桂樹國，薛飛舞，汪　涌，趙　超，劉　星

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系,安徽 合肥 230011；2.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022)

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某型汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)試驗研究

桂樹國1，薛飛舞2，汪涌1，趙超2，劉星2

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學院 機械工程系,安徽 合肥 230011；2.安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230022)

摘要：為了解決某型2.4 L國產(chǎn)發(fā)動機使用過程中出現(xiàn)的水溫較高甚至經(jīng)常開鍋的問題，更好地提升發(fā)動機的品質(zhì)和性能，對該型發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行了開發(fā)試驗.用發(fā)動機樣機匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)，用故障發(fā)動機匹配原冷卻系統(tǒng)，在試驗臺架上進行了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)試驗，在進行穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗、氣蝕試驗和節(jié)溫器動態(tài)試驗的過程中，收集了壓力、流量和溫度等試驗數(shù)據(jù)，得到了相關(guān)參數(shù)和特征量的變化曲線，測量了發(fā)動機的最高工作溫度，確定了發(fā)動機各個部件的壓力損失、發(fā)動機膨脹水箱蓋開啟壓力及節(jié)溫器開啟溫度與流量的關(guān)系，驗證了該型發(fā)動機匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；系統(tǒng)開發(fā)；臺架試驗

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)在汽車動力系統(tǒng)中有著特別重要的作用，它可以在發(fā)動機工作時對溫度進行合理的調(diào)節(jié)與控制，使發(fā)動機在正常的溫度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn).冷卻系統(tǒng)的匹配與設(shè)定直接影響到發(fā)動機的動力輸出表現(xiàn)、使用壽命、可靠性和燃油經(jīng)濟性，TCI(Turbo Charger with Inter-cooler，即廢氣渦輪增壓中冷)技術(shù)進一步提高了發(fā)動機的有效功率.將某型國產(chǎn)2.4 L發(fā)動機改進后匹配2.2 L TCI發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，將2.4 L故障發(fā)動機匹配原冷卻系統(tǒng)，進行相同的試驗研究，最后對試驗收集的數(shù)據(jù)進行對比分析.

1試驗準備

1.1　發(fā)動機樣機參數(shù)(見表1)

表1　發(fā)動機樣機參數(shù)Tab.1　Engine prototype parameters

1.2　設(shè)備與邊界條件

試驗設(shè)備名稱和型號如表2所示.

表2　實驗設(shè)備的名稱和型號Tab.2　Name and model of lab equipment

試驗的邊界條件：燃料為93#汽油；潤滑油為SG 15W-40；冷卻液為防凍液；進氣系統(tǒng)為整車進氣系統(tǒng)；排氣系統(tǒng)為整車排氣系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)為整車冷卻系統(tǒng).

1.3　試驗方案

方案一：2.4 L發(fā)動機樣機匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)后進行穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗、氣蝕試驗等整車冷卻系統(tǒng)試驗，測量壓力損失與流量的關(guān)系、發(fā)動機冷卻液流量與溫度的關(guān)系、節(jié)溫器溫度與流量的關(guān)系，評價搭配的冷卻系統(tǒng)是否可以滿足發(fā)動機和整車的要求.

方案二：2.4 L故障發(fā)動機(水溫較高時)匹配原冷卻系統(tǒng)，進行與方案一相同內(nèi)容的試驗，測量相同的試驗參數(shù)，驗證發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的性能.

1.4　傳感器的布置

試驗用傳感器的名稱和測量內(nèi)容如表3所示.傳感器位置如圖1所示，在試驗臺架上布置傳感器的位置如圖2所示.

表3　傳感器的名稱和測量內(nèi)容Tab.3　Sensor’s name and measuring content

圖1　傳感器布置位置Fig.1　Sensor’s layout placement diagram

圖2　臺架布置實物圖Fig.2　Test-bench layout entity picture

2試驗

2.1　2.4 L樣機匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)

2.1.1穩(wěn)態(tài)壓力分布

(1)在2.4 L原形機上布置2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)，更換的主要部件有節(jié)溫器、節(jié)溫器閥座、水泵、小循環(huán)進水鋼管、小循環(huán)出水鋼管、出水口、水泵密封墊等.

