發(fā)動機熱平衡測試及影響因素研究

雍安姣，付永宏，張林波，郭建峰

前言

發(fā)動機熱平衡測試臺架按照所用散熱器來源可分為臺架散熱器方式[1-2]和整車散熱器方式。臺架散熱器方式考慮到臺架的兼容性，其設(shè)計散熱能力一般都很大，多為水冷設(shè)備，且水路為多個臺架或?qū)嶒炇夜灿茫灰卓刂啤Ｒ恍┢髽I(yè)或單位考慮到水阻對熱平衡測試結(jié)果的影響，以及與整車追求一致性的目的，采用整車散熱器進行試驗[3-6]，該方法因主要冷卻部件來自于本車，故散熱器采用強制風(fēng)冷方式。對于臺架散熱器方式，存在水阻過大、管路熱損失嚴(yán)重、流量不可控、進出水溫差小等方面的弊端。整車散熱器方式，在流阻和流量分布上占優(yōu)勢，但因其依靠風(fēng)量控制溫度，不可避免會改變發(fā)動機周圍的流場分布，進而影響熱量分布和測試結(jié)果。同時，整車散熱器方式還存在風(fēng)側(cè)溫度不易測量的缺點。以上兩種方式，在實際測試中均存在測試誤差大、部分測點趨勢錯誤等缺陷。

據(jù)此，利用水冷式熱交換器簡化設(shè)計了新的測試臺架。發(fā)動機側(cè)可利用PID閥和旁通管路進行發(fā)動機水溫的控制[6-7]，另一側(cè)水路可自由控制流量及進出口溫差。與常規(guī)測試方法相比，具有流量分布與整車相當(dāng)、熱損失小、結(jié)構(gòu)簡單靈活和測試精度高等優(yōu)點。對比發(fā)現(xiàn)，通過該方法，可使測試數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著提升。且在此基礎(chǔ)上，研究了不同進氣溫度、臺架風(fēng)機開啟與否和不同水溫情況下的熱平衡特點。

1 臺架測試誤差分析

1.1 熱平衡誤差對整車水溫仿真的影響

臺架熱平衡測試值是整車水溫分析計算的直接輸入，其精度對水溫的計算結(jié)果影響很大。假設(shè)發(fā)動機傳遞到冷卻系統(tǒng)的熱功率從20逐漸增加至24kW，分析其變化對于散熱器進水溫度的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 冷卻系統(tǒng)熱功率變化與散熱器水溫變化關(guān)系

由表可見，冷卻系統(tǒng)熱功率每增加10%即2kW，會使散熱器進水溫度升高近5℃。使用常規(guī)測試方法，熱功率誤差一般為20%左右，嚴(yán)重影響水溫計算結(jié)果的可信度。

因此，必須提高臺架測試的精度，進而提升仿真預(yù)測的準(zhǔn)確度。

1.2 傳感器精度與測試誤差的關(guān)系

對于同種介質(zhì)，其單位時間內(nèi)吸收或放出的熱量為

式中:Cp為被測液體熱容；M為被測液體的質(zhì)量流量；ΔT為被測液體進出口溫差。

假設(shè)流量計誤差為a%；溫度傳感器誤差為d T，K；試驗中各數(shù)據(jù)真值為Q＝Cp·M·ΔT，則誤差邊界下的可能測試值為[8-9]

則被測液體熱功率誤差百分比為

據(jù)此，常見的幾種傳感器的熱功率誤差與溫差的關(guān)系曲線如圖1所示。

由圖可見:傳感器精度越高，熱功率誤差越低；同等傳感器精度下，溫差越大，熱功率誤差越低；流量計精度對于熱功率誤差影響較小；當(dāng)溫差增大到一定程度時，增大溫差對測試精度的提升收效不大。

