關(guān)于測試臺(tái)架氣水霧冷系統(tǒng)解析

秦奮，王丹丹，程雙安，程晨，冷雪鑫，韓金寶，陳長，齊洪波，汪記偉

關(guān)于測試臺(tái)架氣水霧冷系統(tǒng)解析

秦奮1,2，王丹丹1,2，程雙安1,2，程晨1,2，冷雪鑫1,2，韓金寶1,2，陳長1,2，齊洪波1,2，汪記偉1,2

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

在我國汽車產(chǎn)業(yè)核心零部件都走上了自主研發(fā)的道路，產(chǎn)業(yè)升級(jí)推動(dòng)研發(fā)設(shè)備升級(jí)的大背景下，文章開發(fā)了一種新型的氣水霧冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提高冷卻換熱過程響應(yīng)速率，可以在減少接觸面積的前提下保證同樣的冷卻效果，在同樣的接觸面積下可以提高控制響應(yīng)速度和控制精度。尤其是在動(dòng)態(tài)控制過程中，動(dòng)態(tài)跟隨性和控制穩(wěn)定性都得到了提高。該方案可以助推國內(nèi)溫控系統(tǒng)的發(fā)展，給國內(nèi)各大主機(jī)廠提供一種可選的推廣改善控制方案。

氣水霧；相同接觸面積提高響應(yīng)速率；相同冷卻效果減少接觸面積；無外循環(huán)冷卻

1 引言

在我國汽車產(chǎn)業(yè)核心零部件都走上了自主研發(fā)的道路，產(chǎn)業(yè)升級(jí)推動(dòng)研發(fā)設(shè)備升級(jí)的大背景下，研發(fā)測試設(shè)備怎么樣才能更靈活、更有效、更節(jié)能、更智能，這不單單是設(shè)備開發(fā)制作公司的事情，更是研發(fā)一線使用者的事情。

其中溫度的精確控制是機(jī)械測試行業(yè)最普遍的事情，在汽車動(dòng)力總成測試系統(tǒng)中就有發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制、發(fā)動(dòng)機(jī)空調(diào)散熱器散熱控制、增壓中冷控制、EGR冷卻控制、機(jī)油溫度控制等。吉利汽車在進(jìn)行甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)不進(jìn)行任何改造的情況下，進(jìn)行精確的機(jī)油溫度控制。吉利動(dòng)力研究院結(jié)合現(xiàn)場使用情況，通過風(fēng)冷與水冷相互融合的情況下，積極地探索出一種換熱效率更高，響應(yīng)速度更快，布置更靈活的氣水霧冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)在甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油冷卻系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)和推廣，對(duì)于其他冷卻系統(tǒng)，特別是增壓中冷控制有非常好的推廣價(jià)值。

2 氣水霧冷卻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.1 氣水霧冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造

氣水霧主要有四部分組成，壓縮空氣供給及噴射系統(tǒng)部分、壓力水供給部分、壓力水噴射部分、控制部分。具體如圖1所示。其中壓縮空氣供給及噴射系統(tǒng)是由壓縮空氣泵及控制系統(tǒng)組成，電源、空開、熔斷器、電機(jī)、空壓泵、蓄壓腔、安全閥等組成，主要是消耗電能，通過空壓機(jī)工作產(chǎn)生并儲(chǔ)存高壓壓縮空氣。通過蓄壓罐保存并持續(xù)向外供給。

本次試驗(yàn)測試中由于試驗(yàn)室自帶壓縮空氣供給管路，因此沒有使用壓縮空氣泵及相關(guān)組件，本次試驗(yàn)直接從壓縮空氣開關(guān)閥引出一路壓縮空氣供給管路。

壓縮空氣控制系統(tǒng)是由壓縮空氣供給管路、共軌軌道、電磁閥、傘狀噴頭等組成。其中供給管路有6bar壓縮空氣供給。與供給管路相連的是通過PLC精確控制的電磁閥，在電磁閥后有共軌軌道，傘狀噴頭與共軌管路相連接。根據(jù)被控溫度反饋值，PLC給電磁閥開關(guān)指令，通過電閥的控制，傘狀噴頭把規(guī)定量的壓縮空氣以一定壓力噴出，該壓力氣體會(huì)隨著變壓力的水一起霧化為水氣（壓力水后文有詳細(xì)解釋），霧化水氣以一定壓力噴射到換熱表面進(jìn)行換熱。