(2)按照整車冷卻系統(tǒng)布置安裝發(fā)動機，按要求布置壓力傳感器.同時，按照布置圖的位置安裝流量計1臺，量程為0~300 L/min，精度為±0.5%.

(3)試驗為非點火試驗，要求節(jié)溫器模擬全開，發(fā)動機冷卻用自來水，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 000 r/min開始，以500 r/min為步長，一直到發(fā)動機最高額定轉(zhuǎn)速.要求在每個測量工況點穩(wěn)定后測量相關(guān)參數(shù)，穩(wěn)態(tài)壓力分布測量數(shù)據(jù)見表4.

表4　穩(wěn)態(tài)壓力分布測量數(shù)據(jù)ab.4　Steady-state pressure distribution measurement data

(4)發(fā)動機散熱器的最大流量為136 L/min，流量和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，最大總流量為171 L/min.冷卻系統(tǒng)流量分布如圖3所示.

圖3　2.4 L樣機+2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)流量分布 Fig.3　2.4 L+2.2 L TCI prototype flux distribution of the cooling system

(5)散熱器的壓力損失為36.5 kPa,前后暖風機對應的壓力損失分別為7.8 kPa和7 kPa，節(jié)流閥體的壓力損失為16.9 kPa.冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)壓力分布如圖4所示.

圖4　冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓力分布Fig.4　Cooling system steady-state pressure distribution diagram

根據(jù)前期的零部件壓力損失和流量關(guān)系，計算出前暖風機的流量為11.9 L/min，后暖風機的流量為16.9 L/min，節(jié)氣門的流量為6.64 L/min.

2.1.2氣蝕試驗

(1)發(fā)動機的冷卻液采用防凍液.

(2)利用壓縮空氣給膨脹水箱增加壓力，增加壓力調(diào)節(jié)壓力閥和卸壓閥來調(diào)節(jié)膨脹水箱的內(nèi)部壓力.

(3)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的布置要求和整車冷卻系統(tǒng)一致，節(jié)溫器全開,全開升程≥8 mm.

(4)在試驗時逐漸向膨脹水箱增加壓力，記錄每個點冷卻液的流量和水泵前的壓力,一直增加到發(fā)動機冷卻液流量達到最大.分析試驗數(shù)據(jù)，找出發(fā)動機冷卻液流量在最大流量的97%時的工況點.

(5)分別測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速在4 900 r/min時，冷卻液在不同溫度(84 ℃,100 ℃,110 ℃)下的有關(guān)數(shù)據(jù)，在發(fā)動機冷卻液流量為最大流量97%的工況點時，當溫度為110 ℃、水泵前的壓力為66 kPa時，測量膨脹水箱的壓力為90.6 kPa.當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 900 r/min，不同冷卻液溫度下氣蝕試驗結(jié)果如圖5所示.

圖5　轉(zhuǎn)速為4 900 r/min時不同冷卻液溫度下的氣蝕試驗 Fig.5　Cavitation corrosion test at different coolant temperatures at 4 900 r/min

(6)測量發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速(4 400 r/min，4 900 r/min，5 500 r/min)、冷卻液的溫度在100 ℃、發(fā)動機冷卻液流量達到最大流量的97%時，對應的水泵泵前壓力為50 kPa，膨脹水箱壓力為79.2 kPa.當冷卻液溫度為100 ℃時，不同轉(zhuǎn)速氣蝕試驗結(jié)果如圖6所示.

