CN107271191B - 发动机热平衡试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发动机热平衡试验方法，通过设置一恒温水箱，将待试验的发动机的进水管和出水管与恒温水箱连接，通过控制恒温水箱中的水量，进而控制发动机的出水温度。本发明的发动机热平衡试验方法，不仅能够简化发动机台架的布置方法，而且降低了试验过程中控制出水温度的难度；最重要的能够提高发动机热平衡测试数据的可靠性，为分析发动机的性能提供更精确的数据，而且为热平衡仿真模拟提供必需的验证依据。
Description
技术领域
本发明属于发动机试验技术领域，具体的说，本发明涉及一种发动机热平衡试验方法。
背景技术
提高发动机的热效率，减少污染物排放一直是发动机研究的两大目标。而发动机冷却散热和排气热量在燃烧放热中占据很大比重，合理降低冷却液带走的热量和利用排气废热成为发动机热管理研究的重点。发动机热管理研究必须首先了解热量分配情况，确定发动机传热特性。而发动机热平衡试验可以分析发动机的传热特性和热量分配，为改善燃烧热量利用，提高发动机热效率提供参考依据。热平衡试验原理是根据热力学第一定律，假定将燃料完全燃烧产生的热量为100％，这些热量转变为几部分不同形式的能量存在，并且通过一系列的公式分别计算出燃料放出的总热量、转化为有效功的热量、冷却水带走的热量、损失到排气中的热量以及其他损失。其中冷却水带走的热量的公式是冷却液的定压比热、发动机进出水温度差值以及冷却液流量的乘积。
传统热平衡试验方法中，发动机进出水温度控制比较困难，因为发动机的出水温度是通过整车冷却系统控制的，通过手动调节冷却风扇的转速来调节散热器中的冷却水温度，从而达到控制发动机出水温度的目的。而由于冷却风扇的转速、冷却系统的体积等原因会导致发动机出水温度不稳定。如果保证定压比热和水流量的相对误差不变，若进出水温度差异超出2％，则计算所得冷却水带走的热量的误差会接近4％，这样计算下来的发动机热量分配情况就不能反映发动机真实的热量分配情况。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种发动机热平衡试验方法，目的是降低了试验过程中控制发动机的出水温度的难度，同时提高发动机热平衡测试数据的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：发动机热平衡试验方法，通过设置一恒温水箱，将待试验的发动机的进水管和出水管与恒温水箱连接，通过控制恒温水箱中的水量，进而控制发动机的出水温度。
试验时通过控制所述恒温水箱的出水流量，进而控制恒温水箱中的水温。
所述恒温水箱具有用于向外排水的水箱出水管，水箱出水管上设有用于控制出水流量大小的控制阀。
试验时通过PID算法调节所述控制阀的开度，进而控制所述恒温水箱的出水流量。
所述控制阀为球阀。
所述控制阀的控制方法包括步骤：
检查恒温水箱内的水位；
设定发动机出水温度的目标值；
根据发动机的实际出水温度与目标值之间的差异，调节控制阀的开度。
如果发动机的实际出水温度小于目标值，则需要增大所述控制阀的开度；如果发动机的实际出水温度大于目标值，则需要减小所述控制阀的开度。
检查恒温水箱内的水位时，只有在恒温水箱内的水位高于进水管与恒温水箱的连接位置后，才可以设定发动机出水温度的目标值。
所述出水管与所述恒温水箱的连接位置位于所述进水管与恒温水箱的连接位置的上方，恒温水箱内的水位高于进水管与恒温水箱的连接位置。
所述恒温水箱具有用于向内部补充水的水箱进水管，水箱进水管的位置高于所述出水管与恒温水箱的连接位置。
本发明的发动机热平衡试验方法，不仅能够简化发动机台架的布置方法，而且降低了试验过程中控制出水温度的难度；最重要的能够提高发动机热平衡测试数据的可靠性，为分析发动机的性能提供更精确的数据，而且为热平衡仿真模拟提供必需的验证依据。
附图说明
图1为发动机与恒温水箱的连接示意图；
图2为发动机出水温度控制原理图；
上述图中的标记均为：1、缸盖；2、缸体；3、水泵；4、节温器；5、流量传感器；6、恒温水箱；7、控制阀；8、发动机进水口；9、发动机出水口；10、出水口；11、入水口。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1所示，本发明提供了一种发动机热平衡试验方法，通过设置一恒温水箱，将待试验的发动机的进水管和出水管与恒温水箱连接，通过控制恒温水箱中的水温，进而控制发动机的出水温度。
