可變換熱量冷卻液溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

翟紹春，于士博，李云虹，黎觀生

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

冷卻液溫度控制系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度精確控制，維持發(fā)動(dòng)機(jī)工作在理想的溫度條件下，極大限度地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的熱負(fù)荷及熱交換環(huán)境。由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度對(duì)整機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和燃燒、排放特性均有較明顯的影響規(guī)律，冷卻液溫度控制系統(tǒng)控溫能力和控溫精度決定了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、重復(fù)一致性，因此發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度控制系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分[1-2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，一般是按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行溫度控制。在GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中冷卻液的出口溫度控制在88±5℃[3]，很多企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷卻液的出口溫度要求比國(guó)標(biāo)還要嚴(yán)格。

現(xiàn)有的冷卻液溫控系統(tǒng)都有一定的換熱范圍[4]。由于各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室的冷卻水溫度、流速和各種發(fā)動(dòng)機(jī)換熱需求都不一樣。很難有一種冷卻液溫控系統(tǒng)能夠兼容到所有發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的冷卻液換熱需求。為了盡量擴(kuò)大冷卻液溫控系統(tǒng)的換熱范圍并獲得好的控制效果，需要從循環(huán)換熱管路和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度控制系統(tǒng)要滿足冷卻液溫度控制外，還要滿足冷卻液壓力和流量控制目標(biāo)。

1 冷卻系統(tǒng)帶走的熱量

由于冷卻系統(tǒng)的散熱受很多因素影響，其散熱量Qw，很難精確計(jì)算。可以通過(guò)一些簡(jiǎn)化公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果也能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校準(zhǔn)要求。可以使用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算Qw：

式中：A為傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱量的百分比，對(duì)汽油機(jī)A=0.23～0.3，對(duì)柴油機(jī)A=0.18～0.25；ge為內(nèi)燃機(jī)燃料消耗量，kg/（kW·h）；Ne為內(nèi)燃機(jī)功率，kW；hn為燃料低熱值，kJ/kg。

具有一般指標(biāo)的內(nèi)燃機(jī)，在額定工況時(shí)，柴油機(jī)ge可取0.210～0.270 kg/（kW·h），汽油機(jī) ge可取 0.300～0.340 kg/（kW·h）；柴油機(jī)和汽油機(jī)的低熱值可分別取41 870 kJ/kg和43 100 kJ/kg，將此值代入式（1）可得：汽油機(jī) Qw=(0 .85～1.10) Ne；柴油機(jī) Qw=(0 . 50～0.78) Ne。

對(duì)于壓縮比較低燃燒室不緊湊的汽油機(jī)，傳給冷卻液的熱量多，Qw應(yīng)取上限，即Qw=(1 . 00～1.10) Ne；對(duì)于高壓縮比 (ε＞8)的汽油機(jī)，可取Qw=(0 . 85～0.95) Ne。車用柴油機(jī)Qw=(0 .60～0.75) Ne。直接噴射柴油機(jī)可取較小值，預(yù)燃室和渦流室柴油機(jī)可取較大值。增壓的直接噴射式柴油機(jī)由于掃氣的冷卻作用，加之單位功率的冷卻面積小，可取Qw=(0 .5～0.6) Ne[6-7]。

圖1 冷卻液溫控系統(tǒng)原理圖

現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)功率主要集中在80～200 kW，根據(jù)汽油機(jī)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的散熱量Qw為72～180 kJ/s。

2 循環(huán)水泵選型計(jì)算

在計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)所需散走的熱量后，可通過(guò)式（2）計(jì)算冷卻液循環(huán)量：

式中：Δtw為冷卻液循環(huán)的容許溫升（6～12℃）；rw為冷卻液密度；Cw為冷卻液比熱。

取 Qw=180 kJ/s， Δtw=10 ℃， rw=1 030 kg/m3， Cw=3.551 kJ/(kg·℃)，計(jì)算得Vw=17.8 m3/h。

考慮到冷卻液溫控系統(tǒng)中壓力和流量的調(diào)節(jié)要求，要在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出口處設(shè)置旁通管路，故泵的流量應(yīng)大于17.8 m3/h，根據(jù)泵的規(guī)格、型號(hào)可選泵的吸排口直徑DN40的管道循環(huán)泵，其額定流量為20 m3/h，揚(yáng)程18 m。