壓力水供給部分由水泵控制電路、電子水泵、過濾器、管路、蓄水箱、浮子補(bǔ)水開關(guān)、回水收集器、回水管路等部分組成，其中水泵由220V空開、熔斷器、電路等構(gòu)成回路進(jìn)行控制。其中水泵與蓄水箱通過水管連接，在水泵進(jìn)口處有串聯(lián)的過濾器，水在水泵的作用下，從蓄水箱通過過濾器濾清后進(jìn)入噴水軌道。其中浮子補(bǔ)水開關(guān)可以在蓄水箱水位下降后及時(shí)補(bǔ)水，確保水位在正常液位。保證設(shè)備持續(xù)工作。水泵出口以4bar壓力時(shí)時(shí)供給壓力噴射部分。

壓力水噴射部分主要包括特殊設(shè)計(jì)的噴軌和噴嘴，該噴軌內(nèi)含壓縮空氣共軌軌道，其中壓縮空氣噴口是通過壓力水噴口安裝到壓縮空氣共軌軌道上，壓縮空氣噴頭像一個(gè)傘裝的芯，可以調(diào)整水噴射貫穿度和霧化錐角。在高壓水噴射和高壓壓縮空氣噴射配合下，形成高壓氣水混合物，由氣帶水快速通過換熱面，形成高效快速冷卻。

控制部分是由傳感、執(zhí)行器和PLC控制器組成。PLC的輸入通道接受溫度傳感器信號(hào)，根據(jù)動(dòng)態(tài)控制設(shè)定值和實(shí)測監(jiān)控值比對(duì)，通過內(nèi)部預(yù)置控制邏輯運(yùn)算，最終調(diào)整后輸出控制命令，控制命令經(jīng)過放大電路調(diào)整后輸入給高速電磁閥。通過高速電磁閥的開啟和關(guān)閉可以做到高壓水的噴射壓力和流量控制，同時(shí)可以做到壓縮空氣的噴射壓力和噴射流量控制，四個(gè)可控因素按照最節(jié)能最高效的控制方式來控制執(zhí)行，能夠有效提高控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。

圖1 氣水霧冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造圖

2.2 氣水霧冷卻系統(tǒng)的工作原理

2.2.1氣水霧冷卻系統(tǒng)的開發(fā)需求

氣水霧冷卻系統(tǒng)是為滿足甲醇性能源發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)需求所開發(fā)，基于更好驗(yàn)證甲醇燃料發(fā)動(dòng)機(jī)甲醇燃燒殘留物質(zhì)對(duì)機(jī)油的作用和劣化數(shù)據(jù)收集。甲醇項(xiàng)目組提出了無外置循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻系統(tǒng)開發(fā)需求，綜合風(fēng)冷，聚風(fēng)引流方案，冷風(fēng)吹拂方案失敗之后的創(chuàng)新作品，能夠極大地提高控制響應(yīng)速度，完全滿足國Ⅵ甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)地試驗(yàn)開發(fā)需求，也引進(jìn)產(chǎn)生了新型溫控方式。

2.2.2氣水霧冷卻系統(tǒng)的原理

氣水霧冷卻系統(tǒng)由壓縮空氣供給及噴射系統(tǒng)部分、壓力水供給部分、壓力水噴射部分、控制部分組成。高壓壓縮氣體和高壓水通過特殊設(shè)計(jì)的水氣雙噴噴頭，可以大大提高液體霧化能力。以壓縮空氣為導(dǎo)流，以水霧為冷卻介質(zhì)，在PLC的精確控制下達(dá)到急速冷卻降溫。形成了高靈敏度的溫度控制裝置。可以達(dá)到更好的溫控動(dòng)態(tài)響應(yīng)性，可以適用于高動(dòng)態(tài)控制的溫控系統(tǒng)中，同時(shí)該方案可以提高升37%的單位循環(huán)量冷卻效果，能夠在有限的接觸面積下最大限度地提高冷卻效果，具有很好的適應(yīng)性。

3 氣水霧冷卻系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性影響分析

3.1 目標(biāo)設(shè)定值與實(shí)測值試數(shù)據(jù)對(duì)比

見圖2所示，從數(shù)據(jù)設(shè)定值和控制實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測試控制精度在0.07%以內(nèi)，完全滿足±2℃的要求。

