器相连，发动机与电涡流测功机(23)均安装于发动机台架。

在缸盖水套5、机体水套6内，冷却液流动方向均为自上而下。缸盖和机体采用独立的水套进行冷却。第一电控三通阀2的第一出口连接缸盖水套5，第二出口连接机体水套6，缸盖水套5和机体水套6的出水管道汇合于第二电控三通阀7之前。所述的第三温度传感器19和第二水压传感器20安装在缸盖水套5和机体水套6的出水管道汇合点后。

本发明还公开了一种所述发动机智能冷却系统试验台的试验方法：

在柴油机不同负荷试验过程中，第二电机11驱动冷却水泵1将冷却液泵入机内冷却流道，通过第一电控三通阀2后分别进入缸盖水套5及机体水套6中冷却缸盖和缸套；冷却液分别进入缸盖水套5和机体水套6后，各自从缸盖及机体的上部冷却液入水口流入，从上至下冷却受热零部件后分别从缸盖和机体出水口流出，两路冷却液交汇于第二电控三通阀7前，通过第二电控三通阀7后分别从第一出口和第二出口流出，进入第一出口的冷却液直接进入电控水泵1，形成小循环；而进入第二出口的冷却液通过膨胀水箱，由第一电机10驱动的电子风扇9为其提供强制水-空对流换热，降低冷却液温度后，冷却液进入电控冷却水泵1，形成大循环，当第二电控三通阀7的第二出口水温过高导致水压过高，且高于膨胀水箱12水压时，冷却液自动流入膨胀水箱12进行储水；当电控水泵1入口水压低于膨胀水箱12水压，冷却液自动流出膨胀水箱12流入电控水泵1进行补水；

在柴油机冷启动过程中，由于发动机机体4升温比缸盖3慢，故在暖机刚开始阶段，第一电控三通阀2封闭缸套水套6入口，冷却液完全泵入缸盖水套5中，冷却缸盖后通过第二电控三通阀7进入第一出口，即直接进入水泵1形成小循环回路，冷却液在该回路中不断受到缸盖加热；缸套冷却液不参与循环流动，待缸套温度升高到预设限值T_b，第一电控三通阀2打开缸套水套6入口，缸盖和机体水套内冷却液分别冷却完缸盖和缸套后汇合于第二电控三通阀7，在冷却液温度达到预设限值T_c前，第二电控三通阀7仍旧关闭第二出口，冷却液通过水泵1形成小循环回路，冷却液在该回路中同时受到缸盖及缸套加热；直到冷却液温度升高到预设限值T_c，第二电控三通阀7开启第二出口，冷却液通过散热器8散热后进入水泵1，暖机过程结束；

在不同工况的试验过程中，缸盖火力面热电偶24、缸套火力面热电偶25获得温度数据传递至数据采集系统，控制单元根据温度信号控制第一电控三通阀2的开度，从而调节进入缸盖水套5和缸套水套6中的冷却液流量；第三温度传感器19测得缸盖水套与机体水套出水总管冷却液温度信号输送至数据采集系统，控制单元控制第二电控三通阀7的开度，调节进入大、小循环的冷却液流量；同时，在确定整机散热量需求后，以最小化风扇功耗和水泵功耗为目标函数，控制单元根据整机热耗散量控制第一电机10转速控制冷却风扇9的冷却强度，并控制第二电机11转速从而控制电控水泵1进而调控进入缸盖水套和机体水套的冷却液总流量，在以上过程中对不同执行器进行标定。

如图2所示，在智能冷却系统试验台试验过程中，缸盖火力面热电偶23、缸套火力面热电偶24获得温度数据传递至数据采集系统，控制单元根据温度信号控制第一电控三通阀2的开度，从而调节进入缸盖水套5和缸套水套6中的冷却液流量；第三温度传感器19测得缸盖水套与机体水套出水总管冷却液温度信号输送至数据采集系统，控制单元控制第二电控三通阀10的开度，调节进入大、小循环的冷却液流量；同时控制单元根据整机热耗散量控制第一电机10转速控制冷却风扇9的冷却强度，并控制第二电机11转速从而控制电控水泵2进而调控进入缸盖水套和机体水套的冷却液总流量。在以上过程中对不同执行器进行标定。

