CN114993685A - 车用发动机冷却水路压力、流量测量方法 - Google Patents

车用发动机冷却水路压力、流量测量方法 Download PDF

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张洪瑀
刘玉明
张华利
李晓磊
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刘顺平
王悦
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Abstract

本发明公开了一种车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，所述方法包括如下步骤：步骤S1：绘制冷却系统原理图；步骤S2：布置冷却系统流量测点；步骤S3：试验方法。本发明能够实现冷却系统冷却液流动阻力的最优设计，通过准确的压力测量数据可以得到关键零部件水泵、缸体水套、气缸盖水套、水路、散热器的阻力，可以将冷却系统关键零部件加以改良，使每个部分都达到最优的状态，实现整个冷却系统的“低阻力”流动；能够实现温度设定点的合理调节，在每个发动机工况点使用多路控制阀优化冷却液流量分配，全面适应发动机实际运行时的冷却需求，从而实现对发动机水温在全运行工况的合理控制，延长发动机的使用寿命，提高发动机的工作效率。

Description

车用发动机冷却水路压力、流量测量方法
技术领域
本发明属于发动机测试技术领域，涉及一种车用发动机冷却水路压力、流量测试方法。
背景技术
随着汽车技术的不断进步，车用发动机的升功率和热效率都有了大幅度的提高。发动机冷却系统中冷却水温度、流量、速率、机内水流分布将直接影响发动机的可靠性、热量分布与能量利用，冷却系统工作性能的优劣，直接影响着动力系统的整体性能，成为制约发动机进一步发展的关键问题之一。因此设计适当的冷却水流量、压力以及合理的流场分布成为高效率、高强度发动机研究开发中不可缺少的重要环节。
以往在散热系统的计算中总是取水泵台架试验获得的最大流量值，而实车冷却系统阻力往往大于台架系统的阻力，造成设计值与实车系统存在一定的误差，这个问题一直困扰着车辆散热系统设计的技术人员，研究和解决这个问题对整车散热系统设计具有重要的意义。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，该方法可以较好的获得准确的实车冷却系统的压力和流量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，包括如下步骤：
步骤S1：绘制冷却系统原理图；
步骤S11：完成发动机冷却系统主要零部件构成及冷却系统循环方式确认；
步骤S12：完成发动机冷却系统主要零部件参数确认；
步骤S13：根据步骤S11、步骤S12发动机冷却系统主要零部件物理连接方式创建发动机冷却系统图；
步骤S14：根据节温器控制流向散热器的路线及流量不同，绘制发动机冷却系统原理图；
步骤S2：布置冷却系统压力和流量测点
步骤S21：结合步骤S14冷却系统循环模式和冷却系统零件利用率，选择最大范围(大循环)布置测点；
步骤S22：测点位置选择，由于车用发动机冷却系统管道、水套、散热器存在阻力，因此需要在步骤S11确认的发动机冷却系统主要零部件水泵、缸体、气缸盖、恒温器以及散热器前后都要布置压力和流量测点；
步骤S3：试验方法
步骤S31：根据步骤S12冷却系统零部件参数选择合适的流量传感器；
步骤S32：试验选取发动机转速范围1000～6000rpm外特性点进行试验；
步骤S33：以曲轴皮带轮转速为基准，利用角标仪测定发动机转速；
步骤S34：按照步骤S32选定工况，测定各试验条件下的冷却液流量、压力数据。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、能够实现冷却系统冷却液流动阻力的最优设计，通过准确的压力测量数据可以得到关键零部件水泵、缸体水套、气缸盖水套、水路、散热器的阻力，可以将冷却系统关键零部件加以改良，使每个部分都达到最优的状态，实现整个冷却系统的“低阻力”流动；