溫差對熱量測試精度的影響，舉例如下:以流量計精度1%、溫度傳感器精度0.5K為例，同樣測試工況下，當(dāng)被測液體溫差為3℃時，誤差為34%，若提升液體溫差至15℃，則誤差降為7.6%，將測試溫差提升至25℃時，則誤差降至4.96%，完全符合工程數(shù)據(jù)誤差要求。

圖1 流量計及溫度傳感器精度與熱量測試精度關(guān)系圖

1.3 提升臺架測試精度的措施

基于以上分析，提升測試精度的有效方法應(yīng)是:在合理的傳感器精度前提下，盡可能地增大被測液體的進出口溫差。常規(guī)測試方法，因無法調(diào)控臺架散熱器水流量，溫差一般為2～10℃。即使傳感器精度較高，也存在11%～50%的誤差。對于工程中常用的中低負(fù)荷，誤差可達20%以上，無法滿足實際工程使用需求。

根據(jù)能量守恒原理，散熱器兩側(cè)進行熱交換的能量相等。因此，可通過計算散熱器冷卻水側(cè)的熱量來獲取發(fā)動機散熱量。通過減小冷卻水流量可達到增大冷卻水進出口溫差的目的，且減小冷卻水流量，對于熱平衡后的熱交換量和發(fā)動機本身熱量分布毫無影響。另外，即使采用精度較低的傳感器，只要保證足夠的溫差，同樣能獲得較高的測試精度。所以這是一種新穎且經(jīng)濟有效的測試方法。

2 發(fā)動機臺架搭建

測試系統(tǒng)原理如圖2所示，測試臺架如圖3所示。

圖2 測試系統(tǒng)原理圖

圖3 測試臺架實物圖

需要注意的是，熱交換器內(nèi)部含有PID流量控制回路，以便于控制發(fā)動機冷卻液側(cè)溫度。

3 測試數(shù)據(jù)對比

基于以上分析，對原有臺架進行改造設(shè)計[10]。并依據(jù)提升精度的措施，進行了測試。由于條件所限，未能在同一臺發(fā)動機上進行方法對比。圖4和圖5為兩款發(fā)動機分別采用新舊方法的熱平衡測試map圖。很明顯，舊方法在中低負(fù)荷區(qū)存在大量趨勢不合理的數(shù)據(jù)點，而新方法測試數(shù)據(jù)趨勢合理，曲面光滑，符合邏輯，說明新方法在測試質(zhì)量上獲得了大幅提升。

圖4 使用舊方法測試的某發(fā)動機熱功率map圖

4 熱平衡關(guān)鍵影響因素研究

圖5 使用新方法測試的某發(fā)動機熱功率map圖

發(fā)動機的燃燒過程非常復(fù)雜，燃燒狀態(tài)和周邊介質(zhì)狀態(tài)不同，均可導(dǎo)致熱平衡結(jié)果的變化。因此，通過理論公式對熱平衡進行分析意義不大，通常是進行臺架驗證。在臺架測試精度大幅提高的情況下，對一些可控可測的因素進行臺架驗證，更能獲取可靠的信息和結(jié)論。對于熱平衡測試，較為顯著的影響因素有:環(huán)境溫度、發(fā)動機水溫、臺架測試艙內(nèi)的風(fēng)速、控制策略、進氣溫度和環(huán)境艙內(nèi)部布局等。考慮目前發(fā)動機臺架設(shè)備的實際情況，重點研究了發(fā)動機水溫、排氣降溫風(fēng)機開啟與否和進氣溫度3個因素對發(fā)動機熱平衡的影響[9，11]。

4.1 發(fā)動機不同水溫對熱平衡測試結(jié)果的影響

發(fā)動機冷卻水溫不同，代表著發(fā)動機內(nèi)部液體黏度特性不同、摩擦損失也不同，進而導(dǎo)致散熱量也不同。圖6為某增壓發(fā)動機在88和105℃水溫情況下的熱平衡map圖。由圖可見，水溫對熱平衡測試結(jié)果有顯著的影響。但不同水溫時，曲線整體趨勢一致，低溫狀態(tài)下熱平衡測試結(jié)果普遍高于高溫狀態(tài)。其原因是105℃是發(fā)動機較理想的工作溫度，摩擦損失和液體黏度均較低，故熱損失較小。

