发动机缸盖水路分布测试系统研制

杜志良1，陈文杰1，黎程1，黄荣华，王兆文

（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；2.华中科技大学，武汉430074）

发动机缸盖水路分布测试系统研制

杜志良1，陈文杰1，黎程1，黄荣华2，王兆文2

（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；2.华中科技大学，武汉430074）

为了全面了解发动机冷却性能，本文研制了一套冷却水套内水路分布测试系统，实验装置为设计性能优良的冷却系统、为建立设计系统数据库，以及为确定评价设计系统优劣的指标和提供实验研究的手段，研究设计了一套缸盖上水孔流量测量系统，为缸盖内流场分布的数值模拟提供更准确的边界条件并可对各缸流量分布的合理性进行评价。

冷却系统系统数据库缸盖上水孔数值模拟流量分布

1 引言

高强化柴油机冷却系统冷却水量的控制及其分布直接影响到柴油机的冷却效果、高温零件的热负荷、热量分配和能量利用[1]。如冷却水量过多，可使高温零部件得到足够的冷却，但会带走额外的可利用热能，并增加水泵的功率损耗，影响柴油机的经济性；如冷却水量过少或水流分布不当，使高温零部件得不到足够的冷却而引起局部热负荷升高和强度下降，影响使用寿命，并使柴油机因过热而停车[2]。寻求适当的冷却水流量和压力以及合理的流场分布成为高强化柴油机研究开发中不可缺少的重要环节[3]。

发动机的冷却系统结构非常复杂，而且主要部分都封闭在缸盖内部，不易观察和测量。因此对它们的研究多数是运用简化的数值模拟进行计算，同时结合发动机整机试验进行验证。但由于计算机软硬件及技术水平的限制，加之缺乏足够的试验数据支撑，目前还不可能对发动机冷却系统进行实际精确的模拟计算，而常规的整机试验又无法获得系统内部的工作特征值。为设计性能优良的冷却系统，建立设计系统数据库，以及确定评价设计系统优劣的指标和提供试验研究的手段，研究设计了一套缸盖上水孔流量测量系统，为缸盖内流场分布的数值模拟提供更准确的边界条件，并可对各缸流量分布的合理性进行评价。

2 系统开发的目标及内容

2.1 系统研究开发的目标

“柴油机缸盖水路分布测试系统”的开发目标是研制一套能够精确测量各缸缸体上水孔流量的台架测试系统。

具体技术指标包括实现转速控制在±1%；流量测量误差小于±5%；实现计算机自动控制及数据自动采集、故障报警与紧急停机等功能。

2.2 系统研究与开发内容

（1）设计加工用于测量缸盖上水孔流量的中间测量块，在保证尽可能小的影响机体内水路流动状态的前提下，满足测量通道内的流动尽量平稳。参照机体顶面各螺栓孔、上水孔以及定位孔的尺寸，对中间测量块进行加工，必须保证定位以及平面密封性要求。

（2）安装总压传感器以及探针的加工格外关键，总压探针的感压头必须与总压皮托管体中心线垂直，如果存在加工误差便会直接影响各皮托管的测量精度。

（3）使用Wincc与S7-200软件开发计算机远程控制系统并实现数据实时显示与采集功能。

3 技术方案与实现途径

3.1 系统结构

水路分布试验台架系统主要由柴油机倒拖试验台、上水孔流量测量单元、皮托管流速测量单元、数据采集系统与上位机软件控制系统组成。其总体布置如图1所示。

图1 水路分布试验台原理图

本试验台可进行水泵性能试验、发动机冷却系统性能试验、各缸水流分布试验及流场可视化试验。在缸盖与机体之间安装中间连接板，中间连接板上钻有与相应上水孔尺寸相同的通水孔，并在这些通水孔内安装用于测量冷却水流动时总压和静压的导水管和压差传感器。根据缸盖上水孔数量安装压差传感器，分别测量各个上水孔的静压和总压压差，从而依此计算出各个上水孔的流量。各上水孔流量总和应等于各缸出水孔流量，依据此数据可以分析缸盖内各个区域的冷却状态，为实现精确冷却，确定进一步改进的方向。