圖6　冷卻液溫度在100 ℃時的氣蝕試驗Fig.6　Coolant cavitation corrosion test at 100 ℃

(7)在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為5 500 r/min、冷卻液溫度為110 ℃、發(fā)動機冷卻液流量達到最大流量的97%時，對應的水泵泵前壓力為96.5 kPa，膨脹水箱壓力為116.5 kPa，大于整車的膨脹水箱開啟壓力.當發(fā)動機的最大持續(xù)工作溫度為108 ℃、冷卻液溫度為110 ℃時，不同轉(zhuǎn)速下氣蝕試驗結(jié)果如圖7所示.

圖7　冷卻液溫度在110 ℃時的氣蝕試驗Fig.7　Coolant cavitation corrosion test at 110 ℃

2.1.3節(jié)溫器動態(tài)試驗

(1)在節(jié)溫器石蠟表面布置溫度傳感器，在發(fā)動機進水口布置流量傳感器.

(2)當發(fā)動機轉(zhuǎn)速4 900 r/min時，記錄發(fā)動機冷卻液的溫度和流量.

(3)當開閥升程為0.35 mm時，溫度為(82±2)℃可滿足設(shè)計的技術(shù)要求.節(jié)溫器在溫度為92 ℃時能夠全開，滿足設(shè)計的技術(shù)要求.節(jié)溫器的動態(tài)試驗(模擬全開/自然狀態(tài))結(jié)果如圖8所示.

圖8　溫器的動態(tài)試驗(模擬全開/自然狀態(tài))Fig.8　Thermostat dynamic test (mock/natural opening)

2.2　故障機試驗匹配原冷卻系統(tǒng)

故障機匹配原冷卻系統(tǒng)后進行冷卻系統(tǒng)試驗，方法和步驟與2.4 L發(fā)動機匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)試驗相同.

2.2.1穩(wěn)態(tài)壓力分布

試驗結(jié)果表明，發(fā)動機散熱器的最大流量為70 L/min，并且各個工況點流量的線性關(guān)系不好，特別是當轉(zhuǎn)速達到3 000 r/min以后，實際的流量和要求相差比較大.

2.2.2氣蝕試驗

(1)當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 900 r/min、不同的冷卻液溫度在發(fā)動機冷卻液流量為最大流量的97%的工況點時，水泵前最大壓力為68 kPa，對應的整車的膨脹水箱開啟壓力為110 kPa.

(2)當冷卻液溫度為100 ℃、不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速在發(fā)動機冷卻液流量為最大流量的97%的工況點時，發(fā)動機水泵前的壓力為41 kPa，對應的膨脹水箱壓力為88 kPa.當冷卻液溫度為100 ℃時，不同轉(zhuǎn)速下氣蝕試驗結(jié)果如圖9所示.

圖9　冷卻液溫度在100 ℃時的氣蝕試驗Fig.9　Coolant cavitation corrosion test at 100 ℃

(3)當冷卻液溫度為110 ℃時、不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速在發(fā)動機冷卻液流量為最大流量的97%的工況點時，水泵的進水壓力最大為85 kPa，對應的膨脹水箱壓力為134 kPa.當冷卻液溫度為110 ℃時，不同轉(zhuǎn)速下氣蝕試驗結(jié)果如圖10所示.

2.2.3節(jié)溫器動態(tài)試驗

節(jié)溫器的開啟溫度為82 ℃，當開閥升程為0.35 mm、溫度為(82±2)℃時，滿足設(shè)計的技術(shù)要求.當節(jié)溫器溫度為93 ℃時達到全開，滿足設(shè)計的技術(shù)要求.

3試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1　2.4 L樣機匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)

(1)水泵的最大流量為136 L/min、總流量為171 L/min時可以滿足2.4 L發(fā)動機的需要，膨脹水箱蓋的開啟壓力定為100~120 kPa.

(2)發(fā)動機最大的持續(xù)工作溫度為108 ℃.采用雙節(jié)溫器和節(jié)溫器閥座能較好地實現(xiàn)發(fā)動機的補水和排氣，而且膨脹水箱的進水軟管較短，可以避免發(fā)動機氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，雙節(jié)溫器的工作溫度滿足技術(shù)要求.