圖6 不同發(fā)動機水溫?zé)崞胶鉁y試結(jié)果

4.2 臺架風(fēng)機開啟與否對熱平衡測試結(jié)果的影響

實際臺架測試時，某些大負(fù)荷工況，必須對排氣系統(tǒng)進行強制風(fēng)冷，否則會導(dǎo)致排氣溫度過高，試驗無法進行。由于空間限制，發(fā)動機布置趨于緊湊，冷卻風(fēng)多會直接吹拂到發(fā)動機本體，影響發(fā)動機本體與測試環(huán)境的對流換熱量，進而影響發(fā)動機的熱平衡測試。因此，對某款渦輪增壓發(fā)動機進行了排氣風(fēng)機開啟與否的對比試驗。試驗中，缸體各處風(fēng)速均有差異，平均約3m/s，測試結(jié)果如圖7所示(為使圖形清晰易辨，僅呈現(xiàn)3組數(shù)據(jù)結(jié)果)。

圖7 臺架風(fēng)機開啟與否熱平衡測試結(jié)果

由圖7可知，開風(fēng)機后，相同工況下的熱平衡測試結(jié)果均比不開風(fēng)機時約小3kW。該數(shù)值與測試風(fēng)速有直接關(guān)系。

4.3 不同進氣溫度對熱平衡測試結(jié)果的影響

不同的進氣溫度，會影響實際參與燃燒的空氣質(zhì)量，引起發(fā)動機控制策略的改變，進而影響實際的燃油消耗率和熱平衡測試結(jié)果。因此，對某渦輪增壓發(fā)動機進行了進氣溫度為43和60℃時的對比試驗，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同進氣溫度熱平衡測試結(jié)果

由圖可見，進氣溫度越高，對應(yīng)的熱平衡測試值也越高，但不同溫度時曲線整體趨勢一致。由于試驗條件所限，僅進行了兩個轉(zhuǎn)速下的試驗，數(shù)據(jù)量相對較少，還不足以進行整體趨勢的判定。

5 結(jié)論

綜上所述，發(fā)動機熱平衡試驗精度對整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配至關(guān)重要。通過增大測試液體進出口溫差的方法，可將熱平衡測試誤差控制在5%以內(nèi)，且該方法經(jīng)濟有效，可操作性強。對現(xiàn)有試驗設(shè)備進行改型設(shè)計后，利用該方法得出的試驗結(jié)果，測試數(shù)據(jù)質(zhì)量顯著提高。

當(dāng)測試精度較差時，很多因素的影響往往被大誤差所掩蓋而未能呈現(xiàn)。在測試精度提升的基礎(chǔ)上，重點研究了發(fā)動機水溫、排氣降溫風(fēng)機開啟與否和進氣溫度3個因素對發(fā)動機熱平衡的影響。結(jié)果表明，這3個因素對發(fā)動機熱平衡測試結(jié)果均有較大影響。

發(fā)動機水溫越接近最佳工作溫度范圍，熱損失越小，105℃水溫的熱平衡測試值低于88℃水溫的熱平衡測試值；風(fēng)機吹拂發(fā)動機本體會改變發(fā)動機熱量分布，導(dǎo)致熱平衡測試值降低，開風(fēng)機后，相同工況下的熱功率值比不開風(fēng)機時小3kW左右，該差值大小與吹拂發(fā)動機機體的風(fēng)速直接相關(guān)；發(fā)動機實際進氣溫度越高，熱平衡測試值越大，當(dāng)進氣溫度相差約20℃時，熱平衡測試值相差約4kW。