桂樹(shù)國(guó)，薛飛舞，汪　涌，趙　超，劉　星

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)研究

桂樹(shù)國(guó)1，薛飛舞2，汪涌1，趙超2，劉星2

(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)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(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中出現(xiàn)的水溫較高甚至經(jīng)常開(kāi)鍋的問(wèn)題，更好地提升發(fā)動(dòng)機(jī)的品質(zhì)和性能，對(duì)該型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)試驗(yàn).用發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)，用故障發(fā)動(dòng)機(jī)匹配原冷卻系統(tǒng)，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)，在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗(yàn)、氣蝕試驗(yàn)和節(jié)溫器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的過(guò)程中，收集了壓力、流量和溫度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了相關(guān)參數(shù)和特征量的變化曲線，測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作溫度，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的壓力損失、發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹水箱蓋開(kāi)啟壓力及節(jié)溫器開(kāi)啟溫度與流量的關(guān)系，驗(yàn)證了該型發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；臺(tái)架試驗(yàn)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在汽車動(dòng)力系統(tǒng)中有著特別重要的作用，它可以在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)與控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)在正常的溫度范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn).冷卻系統(tǒng)的匹配與設(shè)定直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出表現(xiàn)、使用壽命、可靠性和燃油經(jīng)濟(jì)性，TCI(Turbo Charger with Inter-cooler，即廢氣渦輪增壓中冷)技術(shù)進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率.將某型國(guó)產(chǎn)2.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)后匹配2.2 L TCI發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，將2.4 L故障發(fā)動(dòng)機(jī)匹配原冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行相同的試驗(yàn)研究，最后對(duì)試驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析.

1試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1　發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)參數(shù)(見(jiàn)表1)

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)參數(shù)Tab.1　Engine prototype parameters

1.2　設(shè)備與邊界條件

試驗(yàn)設(shè)備名稱和型號(hào)如表2所示.

表2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備的名稱和型號(hào)Tab.2　Name and model of lab equipment

試驗(yàn)的邊界條件：燃料為93#汽油；潤(rùn)滑油為SG 15W-40；冷卻液為防凍液；進(jìn)氣系統(tǒng)為整車進(jìn)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?yán)鋮s系統(tǒng).

1.3　試驗(yàn)方案

方案一：2.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)壓力分布試驗(yàn)、氣蝕試驗(yàn)等整車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)，測(cè)量壓力損失與流量的關(guān)系、發(fā)動(dòng)機(jī)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(píng)價(jià)搭配的冷卻系統(tǒng)是否可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的要求.

方案二：2.4 L故障發(fā)動(dòng)機(jī)(水溫較高時(shí))匹配原冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行與方案一相同內(nèi)容的試驗(yàn)，測(cè)量相同的試驗(yàn)參數(shù)，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能.

1.4　傳感器的布置

試驗(yàn)用傳感器的名稱和測(cè)量?jī)?nèi)容如表3所示.傳感器位置如圖1所示，在試驗(yàn)臺(tái)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(cè)量?jī)?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(tái)架布置實(shí)物圖Fig.2　Test-bench layout entity picture

2試驗(yàn)

2.1　2.4 L樣機(jī)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(jī)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(jìn)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?yán)鋮s系統(tǒng)布置安裝發(fā)動(dòng)機(jī)，按要求布置壓力傳感器.同時(shí)，按照布置圖的位置安裝流量計(jì)1臺(tái)，量程為0~300 L/min，精度為±0.5%.

(3)試驗(yàn)為非點(diǎn)火試驗(yàn)，要求節(jié)溫器模擬全開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻用自來(lái)水，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min開(kāi)始，以500 r/min為步長(zhǎng)，一直到發(fā)動(dòng)機(jī)最高額定轉(zhuǎn)速.要求在每個(gè)測(cè)量工況點(diǎn)穩(wěn)定后測(cè)量相關(guān)參數(shù)，穩(wěn)態(tài)壓力分布測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4.

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

(4)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)+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(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)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(jì)算出前暖風(fēng)機(jī)的流量為11.9 L/min，后暖風(fēng)機(jī)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(yàn)

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)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(lái)調(diào)節(jié)膨脹水箱的內(nèi)部壓力.

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的布置要求和整車?yán)鋮s系統(tǒng)一致，節(jié)溫器全開(kāi),全開(kāi)升程≥8 mm.

(4)在試驗(yàn)時(shí)逐漸向膨脹水箱增加壓力，記錄每個(gè)點(diǎn)冷卻液的流量和水泵前的壓力,一直增加到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量達(dá)到最大.分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量在最大流量的97%時(shí)的工況點(diǎn).

(5)分別測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 900 r/min時(shí)，冷卻液在不同溫度(84 ℃,100 ℃,110 ℃)下的有關(guān)數(shù)據(jù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量為最大流量97%的工況點(diǎn)時(shí)，當(dāng)溫度為110 ℃、水泵前的壓力為66 kPa時(shí)，測(cè)量膨脹水箱的壓力為90.6 kPa.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 900 r/min，不同冷卻液溫度下氣蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

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

(6)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)冷卻液流量達(dá)到最大流量的97%時(shí)，對(duì)應(yīng)的水泵泵前壓力為50 kPa，膨脹水箱壓力為79.2 kPa.當(dāng)冷卻液溫度為100 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速氣蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.