(3)在膨脹水箱開啟壓力為90 kPa的條件下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在4 900 r/min、冷卻液溫度在100 ℃時，未發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.

(4)冷卻液溫度在110 ℃時，發(fā)動機未發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.在發(fā)動機轉(zhuǎn)速在5 500 r/min、冷卻溫度在110 ℃時，發(fā)動機處于氣蝕現(xiàn)象的臨界狀態(tài).

3.2　故障機匹配原冷卻系統(tǒng)

(1)水泵的最大流量為70 L/min.此流量較低，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達3 000 r/min以后，流量和實際要求相差比較大，在額定工況點流量相差30%，故在實際行駛中容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.

(2)當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5 500 r/min、冷卻液溫度為100 ℃時，發(fā)動機處于氣蝕臨界狀態(tài)；在水溫為110 ℃、發(fā)動機轉(zhuǎn)速在4 900 r/min時，已經(jīng)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象；在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為5 500 r/min時，氣蝕現(xiàn)象非常嚴重.

(3)在膨脹水箱開啟壓力為90 kPa的條件下，最高持續(xù)工作溫度為100 ℃時處于氣蝕現(xiàn)象的臨界狀態(tài).

(4)2.4 L原型機匹配冷卻系統(tǒng)的膨脹水箱開啟壓力定為120~140 kPa，發(fā)動機的最高工作溫度為110 ℃.

4結(jié)論與建議

(1)建議對2.4 L原型機匹配冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，采用2.2 L TCI冷卻系統(tǒng).

(2)試驗標定膨脹水箱的開啟壓力定為100~120 kPa，發(fā)動機的最高工作溫度為108 ℃，最高極限瞬態(tài)溫度為115 ℃.

(3)為了進一步驗證上述結(jié)論，需要繼續(xù)對鼻梁區(qū)進行溫度測量并對氣缸墊的設(shè)計進行驗證，以防止發(fā)動機局部過熱造成發(fā)動機開鍋.

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Experimental study and development of an

automobile-engine cooling system

GUI Shuguo1，XUE Feiwu2，WANG Yong1，ZHAO Chao2，LIU Xing2

(1.DepartmentofMechanicalEngineering，AnhuiVocationalandTechnicalCollege，Hefei230011，China；

2.AnhuiJiangHuaiAutomobileCompanyLimited，Hefei230022，China)

Abstract:In order to solve the problem of a higher water temperature, or boiling water in the course of using a home-made 2.4 L automobile-engine, to improve the quality and performance of the engine, the cooling system of this mode has been developed, validated and tested. A test plan has been made and adopted that both a prototype engine have matched a 2.2 L TCI engine cooling system and the original cooling system for the fault engine matching, and that experiment has been carried out on the test bed frame. In the process of the steady state pressure distribution test, cavitation erosion test and thermostat dynamic test, the test data of the pressure, flow rate and temperature has been collected; the related parameters curves and the characteristic curves change obtained, the engine maximum operating temperature measured, the pressure loss of the engine parts, engine expansion tank lid opening pressure and the relationship between thermostat opening temperature and flow rate determined. That validates the reliability and stability of the cooling system after matching 2.2 L TCI engine.

Key words:automobile-engine; cooling system; system development; the bench test

作者簡介：桂樹國(1977- )，男，安徽鳳臺人，副教授,主要從事機電一體化、機械加工與CAD/CAE/CAM等的教學與研究.

基金項目：2015年安徽省質(zhì)量工程教學研究重點項目(2015jyxm552)；教育部財政部支持高等職業(yè)學校提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力項目(教職成廳函〔2011〕71號);安徽省教育廳2014年高等學校省級質(zhì)量工程項目(2014jxtd077)

收稿日期：2015-06-20

中圖分類號：U467.2

文獻標志碼：A

文章編號：1674-330X(2015)04-0048-06