2、能够实现介质流动的精准布局，利用最少的冷却以到达最正确的温度分布，使得发动机各个部分能够在最优的温度设定点工作；
3、能够实现温度设定点的合理调节，在每个发动机工况点使用多路控制阀优化冷却液流量分配，全面适应发动机实际运行时的冷却需求，从而实现对发动机水温在全运行工况的合理控制，延长发动机的使用寿命，提高发动机的工作效率。
附图说明
图1为压力-流量特性曲线；
图2为高温冷却系统结构图；
图3为低温冷却系统结构图；
图4为高温冷却系统小循环(冷却液温度<50℃)模式；
图5为高温冷却系统小循环(50℃≤冷却液温度<100℃)模式；
图6为高温冷却系统小循环(100℃≤冷却液温度<103℃)模式；
图7为高温冷却系统大循环(103℃≤冷却液温度)模式；
图8为冷却系统压力、流量测点布置图；
图中：1-水泵；2-缸体；3-缸盖；4-恒温器壳体；5-蜡式恒温器；6-电子恒温器；7-机油冷却器；8-暖通温控阀；9-暖风；10-散热器；11-风扇；12-第一膨胀壶；13-电子水泵；14-水冷中冷器；15-增压器；16-第二膨胀壶；17-低温散热器；A1-发动机进水流量；A2-汽缸盖水套出水流量；A3-缸体水套出水流量；A4-小循环水流量；A5-暖通水流量；A6-发动机出水流量；A7-汽缸盖溢气水流量；A8-散热器溢气水流量；B1-水泵进水口压力；B2-水泵出水口压力；B3-汽缸盖水套出水压力；B4-缸体水套出水压力；B5-暖通回水压力；B6-机油冷却器出水口压力；B7-散热器回水口压力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种车用发动机冷却系统压力、流量测量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：绘制冷却系统原理图
步骤S11：完成发动机冷却系统主要零部件构成及冷却系统循环方式确认。
本发明测试案例为强制循环水冷系统。其工作过程为：水泵将冷却液由发动机外吸入并加压，使之经进水管从发动机前端流入发动机缸体水套。这样，冷却液从气缸壁吸收热量，温度升高；流到汽缸盖水套，再次受热升温后，从汽缸盖后端流出，沿出水管进入散热器内。经风扇的强力抽吸，空气流由前向后高速通过散热器。最终使受热后的冷却液在流经散热器的过程中，其热量不断地通过散热器，散发到大气中去。冷却液得到冷却，冷却了的冷却液流到散热器的底部后，又在水泵的吸入、加压下经进水管再压入缸体水套，如此不断地循环，从而使得发动机在高温条件下工作的零件不断地得到冷却。
步骤S12：完成发动机冷却系统主要零部件参数确认，包括水泵、缸体、汽缸盖、节温器、进水管、出水管、机油冷却器和膨胀壶等，其中：
水泵：转速比1.35，压力-流量特性曲线如图1所示；
缸体：水套容积600ml，管道阻力≤30kpa；
缸盖：水套容积870ml，管道阻力≤33kpa；
节温器：初开温度100℃，全开温度110℃；
电子节温器：无电初开温度103℃，全开温度115℃；
温控阀(暖通)：内径16mm，初开温度50℃；
进水口：管径30mm；
出水口：管径30mm；
小循环管路：管径18mm；
机油冷却器：管径
Figure BDA0003689578040000051
管道阻力≤35kpa；
冷却液膨胀箱：管径8mm，压力盖最大压力≤145kpa。
步骤S13：根据步骤S11发动机冷却系统主要零部件物理连接方式创建发动机冷却系统图。
图2所示为发动机主体冷却系统(即高温冷却系统)，包含发动机水泵、缸体水套、气缸盖水套、恒温器壳体、节温器、机油冷却器、暖风、散热器(主)、膨胀壶(主)、风扇等，冷却液在以上零部件之间流动并形成了一个封闭的稳压系统。具体结构如下：
高温冷却系统由水泵1、缸体2、缸盖3、蜡式恒温器5、电子恒温器6、机油冷却器7、暖通温控阀8、暖风9、散热器10、风扇11和第一膨胀壶12构成；
所述水泵1的进口与散热器10的出口相连，水泵1的出口分别与缸体2的水套进口和缸盖3的水套进口相连；