试验中数据采集系统采集第一温度传感器17、第二温度传感器18和第三温度传感器19信号，分别测得缸盖水套出水口水温、缸套水套出水口水温和二者汇合后的冷却液温度；同时采集第一流量传感器13、第二流量传感器15、第三流量传感器16、第四流量传感器21、第五流量传感器22信号，分别测得整机水套进口流量、缸盖水套流量、缸套水套流量以及大、小循环流量等冷却液流量数据，作为试验和标定的反馈数据；同时采集第一压力传感器14和第二压力传感器20信号分别测得水套进出口总压。

如图3所示，为了实现反向冷却，在缸盖水套、机体水套内，冷却液流动方向均为自上而下。在缸盖水套内，冷却液从水套上方入口1进入水套后冷却缸盖上层的排气道等受热区域2，后通过中部水套3流入下层水套冷却火力面鼻梁区等高热负荷区域4，后汇总于缸盖水套出口5流出；在机体水套内，冷却液从水套上方入口6进入水套后部分绕流冷却上部高热负荷区域7，绕流过程中冷却液同时自上往下流8，后汇总于缸套水套出口9流出。

Claims (6)

1.一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台，其特征在于包括电控水泵、第一电控三通阀、第二电控三通阀、电控风扇、膨胀水箱、缸盖水套、机体水套、第一水温传感器、第二水温传感器、第三水温传感器、缸盖火力面温度传感器、缸套火力面温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、第四流量传感器、第一水压传感器、第二水压传感器、第一电机、第二电机、数据采集系统、发动机及发动机台架；

所述的电控水泵（1）和第一电控三通阀（2）布置于缸盖水套（5）及机体水套（6）前端，并安装于发动机机体（4）上，所述的电控水泵（1）安装在第一电控三通阀（2）的前端；缸盖、机体水套后端布有第二电控三通阀（7），第二电控三通阀（7）安装于发动机缸盖（3）上，第二电控三通阀（7）的第一出口通过管道直接连接电控水泵（1），第二出口分为两个冷却液管道，一个冷却液管道经过散热器（8）连接电控水泵（1），另一个冷却液管道经过膨胀水箱（12）后连接电控水泵（1），电控风扇（9）用于对散热器（8）提供强制对流换热，第一电机（10）驱动电控风扇（9），第二电机（11）驱动电控水泵（1），缸盖火力面热电偶（24）布置于缸盖火力面上，缸套火力面热电偶（25）布置于缸套火力面上，第一温度传感器（17）安装在缸盖水套出口，第二温度传感器（18）安装在机体水套出口，第三温度传感器（19）安装在第二电控三通阀（7）的入口，第一流量传感器（13）布置于电控水泵（1）和第一电控三通阀（2）之间，第二流量传感器（15）和第三流量传感器（16）分别布置于缸盖水套（5）及缸套水套（6）入口，第四流量传感器（21）和第五流量传感器（22）分别布置于第二电控三通阀（7）第一出口和第二出口，第一水压传感器（14）布置于电控水泵（1）和第一电控三通阀（2）之间，第二水压传感器（20）布置于第二电控三通阀（7）前端，数据采集系统与所有的传感器、电控三通阀和电机相连；发动机与电涡流测功机（23）用弹性联轴器相连，发动机与电涡流测功机（23）均安装于发动机台架。

2.根据权利要求1所述的一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台，其特征在于在缸盖水套（5）、机体水套（6）内，冷却液流动方向均为自上而下。

3.根据权利要求1所述的一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台，其特征在于缸盖和机体采用独立的水套进行冷却。

4.根据权利要求1所述的一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台，其特征在于第一电控三通阀（2）的第一出口连接缸盖水套（5），第二出口连接机体水套（6），缸盖水套（5）和机体水套（6）的出水管道汇合于第二电控三通阀（7）之前。