本发明的试验方法不再通过主要由散热风扇和散热器构成的发动机冷却系统控制发动机的出水温度，发动机无需与发动机冷却系统相连接，避免了因散热风扇的控制困难而使得发动机进出水温度波动，而使得最后的试验结果出现比较大的偏差。从而在试验台架布置方面，舍弃了发动机冷却系统繁杂的布置方式，提高了试验准备的效率，还降低了因为整车不同的冷却系统而导致发动机热平衡变化的可能性。
本发明的试验方法主要采用精确控制恒温水箱中的水量，使得发动机进出水温度能够得到精确的控制。在试验过程方面，因为采用了PID方式调节控制阀的开启面积，所以试验过程更加简单，效率更高；在试验精度方面，通过调节恒温水箱的出水流量达到发动机进出水温差控制在0.1℃，相对误差更小，试验精度更高。如果发动机的实际出水温度小于目标值，则需要通过PID算法增大所述控制阀的开度，降低恒温水箱水量，降低发动机进水量流量，提高发动机出水温度；如果发动机的实际出水温度大于目标值，则需要减小所述控制阀的开度，增加恒温水箱流量，以降低发动机出水温度。
具体的说，如图1所示，发动机的进水管的一端与恒温水箱连接，发动机的进水管的另一端与节温器连接，节温器与发动机上所设的水泵连接，发动机的出水管的一端与恒温水箱连接，出水管与恒温水箱的连接位置位于进水管与恒温水箱的连接位置的上方。恒温水箱具有一个出水口和一个进水口，进水口位于恒温水箱的上端，出水口位于恒温水箱的下端。恒温水箱具有用于向内部补充水的水箱进水管和用于向外排水的水箱出水管，水箱出水管安装于出水口处，水箱进水管安装于进水口处，水箱进水管的位置高于发动机的出水管与恒温水箱的连接位置，水箱出水管的位置低于发动机的进水管与恒温水箱的连接位置。试验时，发动机上所设的水泵运转，恒温水箱中的水经进水管、节温器和水泵流入发动机的缸体和缸盖中，对发动机进行冷却，最后经出水管流入恒温水箱中，实现循环利用。
作为优选的，如图1所示，发动机的进水管上设有流量传感器，用于测量进入发动机的冷却水流量。
作为优选的，发动机的进水管和出水管与恒温水箱的连接位置位于恒温水箱的中间位置，恒温水箱内的水位高于发动机的进水管与恒温水箱的连接位置。这样设置是为了保证发动机本体的安全，不至于过热而损坏，一旦恒温水箱的水位低于发动机进水管位置，发动机没有足够的冷却液进行冷却，则需向恒温水箱中补充水。恒温水箱的水箱进水管和水箱出水管与外设的供水装置相连接，供水装置的水泵工作后会对恒温水箱进行补水，相应在恒温水箱中设有用于检测恒温水箱中水位的水位传感器。
试验时通过控制恒温水箱的出水流量，进而控制恒温水箱中的水温，而恒温水箱中的水温则通过PID控制恒温水箱的出水口的开度调节恒温水箱中的水量，从而控制发动机出水温度。如图1所示，水箱出水管上设有用于控制恒温水箱的出水流量大小的控制阀，控制阀与PID控制器(Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器)连接，试验时通过PID算法调节控制阀的开度，进而控制恒温水箱的出水流量。PID控制器还与设置于恒温水箱中的水位传感器和用于驱动供水装置的水泵工作的电动机相连接，PID控制器接受水位传感器发送的信号，并控制水泵和控制阀的运转。
控制阀优选为电动球阀，电动球阀的电动机与PID控制器相连接，受PID控制器的控制。发动机的工况不同，所带走的热量也不相同。PID控制器根据发动机出水目标温度控制的不同，调节控制阀具有不同的开度，可以控制恒温水箱的出水流量，以改变恒温水箱中的剩余水量，进而能够改变流入发动机中的水量，从而改变发动机的进水温度，经过一段时间的控制收敛，系统在满足发动机出水温度目标的同时，可以达到进水温度和出水温度之间的变化不超过0.1℃，也即可以将发动机的进水温度和出水温度之间的温差控制在不超过0.1℃，相对误差更小，试验精度更高。
如图2所示，控制阀的控制方法包括如下的步骤：
(1)整个发动机热平衡试验系统开始自检；
(2)检查恒温水箱内的水位；
(3)设定发动机出水温度的目标值；
(4)根据发动机的实际出水温度与目标值之间的差异，调节控制阀的开度。
在上述步骤(1)中，进行自检时，首先检查电动球阀的电动机和驱动供水装置的水泵的电动机等电器件，保证整个系统能够正常工作。
在上述步骤(2)中，检查恒温水箱内的水位时，如果恒温水箱中的水量不足，就需要外部水泵工作补充冷却水。只有在恒温水箱内的水位高于发动机的进水管与恒温水箱的连接位置后，才可以进行步骤(3)，设定发动机出水温度的目标值。