所述缸体2的水套出口装配蜡式恒温器5，缸盖3的水套出口在蜡式恒温器5的外部与电子恒温器6相连；
所述缸盖3的水套出口与暖风9相连，暖通温控阀8布置在暖风进水管中；
所述缸盖3的水套出口与机油冷却器7的进水口相连，机油冷却器7的出水口与水泵1的进水口相连；
所述电子恒温器6与散热器10的进水口相连；
所述第一膨胀壶12的壶底与水泵1的进水口相连，第一膨胀壶12的壶盖与散热器10的排气口、缸盖3的排气口和发动机的出水排气口相连。
图3所示为发动机附件冷却系统(即低温冷却系统)，由电子水泵、增压器、水冷中冷器、散热器(副)、膨胀壶(副)组成的，独立于高温冷却系统之外一路水路循环，由电子水泵独立控制其冷却液流量对压缩后的空气进行冷却，水空进行热交换；同时该冷却回路也可以对增压器进行冷却，保护中间体轴承能够正常运转。具体结构如下：
低温冷却系统由电子水泵13、水冷中冷器14、增压器15、第二膨胀壶16和低温散热器17构成；
所述电子水泵13的入口与低温散热器17的出口相连，电子水泵13的出口与水冷中冷器14的入口相连；
所述水冷中冷器14的出口与第二膨胀壶16相连；
所述第二膨胀壶16与低温散热器17的排气口相连；
所述增压器15的冷却进水口与水冷中冷器14的进水口相连，增压器15的冷却出水口与水冷中冷器14的出水口相连。
步骤S14：通常，冷却液在水冷系统内的循环流动路线有两条，一条为大循环，另一条是小循环，两者由冷却液是否流经散热器而进行区别，冷却强度也不同。小循环是指冷却液仅在发动机内部循环，而大循环则是冷却液在发动机与散热器间循环。因此需要根据利用节温器来控制流向散热器的路线及流量不同、绘制不同的发动机冷却系统原理图。
步骤S141：绘制高温冷却系统小循环(冷却液温度<50℃)原理图，如图4所示。蜡式恒温器和电子恒温器处于闭阀状态，流向散热器路径断开。暖通温控阀处于关闭状态，即使暖风打开，此时暖通管中冷却液也不进行流动。缸体水套出水口由于未达到蜡式恒温器的开启温度，此刻也处于关闭状态，无冷却液流出，缸体水套里冷却液快速升温。缸盖水套冷却液正常流出，流经机油冷却器对发动机机油进行一定的冷却，最后流回发动机水泵。此时水泵、缸盖水套、机油冷却器形成回路，保证了缸盖水套的冷却和润滑油的冷却需求，又保证了其他各系统快速达到最优工作状态。
步骤S142：绘制高温冷却系统小循环(50℃≤冷却液温度<100℃)原理图，如图5所示。蜡式恒温器和电子恒温器处于闭阀状态，流向散热器路径断开。暖通温控阀处于打开状态，暖通管中冷却液开始流动，机油冷却器对机油进行冷却，降低油温。缸体水套出水口处于关闭状态，无冷却液流出，缸体水套里冷却液快速升温。缸盖水套冷却液正常流出，此时水泵、缸盖水套、机油冷却器形成回路，保证了缸盖水套的冷却需求，又保证了润滑系统处于最优工作状态。
步骤S143：绘制高温冷却系统小循环(100℃≤冷却液温度<103℃)原理图，如图6所示。电子恒温器处于闭阀状态，流向散热器路径断开。暖通温控阀处于打开状态，暖通管中冷却液开始流动，机油冷却器对机油进行冷却，降低油温。蜡式恒温器处于开阀状态，缸体水套出水口处于打开状态，冷却液流出，与缸盖水套冷汇到一起，此时水泵、缸盖水套、缸体水套形成回路，使得整个回路温度保持在100℃的最优工作状态，此时的缸盖温度、缸体处于最优，经济性最好。
步骤S144：绘制高温冷却系统大循环(103℃≤冷却液温度)原理图，如图7所示。电子恒温器处于开阀状态，流向散热器路径打开，大循环模式开启。暖通温控阀处于打开状态，暖通管中冷却液开始流动，机油冷却器对机油进行冷却，降低油温。蜡式恒温器处于开阀状态，缸体水套出水口处于打开状态，冷却液流出，与缸盖水套冷汇到一起，此时水泵、缸盖水套、缸体水套以及散热器形成回路，使得整个回路温度开始降温，向最优状态进行调节。
步骤S2：布置冷却系统压力和流量测点
结合冷却系统循环模式和冷却系统零件利用率，选择最大范围布置测点。