3.2 测量原理

3.2.1 伯努力方程与流速计算公式推导

采用皮托管测流速的原理用压差传感器测量静压与总压的压差Δp，用压力传感器测量总压的压力，由伯努力方程可以得到：

其中∆P−ρ g∆ Z的数值等于用压差传感器测出的压差值，用∆P*表示，上面的公式可写为

通过测量孔的初始计算流量由下式得到

其中，为水流过的截面积，为计算流速

由于皮托管的加工工艺与尺寸规格对其测量误差产生很大影响，所以采用皮托管测流量的方式需要使用修正系数加以修正，于是得出：

3.2.2 修正系数的选取

通过对总流量的测量和对各分支流量的计算，可以确定一个合理的修正系数，使计算所得总流量的误差降到最低。

在额定转速2 200 r/min时，测量流入柴油机总水流量总，并通过对各个上水孔采用皮托管测量各分支流量，总计算流量=Σ则有

3.3 软件系统

本系统在Windows XP环境下，以Wincc和S7-200作为支撑软件，结合SQL 2000开发而成，以实现预期的目标。

借助于由华中科技大学为上柴公司研制的柴油机冷却润滑试验系统的软件与硬件平台，进行水路分布试验台的后续设计。在柴油机水路分布试验控制面板上可以显示柴油机转速、每个气缸的5个上水孔总压与静压压差、各上水孔静压绝对压力、总进水量、进口水压、进口水温和柴油机水泵扬程，以及调温器进出口压差，还可以进行倒拖电机上位机转速控制，具有数据自动记录等功能。

通过本试验装置可以改进冷却系统的结构，优化阻力特性，合理分配流量，提高各缸之间水量分配的均匀性，加强对缸盖内高温区域的冷却等。

3.4 关键设备

3.4.1 皮托管流量测试特性验证

从水塔引一股水流，其压力约为500 kPa，通过管道进水处的一个阀门控制流入测量装置的水流量与压力，见图2。通过计算，柴油机转速在800～2 200 r/min范围内，流过各个上水孔的流量为2～10 L/min。于是，将流量也控制在相应区间内，间隔0.5 L/min测一组数据进行研究。其中总压与静压压差的测量采用的是美国罗斯蒙特的压差传感器，量程0～30 kPa，精度0.1；流量的测量采用爱默生质量流量计，精度为0.01。

32个皮托管流量测量特性曲线截取10 L/min时相对误差最大与最小的数据显示见图3。在2 L/min时的相对误差区间为2.01%～7.85%，区间大小为5.74%；在10 L/min时的误差区间为7.18%～14.85%，区间大小为7.67%。

3.4.2 关键测量单元设计要点

关键测量单元包括中间测量块与皮托管如图4和图5所示。

图2 皮托管流量测试验证原理图

图3 测量单元流量测量一致性图

图4 中间测量块设计加工图

图5 总压皮托管与静压皮托管

中间测量块的设计必须满足被测机型缸盖上水孔的尺寸与位置度要求，尽量做到测量通道与上水孔的完整对接。上下两平面的平面度要符合设计要求，防止密封不严。

总压探针的感压头必须与总压皮托管体中心线垂直，如果存在加工误差便会直接影响各皮托管的测量精度。

将通过对各水道流量的计算，汇总发动机总的进水流量与通过使用流量计对总进水流量的测量进行汇总。如图6所示，最大相对误差在转速为1 100 r/min工况时，达到-4.5%，而在1 600～2 200 r/min的高转速工况下，相对误差最大仅-0.35%，测量结果达到设计要求。

图6 流量测量一致性及误差分布

4 小结

本文简要介绍一个柴油机缸盖水路分布测试系统的开发工作，以现代内燃机测试系统设计思想为指导，结合皮托管测流量原理建立一套精确测量缸盖水路分布的试验台架。实现了对缸盖水路分布的试验测量，为数值模拟计算提供了更近一步的边界条件，并对缸盖水道设计优劣性判断提供了试验依据。

1王书义，王宪成，段初华.柴油机冷却水流动的试验研究[J].车用发动机，1994（3）：34-36.

2屈盛官，黄荣华，孙自树.高强化大功率柴油机冷却系水流分布研究[J].华中科技大学学报，2001，29（8）：77-80.

3 HudgensR D,Hercamp R D.A Perspective on Extended Service Inter2nalsand Long Life Coolants for Heavy Duty Engines[J].SAETrans.,1996, 105(3):1877-1887.

ExperimentalDesignWork on TestSystem for Water Flow Distribution in Diesel Engine

Du Zhiliang1,Cheng Wenjie1,LICheng1,Huang Ronghua2,Wang Zhaowen2
（1.ShanghaiDieselEngine Co.,Ltd.,Shanghai200438,China; 2.Huazhong University ofScienceand Technology,Wuhan,430074,China）

Towellunderstand engine cooling system,a testsystem tomeasurewater flow distribution in cooling system is developed.The test system provides an approach for designing a good cooling system, building a design system database,and determining values for assessment of a design system.A measurement system is designed for water holes in cylinder head.The system can provide more precise boundary conditions for numerical simulation of flow distribution and can be used for evaluating flow distribution in each cylinder.

cooling system,database,cylinder head,waterhole,numerical simulation, waterflowdistribution

10.3969/j.issn.1671-0614.2010.04.008

来稿日期：2010-03-31

杜志良（1965-），男，教授级高工，主要研究方向为发动机整车匹配优化。