一種基于分體冷卻及反向冷卻的發動機智能冷卻系統試驗臺及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及發動機智能冷卻領域，尤其一種基于分體冷卻及反向冷卻的發動機智能冷卻系統試驗臺及試驗方法。
【背景技術】
[0002]隨著柴油機功率密度和缸內爆發壓力的不斷提升，包括缸蓋、缸套等在內的受熱零部件熱負荷不斷增大，其熱失效案例也逐漸增多，而同時柴油機節能減排的方向是大勢所趨。所以柴油機的不斷發展對其可靠性、燃油經濟性和排放性能都提出了更嚴格的要求，因此冷卻系統應該為高熱負荷區域提供足夠的冷卻強度以保證其熱可靠性，同時減少熱負荷區較低的區域的冷卻流量以避免冷卻強度的浪費，以此提高其燃油經濟性。
[0003]而傳統的冷卻系統中針對缸蓋、缸套的冷卻采用一體化水套的方式，冷卻液先進入機體水套冷卻缸套后通過上水孔進入缸蓋水套冷卻缸蓋，而由于缸蓋熱負荷較缸套高，此種冷卻方式不能獨立調節缸蓋和缸套的冷卻強度，因此會造成缸蓋冷卻不足或缸套過度冷卻現象。而同時冷卻液先冷卻缸套后再冷卻缸蓋，勢必造成缸蓋水套冷卻液溫度比缸套水套冷卻液溫度高，這也是不利于缸蓋、缸套冷卻強度的合理調控的。
[0004]因此，針對缸蓋、缸套冷卻需求的不同，缸蓋機體分體冷卻技術得到了研究:對缸蓋、機體分別采用獨立冷卻回路進行分體冷卻可以通過獨立調控各冷卻回路流量大小而進行“精確冷卻”。研究表明，采用分體冷卻并合理分配冷卻流量可以適當降低缸蓋平均溫度并提高缸套平均溫度，降低整機冷卻液熱耗散量和水套功耗，降低缸套-活塞摩擦系數從而提升燃油經濟性；同時采用分體冷卻可以縮短發動機暖機時間，提高排放性能。另一方面，采用反向冷卻技術可以通過提高關鍵區域冷卻強度，降低缸蓋底板火力面熱應力，提高受熱零部件熱可靠性。因此，結合應用缸蓋-機體分體冷卻技術和反向冷卻技術，提出一種基于二者的智能冷卻系統對發動機的各項性能的提升是大有裨益的。
[0005]針對該新型智能冷卻系統，研究人員需要研究不同負荷下電子水栗、電子風扇和電子節溫器的控制策略，同時研究在該冷卻系統中受熱零部件溫度、冷卻液溫度、各支流流量及冷卻液溫度等信號，以此分析該冷卻系統整體散熱量和水套功耗等。所以，搭建基于分體冷卻和反向冷卻的發動機智能冷卻試驗臺及提出相應的試驗方法和標定方法，對研究該冷卻系統性能和冷卻系統附件控制策略是有幫助的。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種針對基于分體冷卻與反向冷卻的發動機智能冷卻系統的試驗臺及其試驗方法。
[0007]本發明的技術方案如下:一種用于進行基于發動機分體冷卻與反向冷卻的發動機智能冷卻系統試驗的試驗臺，其特征在于包括電控水栗、第一電控三通閥、第二電控三通閥、電控風扇、膨脹水箱、缸蓋水套、機體水套、第一水溫傳感器、第二水溫傳感器、第三水溫傳感器、缸蓋火力面溫度傳感器、缸套火力面溫度傳感器、第一流量傳感器、第二流量傳感器、第三流量傳感器、第四流量傳感器、第一水壓傳感器、第二水壓傳感器、第一電機、第二電機、數據采集系統、發動機及發動機臺架；
[0008]所述的電控水栗和第一電控三通閥布置于缸蓋水套及機體水套前端，并安裝于發動機機體上，所述的電控水栗安裝在第一電控三通閥的前端;缸蓋、機體水套后端布有第二電控三通閥，第二電控三通閥安裝于發動機缸蓋上，第二電控三通閥的第一出口通過管道直接連接電控水栗，第二出口分為兩個冷卻液管道，一個冷卻液管道經過散熱器連接電控水栗，另一個冷卻液管道經過膨脹水箱后連接電控水栗，電控風扇用于對散熱器提供強制對流換熱，第一電機驅動電控風扇，第二電機驅動電控水栗，缸蓋火力面熱電偶布置于缸蓋火力面上，缸套火力面熱電偶布置于缸套火力面上，第一溫度傳感器安裝在缸蓋水套出口，第