3 換熱器選型

換熱器的計(jì)算選型是決定冷卻液溫控系統(tǒng)溫控效果優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一[8]。由于本項(xiàng)目所開(kāi)發(fā)的溫控系統(tǒng)不是針對(duì)某一具體發(fā)動(dòng)機(jī)，而是需要兼顧到企業(yè)所研發(fā)的大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)型。為了獲得好的控制精度，采用雙換熱器并聯(lián)方式。對(duì)于換熱量需求小的小功率發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中只使用其中一個(gè)換熱器；對(duì)于換熱量需求大的大功率發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中使用兩個(gè)換熱器同時(shí)換熱。通過(guò)公式（3）計(jì)算換熱器的理論散熱面積：

式中：K為換熱器換熱系數(shù)，查得K=800 W/(m2·℃)；Δtm為冷熱介質(zhì)平均溫差。

計(jì)算冷熱介質(zhì)平均溫差：

式中：T1為冷卻液進(jìn)口溫度，取90℃；T2為冷卻液出口溫度，取82℃；t1為冷卻水進(jìn)口溫度，取20℃；t2為冷卻水出口溫度，取26℃。

通過(guò)式（4）計(jì)算得到Δtm=62.99℃，再將此值代入式（3）得到理論換熱面積S=3.6 m2。換熱器的選型面積可在理論計(jì)算的面積上乘以一個(gè)安全系數(shù)即1.5S=5.4 m2。根據(jù)換熱器產(chǎn)品的規(guī)格，可選兩個(gè)2.8 m2的板式換熱器。在進(jìn)行小功率發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)使用一個(gè)換熱器即可滿足換熱需求；當(dāng)需要對(duì)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用兩個(gè)換熱器同時(shí)工作以滿足試驗(yàn)過(guò)程中的散熱需求。

4 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷卻液溫控系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到冷卻液中的熱量主要是通過(guò)換熱器與外部冷卻水進(jìn)行換熱以達(dá)到維持發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度調(diào)節(jié)與穩(wěn)定的效果。調(diào)節(jié)過(guò)程中是通過(guò)合流型比例閥10分配通過(guò)換熱器5和6的熱介質(zhì)的比例。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出口冷卻液溫度比目標(biāo)值高，通過(guò)換熱器的冷卻液就多；如果發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度比目標(biāo)值低，則比例閥調(diào)節(jié)通過(guò)換熱器的冷卻液的比例就變小。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度對(duì)比例閥進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。當(dāng)測(cè)試小功率發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要的換熱量少，關(guān)閉閥7，系統(tǒng)只有一個(gè)換熱器6參與換熱；當(dāng)測(cè)試大功率發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要的換熱量大，打開(kāi)閥7，此時(shí)換熱器5和6同時(shí)參與換熱。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了膨脹水箱A，膨脹水箱的主要作用有：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液受熱膨脹時(shí)，提供膨脹空間；補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液；通過(guò)在主管道中連接小管（DN10）到膨脹水箱分離發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液內(nèi)的氣泡；通過(guò)液位計(jì)15目測(cè)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的液位；通過(guò)壓力表16限制系統(tǒng)壓力（≤0.15 MPa）；冷卻液的液位和壓力報(bào)警，觸發(fā)自動(dòng)補(bǔ)液或通知試驗(yàn)人員及時(shí)補(bǔ)液。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)輔助加熱箱B，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)過(guò)程中使用加熱器為冷卻液加溫縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的熱機(jī)時(shí)間。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了補(bǔ)液系統(tǒng)，當(dāng)膨脹水箱A中低于最低液位時(shí)，可以向系統(tǒng)中補(bǔ)充冷卻液以保證管路中有足夠多的冷卻液。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示。

圖2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

5 運(yùn)行驗(yàn)證

使用所開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫控系統(tǒng)對(duì)企業(yè)的某款發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供冷卻液溫度控制，選取的溫度調(diào)節(jié)點(diǎn)為80℃、85℃、90℃、93℃和95℃，其在各個(gè)溫度點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況和調(diào)節(jié)效果如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，本系統(tǒng)溫度控制精度可以達(dá)到±1℃，從圖3所示的溫控效果曲線可以看出試驗(yàn)中通過(guò)本溫控系統(tǒng)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度波動(dòng)小，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試的冷卻液溫度控制要求。

圖3 溫控效果曲線

表1 溫度調(diào)節(jié)情況表

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用雙換熱器并聯(lián)的回路結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制接入系統(tǒng)中的換熱器數(shù)量來(lái)兼容不同換熱需求的冷卻液溫控，以達(dá)到最佳的控制效果。使用三通比例閥控制流過(guò)換熱器冷卻液的量，調(diào)節(jié)冷卻液溫度到期望的范圍。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的冷卻液溫控系統(tǒng)在常用溫控范圍內(nèi)都能獲得滿意的溫控效果，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試時(shí)溫控要求。