如图8所示，A1测点布置在散热器与水泵连接管路之间，测量整个冷却水路的进水流量；A2测点布置在气缸盖水套出口位置，测量气缸盖水套出口流量；A3测点布置在缸体水套出口位置，测量缸体水套出口流量；A4测点布置在节温器壳体与水泵管路之间，测量小循环水路流量；A5测点布置节温器壳体与暖风的管路之间，测量流向暖风的冷却液流量；A6测点布置在发动机出水与散热器进水管路之间，测量发动机出水流量，A7测点布置在缸盖益气管与第一膨胀壶之间，测量益气管中的冷却液流量；A8测点布置在散热器益气管与第一膨胀壶之间，测量益气管中的冷却液流量；A9测点布置在第一膨胀壶与水泵进水口，测量第一膨胀壶补液流量。B1测点布置在散热器与水泵连接管路之间，测量水泵入口压力；B2测点布置水泵出口与缸体上水口之间，测量水泵出口压力；B3测点布置气缸盖水套出水口处，测量气缸盖出水压力；B4测点布置缸体水套出水口处，测量缸体水套出口压力；B5测点布置暖风回水管上，测量暖风回水管压力；B6测点布置机油冷却器后，测量机油冷却器后压力；B7测点布置在发动机出水口与散热器之间，测量发动机出水口压力。
步骤S3：试验方法
步骤S31：根据步骤S12冷却系统零部件参数选择合适的流量传感器，本发明采用东京计装的电磁流量计，A1～A6选择250L/min量程的电磁流量计，A7、A8选择55L/min量程的电磁流量计。
步骤S32：选取发动机转速范围1000～6000rpm外特性点进行试验。
步骤S33：以曲轴皮带轮转速为基准，利用角标仪测定发动机转速。
步骤S34：测定步骤S141、步骤S142、步骤S143、步骤S144各试验条件下的冷却液流量、压力，填写试验测量表，如表1、表2所示。
表1
Figure BDA0003689578040000101
Figure BDA0003689578040000111
表2
转速(rpm) B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
1000 145 148 123 132 122 102 85
2000 131 151 125 135 124 105 87
3000 112 154 128 137 125 107 90
4000 90 200 171 182 168 152 95
5000 68 267 237 248 233 218 99
5500 46 256 223 236 220 200 103

Claims (6)

1.一种车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤S1：绘制冷却系统原理图；
步骤S2：布置冷却系统压力和流量测点
结合冷却系统循环模式和冷却系统零件利用率，选择最大范围布置测点；
步骤S3：试验方法
步骤S31：根据冷却系统零部件参数选择合适的流量传感器；
步骤S32：试验选取发动机转速范围1000～6000rpm外特性点进行试验；
步骤S33：以曲轴皮带轮转速为基准，利用角标仪测定发动机转速；
步骤S34：按照步骤S32选定工况，测定各试验条件下的冷却液流量、压力数据。
2.根据权利要求1所述的车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，其特征在于所述步骤S1的具体步骤如下：
步骤S11：完成发动机冷却系统主要零部件构成及冷却系统循环方式确认；
步骤S12：完成发动机冷却系统主要零部件参数确认；
步骤S13：根据步骤S11、步骤S12发动机冷却系统主要零部件物理连接方式创建发动机冷却系统图；
步骤S14：根据节温器控制流向散热器的路线及流量不同，绘制发动机冷却系统原理图。
3.根据权利要求2所述的车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，其特征在于所述发动机冷却系统包括高温冷却系统和低温冷却系统，其中：
所述高温冷却系统包括水泵、缸体、缸盖、蜡式恒温器、电子恒温器、机油冷却器、暖通温控阀、暖风、散热器和第一膨胀壶；
所述水泵的进口与散热器的出口相连，水泵的出口分别与缸体的水套进口和缸盖的水套进口相连；
所述缸体的水套出口装配蜡式恒温器，缸盖的水套出口在蜡式恒温器的外部与电子恒温器相连；
所述缸盖的水套出口与暖风进水管相连，暖通温控阀布置在暖风进水管中；