二溫度傳感器安裝在機體水套出口，第三溫度傳感器安裝在第二電控節溫器的入口，第一流量傳感器布置于電控水栗和第一電控三通閥之間，第二流量傳感器和第三流量傳感器分別布置于缸蓋水套及缸套水套入口，第四流量傳感器和第五流量傳感器分別布置于第二電控三通閥第一出口和第二出口，第一水壓傳感器布置于電控水栗和第一電控三通閥之間，第二水壓傳感器布置于第二電控三通閥前端，數據采集系統與所有的傳感器、電控三通閥和電機相連;發動機與電渦流測功機用彈性聯軸器相連，發動機與電渦流測功機均安裝于發動機臺架。
[0009]在缸蓋水套、機體水套內，冷卻液流動方向均為自上而下。缸蓋和機體采用獨立的水套進行冷卻。第一電控節溫器的第一出口連接缸蓋水套，第二出口連接機體水套，缸蓋水套和機體水套的出水管道匯合于第二電控節溫器之前。所述的第三溫度傳感器和第二水壓傳感器安裝在缸蓋水套和機體水套的出水管道匯合點后。
[0010]所述發動機智能冷卻系統的冷卻流量標定試驗方法是:
[0011]在柴油機不同負荷試驗過程中，第二電機驅動冷卻水栗將冷卻液栗入機內冷卻流道，通過第一電控節溫器后分別進入缸蓋水套及機體水套中冷卻缸蓋和缸套;冷卻液分別進入缸蓋水套和機體水套后，各自從缸蓋及機體的上部冷卻液入水口流入，從上至下冷卻受熱零部件后分別從缸蓋和機體出水口流出，兩路冷卻液交匯于第二電控節溫器前，通過第二電控節溫器后分別從第一出口和第二出口流出，進入第一出口的冷卻液直接進入電控水栗，形成小循環;而進入第二出口的冷卻液通過散熱器，由第一電機驅動的電子風扇為其提供強制水-空對流換熱，降低冷卻液溫度后，冷卻液進入電控冷卻水栗，形成大循環，當第二電控節溫器的第二出口水溫過高導致水壓過高，且高于膨脹水箱水壓時，冷卻液自動流入膨脹水箱進行儲水；當電控水栗入口水壓低于膨脹水箱水壓，冷卻液自動流出膨脹水箱流入電控水栗進行補水；
[0012]在柴油機冷啟動過程中，由于缸套升溫比缸蓋慢，故在暖機剛開始階段，第一電控節溫器封閉缸套水套入口，冷卻液完全栗入缸蓋水套中，冷卻缸蓋后通過第二電控節溫器進入第一出口，即直接進入水栗形成小循環回路，冷卻液在該回路中不斷受到缸蓋加熱;缸套冷卻液不參與循環流動，待缸套溫度升高到預設限值Tb，第一電控節溫器打開缸套水套入口，缸蓋和機體水套內冷卻液分別冷卻完缸蓋和缸套后匯合于第二電控節溫器，在冷卻液溫度達到預設限值Tc前，第二電控節溫器仍舊關閉第二出口，冷卻液通過水栗形成小循環回路，冷卻液在該回路中同時受到缸蓋及缸套加熱;直到冷卻液溫度升高到預設限值Tc，第二電控節溫器開啟第二出口，冷卻液通過散熱器散熱后進入水栗，暖機過程結束；
[0013]在不同工況的試驗過程中，缸蓋火力面熱電偶、缸套火力面熱電偶獲得溫度數據傳遞至數據采集系統，控制單元根據溫度信號控制第一電子節溫器的開度，從而調節進入缸蓋水套和缸套水套中的冷卻液流量;第三溫度傳感器測得缸蓋水套與機體水套出水總管冷卻液溫度信號輸送至數據采集系統，控制單元控制第二電子節溫器的開度，調節進入大、小循環的冷卻液流量；同時，在確定整機散熱量需求后，以最小化風扇功耗和水栗功耗為目標函數，控制單元根據整機熱耗散量控制第一電機轉速控制冷卻風扇的冷卻強度，并控制第二電機轉速從而控制電控水栗進而調控進入缸蓋水套和機體水套的冷卻液總流量，在以上過程中對不同執行器進行標定；
[0014]試驗中數據采集系統采集第一溫度傳感器、第二溫度傳感器和第三溫度傳感器信號，分別測得缸蓋水套出水口水溫、缸套水套出水口水溫和二者匯合后的冷卻液溫度；同時采集第一流量傳感器、第二流量傳感器、第三流量傳感器、第四流量傳感器、第五流量傳感器信號，分別測得整機水套進口流量、缸蓋水套流量、缸套水套流量以及大、小循環流量等冷卻液流量數據，作為試驗和標定的反饋數據；同時采集第一壓力傳感器和第二壓力傳感器信號分