圖6　冷卻液溫度在100 ℃時(shí)的氣蝕試驗(yàn)Fig.6　Coolant cavitation corrosion test at 100 ℃

(7)在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為5 500 r/min、冷卻液溫度為110 ℃、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量達(dá)到最大流量的97%時(shí)，對(duì)應(yīng)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(kāi)啟壓力.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大持續(xù)工作溫度為108 ℃、冷卻液溫度為110 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下氣蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.

圖7　冷卻液溫度在110 ℃時(shí)的氣蝕試驗(yàn)Fig.7　Coolant cavitation corrosion test at 110 ℃

2.1.3節(jié)溫器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

(1)在節(jié)溫器石蠟表面布置溫度傳感器，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口布置流量傳感器.

(2)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 900 r/min時(shí)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度和流量.

(3)當(dāng)開(kāi)閥升程為0.35 mm時(shí)，溫度為(82±2)℃可滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求.節(jié)溫器在溫度為92 ℃時(shí)能夠全開(kāi)，滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求.節(jié)溫器的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)(模擬全開(kāi)/自然狀態(tài))結(jié)果如圖8所示.

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

2.2　故障機(jī)試驗(yàn)匹配原冷卻系統(tǒng)

故障機(jī)匹配原冷卻系統(tǒng)后進(jìn)行冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)，方法和步驟與2.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)匹配2.2 L TCI冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)相同.

2.2.1穩(wěn)態(tài)壓力分布

試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的最大流量為70 L/min，并且各個(gè)工況點(diǎn)流量的線性關(guān)系不好，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min以后，實(shí)際的流量和要求相差比較大.

2.2.2氣蝕試驗(yàn)

(1)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 900 r/min、不同的冷卻液溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量為最大流量的97%的工況點(diǎn)時(shí)，水泵前最大壓力為68 kPa，對(duì)應(yīng)的整車的膨脹水箱開(kāi)啟壓力為110 kPa.

(2)當(dāng)冷卻液溫度為100 ℃、不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量為最大流量的97%的工況點(diǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水泵前的壓力為41 kPa，對(duì)應(yīng)的膨脹水箱壓力為88 kPa.當(dāng)冷卻液溫度為100 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下氣蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9　冷卻液溫度在100 ℃時(shí)的氣蝕試驗(yàn)Fig.9　Coolant cavitation corrosion test at 100 ℃

(3)當(dāng)冷卻液溫度為110 ℃時(shí)、不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量為最大流量的97%的工況點(diǎn)時(shí)，水泵的進(jìn)水壓力最大為85 kPa，對(duì)應(yīng)的膨脹水箱壓力為134 kPa.當(dāng)冷卻液溫度為110 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下氣蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.

2.2.3節(jié)溫器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度為82 ℃，當(dāng)開(kāi)閥升程為0.35 mm、溫度為(82±2)℃時(shí)，滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求.當(dāng)節(jié)溫器溫度為93 ℃時(shí)達(dá)到全開(kāi)，滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求.

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1　2.4 L樣機(jī)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(shí)可以滿足2.4 L發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，膨脹水箱蓋的開(kāi)啟壓力定為100~120 kPa.

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的補(bǔ)水和排氣，而且膨脹水箱的進(jìn)水軟管較短，可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)啟壓力為90 kPa的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 900 r/min、冷卻液溫度在100 ℃時(shí)，未發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.

(4)冷卻液溫度在110 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)未發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在5 500 r/min、冷卻溫度在110 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于氣蝕現(xiàn)象的臨界狀態(tài).

3.2　故障機(jī)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)3 000 r/min以后，流量和實(shí)際要求相差比較大，在額定工況點(diǎn)流量相差30%，故在實(shí)際行駛中容易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象.

(2)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 500 r/min、冷卻液溫度為100 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于氣蝕臨界狀態(tài)；在水溫為110 ℃、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在4 900 r/min時(shí)，已經(jīng)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為5 500 r/min時(shí)，氣蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重.

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

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

4結(jié)論與建議

(1)建議對(duì)2.4 L原型機(jī)匹配冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用2.2 L TCI冷卻系統(tǒng).

(2)試驗(yàn)標(biāo)定膨脹水箱的開(kāi)啟壓力定為100~120 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作溫度為108 ℃，最高極限瞬態(tài)溫度為115 ℃.

(3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，需要繼續(xù)對(duì)鼻梁區(qū)進(jìn)行溫度測(cè)量并對(duì)氣缸墊的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)局部過(guò)熱造成發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)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(jiǎn)介：桂樹(shù)國(guó)(1977- )，男，安徽鳳臺(tái)人，副教授,主要從事機(jī)電一體化、機(jī)械加工與CAD/CAE/CAM等的教學(xué)與研究.

基金項(xiàng)目：2015年安徽省質(zhì)量工程教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2015jyxm552)；教育部財(cái)政部支持高等職業(yè)學(xué)校提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力項(xiàng)目(教職成廳函〔2011〕71號(hào));安徽省教育廳2014年高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014jxtd077)

收稿日期：2015-06-20

中圖分類號(hào)：U467.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-330X(2015)04-0048-06