所述缸盖的水套出口与机油冷却器的进水口相连，机油冷却器的出水口与水泵的进水口相连；
所述电子节温器与散热器的进水口相连；
所述第一膨胀壶的壶底与水泵的进水口相连，第一膨胀壶的壶盖与散热器的排气口、缸盖的排气口和发动机的出水排气口相连；
所述低温冷却系统包括电子水泵、水冷中冷器、增压器、第二膨胀壶和低温散热器；
所述电子水泵的入口与低温散热器的出口相连，电子水泵的出口与水冷中冷器的入口相连；
所述水冷中冷器的出口与第二膨胀壶相连；
所述第二膨胀壶与低温散热器的排气口相连；
所述增压器的冷却进水口与水冷中冷器的进水口相连，增压器的冷却出水口与水冷中冷器的出水口相连。
4.根据权利要求3所述的车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，其特征在于所述发动机冷却系统原理图包括如下三种小循环原理图和一种大循环原理图：
高温冷却系统小循环原理图：冷却液温度<50℃，蜡式恒温器和电子恒温器处于闭阀状态，流向散热器路径断开；暖通温控阀处于关闭状态，暖通管中冷却液不进行流动；缸体水套出水口处于关闭状态，无冷却液流出，缸体水套里冷却液快速升温；缸盖水套冷却液正常流出，流经机油冷却器对发动机机油进行冷却，最后流回发动机水泵；此时水泵、缸盖水套、机油冷却器形成回路；
高温冷却系统小循环原理图：50℃≤冷却液温度<100℃，蜡式恒温器和电子恒温器处于闭阀状态，流向散热器路径断开；暖通温控阀处于打开状态，暖通管中冷却液开始流动，机油冷却器对机油进行冷却，降低油温；缸体水套出水口处于关闭状态，无冷却液流出，缸体水套里冷却液快速升温；缸盖水套冷却液正常流出；此时水泵、缸盖水套、机油冷却器形成回路；
高温冷却系统小循环原理图：100℃≤冷却液温度<103℃，电子恒温器处于闭阀状态，流向散热器路径断开；暖通温控阀处于打开状态，暖通管中冷却液开始流动，机油冷却器对机油进行冷却，降低油温；蜡式恒温器处于开阀状态，缸体水套出水口处于打开状态，冷却液流出，与缸盖水套冷汇到一起，此时水泵、缸盖水套、缸体水套形成回路；
高温冷却系统大循环原理图：103℃≤冷却液温度，电子恒温器处于开阀状态，流向散热器路径打开，大循环模式开启；暖通温控阀处于打开状态，暖通管中冷却液开始流动，机油冷却器对机油进行冷却，降低油温；蜡式恒温器处于开阀状态，缸体水套出水口处于打开状态，冷却液流出，与缸盖水套冷汇到一起，此时水泵、缸盖水套、缸体水套以及散热器形成回路。
5.根据权利要求1所述的车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，其特征在于所述步骤S2中，在发动机冷却系统主要零部件水泵、缸体、气缸盖、恒温器以及散热器前后布置压力和流量测点。
6.根据权利要求5所述的车用发动机冷却水路压力、流量测量方法，其特征在于所述测点的具体布置位置如下：
A1测点布置在散热器与水泵连接管路之间，测量整个冷却水路的进水流量；A2测点布置在气缸盖水套出口位置，测量气缸盖水套出口流量；A3测点布置在缸体水套出口位置，测量缸体水套出口流量；A4测点布置在节温器壳体与水泵管路之间，测量小循环水路流量；A5测点布置节温器壳体与暖风的管路之间，测量流向暖风的冷却液流量；A6测点布置在发动机出水与散热器进水管路之间，测量发动机出水流量，A7测点布置在缸盖益气管与第一膨胀壶之间，测量益气管中的冷却液流量；A8测点布置在散热器益气管与第一膨胀壶之间，测量益气管中的冷却液流量；A9测点布置在第一膨胀壶与水泵进水口，测量第一膨胀壶补液流量；B1测点布置在散热器与水泵连接管路之间，测量水泵入口压力；B2测点布置水泵出口与缸体上水口之间，测量水泵出口压力；B3测点布置气缸盖水套出水口处，测量气缸盖出水压力；B4测点布置缸体水套出水口处，测量缸体水套出口压力；B5测点布置暖风回水管上，测量暖风回水管压力；B6测点布置机油冷却器后，测量机油冷却器后压力；B7测点布置在发动机出水口与散热器之间，测量发动机出水口压力。
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