5.根据权利要求4所述的一种基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台，其特征在于所述的第三温度传感器（19）和第二水压传感器（20）安装在缸盖水套（5）和机体水套（6）的出水管道汇合点后。

6.一种如权利要求1所述基于分体冷却及反向冷却的发动机智能冷却系统试验台的试验方法，其特征在于：

在柴油机不同负荷试验过程中，第二电机（11）驱动冷却水泵（1）将冷却液泵入机内冷却流道，通过第一电控三通阀（2）后分别进入缸盖水套（5）及机体水套（6）中冷却缸盖和缸套；冷却液分别进入缸盖水套（5）和机体水套（6）后，各自从缸盖及机体的上部冷却液入水口流入，从上至下冷却受热零部件后分别从缸盖和机体出水口流出，两路冷却液交汇于第二电控三通阀（7）前，通过第二电控三通阀（7）后分别从第一出口和第二出口流出，进入第一出口的冷却液直接进入电控水泵（1），形成小循环；而进入第二出口的冷却液通过膨胀水箱（12），由第一电机（10）驱动的电子风扇（9）为其提供强制水-空对流换热，降低冷却液温度后，冷却液进入电控冷却水泵（1），形成大循环，当第二电控三通阀（7）的第二出口水温过高导致水压过高，且高于膨胀水箱（12）水压时，冷却液自动流入膨胀水箱（12）进行储水；当电控水泵（1）入口水压低于膨胀水箱（12）水压，冷却液自动流出膨胀水箱（12）流入电控水泵（1）进行补水；

在柴油机冷启动过程中，由于发动机机体（4）升温比缸盖（3）慢，故在暖机刚开始阶段，第一电控三通阀（2）封闭缸套水套（6）入口，冷却液完全泵入缸盖水套（5）中，冷却缸盖后通过第二电控三通阀（7）进入第一出口，即直接进入水泵（1）形成小循环回路，冷却液在该回路中不断受到缸盖加热；缸套冷却液不参与循环流动，待缸套温度升高到预设限值T_b，第一电控三通阀（2）打开缸套水套（6）入口，缸盖和机体水套内冷却液分别冷却完缸盖和缸套后汇合于第二电控三通阀（7），在冷却液温度达到预设限值T_c前，第二电控三通阀（7）仍旧关闭第二出口，冷却液通过水泵（1）形成小循环回路，冷却液在该回路中同时受到缸盖及缸套加热；直到冷却液温度升高到预设限值T_c，第二电控三通阀（7）开启第二出口，冷却液通过散热器（8）散热后进入水泵（1），暖机过程结束；

在不同工况的试验过程中，缸盖火力面热电偶（24）、缸套火力面热电偶（25）获得温度数据传递至数据采集系统，控制单元根据温度信号控制第一电控三通阀（2）的开度，从而调节进入缸盖水套（5）和缸套水套（6）中的冷却液流量；第三温度传感器（19）测得缸盖水套与机体水套出水总管冷却液温度信号输送至数据采集系统，控制单元控制第二电控三通阀（7）的开度，调节进入大、小循环的冷却液流量；同时，在确定整机散热量需求后，以最小化风扇功耗和水泵功耗为目标函数，控制单元根据整机热耗散量控制第一电机（10）转速控制冷却风扇（9）的冷却强度，并控制第二电机（11）转速从而控制电控水泵（1）进而调控进入缸盖水套和机体水套的冷却液总流量，在以上过程中对不同执行器进行标定；

试验中数据采集系统采集第一温度传感器（17）、第二温度传感器（18）和第三温度传感器（19）信号，分别测得缸盖水套出水口水温、缸套水套出水口水温和二者汇合后的冷却液温度；同时采集第一流量传感器（13）、第二流量传感器（15）、第三流量传感器（16）、第四流量传感器（21）、第五流量传感器（22）信号，分别测得整机水套进口流量、缸盖水套流量、缸套水套流量以及大、小循环流量，作为试验和标定的反馈数据；同时采集第一压力传感器（14）和第二压力传感器（20）信号分别测得水套进出口总压。