3.2 預(yù)置相同工況下不同冷卻設(shè)備控制精度對(duì)比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)從2800rpm負(fù)荷46%運(yùn)行一段時(shí)間等機(jī)油溫度到達(dá)105℃時(shí)，分別使用風(fēng)冷系統(tǒng)、氣水霧系統(tǒng)、外循環(huán)溫控系統(tǒng)控制機(jī)油溫度到達(dá)100℃，設(shè)定臺(tái)架以相同的頻率記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、等常規(guī)參數(shù)外，必須帶有水溫和機(jī)油溫度，同時(shí)幾次試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)水溫必須控制在95±2℃以內(nèi)，記錄并對(duì)比降溫控制精度。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速拉升到3500rpm負(fù)荷55%，控制發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度在110℃，分別使用風(fēng)冷系統(tǒng)、氣水霧系統(tǒng)、外循環(huán)溫控系統(tǒng)進(jìn)行升溫控制驗(yàn)證。具體驗(yàn)證結(jié)果如下：

圖3 同工況不同設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

通過圖3可知，在初始溫度105℃時(shí)，目標(biāo)控制溫度為100℃，分別用三種不同的冷卻方式進(jìn)行冷卻，其中風(fēng)冷在20次測量時(shí)間內(nèi)幾乎沒有任何作用。水氣冷卻系統(tǒng)在第3次自動(dòng)記錄時(shí)已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)值，后續(xù)一直在目標(biāo)值附近波動(dòng)，整體在第3次測量后就達(dá)到了控制要求。外置冷卻系統(tǒng)在第9次測量后達(dá)到了目標(biāo)值附近并維持穩(wěn)定。當(dāng)初始溫度是100℃時(shí)，升溫到110℃的控制過程，風(fēng)冷系統(tǒng)幾乎不能起到冷卻作用，機(jī)油溫度隨著試驗(yàn)設(shè)定工況變化自然上升，水氣冷卻系統(tǒng)在第33次測量點(diǎn)位置，機(jī)油反饋溫度超過發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定值快速反應(yīng)，在其后的第3次自動(dòng)測量時(shí)達(dá)到了目標(biāo)溫度并持續(xù)下降，第6個(gè)測量點(diǎn)的位置達(dá)到了目標(biāo)值并保持穩(wěn)定。外循環(huán)溫控系統(tǒng)升溫很慢，在第43個(gè)測量點(diǎn)的位置，機(jī)油溫度還沒有升到目標(biāo)控制溫度。

4 發(fā)展方向及預(yù)測

（1）氣水霧溫控系統(tǒng)相比當(dāng)前市場主流溫控?fù)Q熱系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。

（2）氣水霧溫控系統(tǒng)具有設(shè)備體積小，能耗少，布置靈活的特點(diǎn)，由于不能很好地設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案，只能做粗略的體積對(duì)比，吉利自行設(shè)計(jì)的氣水霧系統(tǒng)在相同換熱量的前提下，換熱面積是原有的20%左右。

（3）氣水霧溫控系統(tǒng)更智能，更節(jié)能，具有4個(gè)可控變量，控制方案更優(yōu)。

5 結(jié)論

本文對(duì)氣水霧溫控系統(tǒng)的構(gòu)造、作用、工作原理以及優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)進(jìn)行研究與分析，通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的控制數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出此類改進(jìn)型溫控系統(tǒng)控制精度更高，響應(yīng)速率更高。為溫控設(shè)備制作和開發(fā)提供了一種應(yīng)用型改進(jìn)的新思路。

Analysis of Air-Water Mist Cooling System for Test Bench

Qin Fen1,2, Wang Dandan1,2, Cheng Shuangan1,2, Cheng Chen1,2, Leng Xuexin1,2, Han Jinbao1,2,Chen Chang1,2, Qi Hongbo1,2, Wang Jiwei1,2

（1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd, Zhejiang Ningbo 315336;2.Zhejiang Geely Powertrain Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315800）

Along with our country automobile industry core parts are on the path of the independent research and develop -ment, industrial upgrading to push against the background of research and development equipment upgrades, we developed a new type of gas water spray cooling system, the system can improve the response rate of heat transfer of cooling process, can reduce the contact area under the premise of guarantee the same cooling effect, under the same contact area can improve the control response speed and control precision. Especially in the process of dynamic control, dynamic follower and control stability are improved. This scheme can promote the development of domestic temperature control system and provide an alternative promotion and improvement control scheme for major domestic main engine factories.

Gas water mist; The same contact area increases the response rate; The same cooling effect reduces the contact area; No external circulation cooling

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.022

U462.1

B

1671-7988(2021)04-72-03

U462.1

B

1671-7988(2021)04-72-03

秦奮，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司、浙江吉利動(dòng)力總成有限公司。