在上述步骤(4)中，如果发动机的实际出水温度小于目标值，则需要增大控制阀的开度；如果发动机的实际出水温度大于目标值，则需要减小控制阀的开度。
由发动机热平衡试验系统判断发动机的实际出水温度与目标值之间是否存在差异，如果发动机的实际出水温度小于设定的目标值，则需要增大控制阀的开度，以增大恒温水箱的出水流量，减小恒温水箱中的剩余水量，这样就减小了流入发动机中的水量，流入发动机中的水量少，则对发动机进行冷却时带走的热量也少，这样就提高了发动机的进水温度，从而可以提升发动机的出水温度。如果发动机的实际出水温度大于设定的目标值，则需要减小控制阀的开度，减小恒温水箱的出水流量，增大恒温水箱中的剩余水量，这样就增大了流入发动机中的水量，流入发动机中的水量多，则对发动机进行冷却时带走的热量也多，这样就降低了发动机的进水温度，从而可以降低发动机的出水温度；在减小控制阀的开度的同时，发动机热平衡试验系统还要检查控制阀的开度是否处于最小值，如果控制阀的开度处于最小值，则需要外部供水装置的水泵工作，迅速补充恒温水箱中的水量，以降低发动机的进水温度。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.发动机热平衡试验方法，其特征在于，通过设置一恒温水箱，将待试验的发动机的进水管和出水管与恒温水箱连接，通过控制恒温水箱中的水量，进而控制发动机的出水温度；
所述恒温水箱具有用于向外排水的水箱出水管，水箱出水管上设有用于控制出水流量大小的控制阀；
试验时通过PID算法调节所述控制阀的开度，进而控制所述恒温水箱的出水流量；
所述控制阀的控制方法包括步骤：
检查恒温水箱内的水位；
设定发动机出水温度的目标值；
根据发动机的实际出水温度与目标值之间的差异，调节控制阀的开度。
2.根据权利要求1所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，试验时通过控制所述恒温水箱的出水流量，进而控制恒温水箱中的水温。
3.根据权利要求2所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，所述控制阀为球阀。
4.根据权利要求2所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，如果发动机的实际出水温度小于目标值，则需要增大所述控制阀的开度；如果发动机的实际出水温度大于目标值，则需要减小所述控制阀的开度。
5.根据权利要求3或4所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，发动机的进水管的一端与恒温水箱连接，发动机的进水管的另一端与节温器连接，节温器与发动机上所设的水泵连接，发动机的出水管的一端与恒温水箱连接，发动机的进水管和出水管与恒温水箱的连接位置位于恒温水箱的中间位置，恒温水箱内的水位高于发动机的进水管与恒温水箱的连接位置。
6.根据权利要求5所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，所述恒温水箱具有一个出水口和一个进水口，进水口位于恒温水箱的上端，出水口位于恒温水箱的下端；恒温水箱具有用于向内部补充水的水箱进水管和用于向外排水的水箱出水管，水箱出水管安装于出水口处，水箱进水管安装于进水口处，水箱进水管的位置高于发动机的出水管与恒温水箱的连接位置，水箱出水管的位置低于发动机的进水管与恒温水箱的连接位置。
7.根据权利要求5所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，发动机的进水管上设有流量传感器。
8.根据权利要求2所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，检查恒温水箱内的水位时，只有在恒温水箱内的水位高于进水管与恒温水箱的连接位置后，才可以设定发动机出水温度的目标值。
9.根据权利要求1所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，所述出水管与所述恒温水箱的连接位置位于所述进水管与恒温水箱的连接位置的上方，恒温水箱内的水位高于进水管与恒温水箱的连接位置。
10.根据权利要求6所述的发动机热平衡试验方法，其特征在于，所述恒温水箱具有用于向内部补充水的水箱进水管，水箱进水管的位置高于所述出水管与恒温水箱的连接位置。
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