奇瑞发动机冷却系统试验.docx
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奇瑞发动机冷却系统试验
AVL程序编号
F04N0030
版本号
2
版本日期
04/11/2002
（奇瑞）发动机冷却系统试验
上汽集团奇瑞汽车有限公司
奇瑞汽车工程研究院
1.0目标
1.1该试验程序用来评价安装冷却水泵的发动机冷却循环的特性和行为。
1.2量化发动机总成冷却循环阻力并与设计值作比较。
1.3通过规范总的系统设计和评估水泵设计的匹配性，来决定安装在发动机上在一定外部循环阻力范围内的水泵的流量特性。
1.4通过规范不同运行曲线以及外循环参数，决定不同冷却液温度下所安装泵的气蚀极限。
1.5通过提高调温器的功能和设计意图，决定调温器的静态和动态参数。
1.6使用一个专门的水泵测试台架来决定水泵的基本流量特性。
这个试验程序对水泵本身的开发没有包含，但可以作为系统的一部分可以平定其匹配特性。
1.7通过使用一个专门的水泵试验台架来评估水泵理论公差的影响。
推荐使用水泵总成做试验来建立一个名义规范（例如极限间隙的中间值）。
1.8在冷却液的流动最佳时操作该试验，通常由可视化技术来操作。
最佳流动通常影响气缸垫和发动机冷却液通道的流动阻力。
1.9对于某些试验（调温器特性）要求运行发动机。
这将方便操作直到试验4.17的与冷却液最佳流动相关的零部件试验台。
在这种情况下，一直到4.17的试验方法应该采用由马达发动机来执行。
在运行发动机的过程中应反复检查。
2.0试验准备
2.1试验要求一台性能良好的发动机，并且能够在全速、全负荷阶段运行。
该试验要用一个安装了控制热交换器和一个在下软管上安装可变限流阀的静态试验台架来操作，以模拟不同车辆的冷却系统阻力。
由于会导致静态系统压力控制与模拟散热器阻力方向相反，因此限流阀不应该安装在上部软管处。
由于测试并不打算评估热损失，因此发动机的性能并不要求达到最终的产品水平，但应该具有代表性（参考4.21和下文）。
2.2附录A中列出了试验前所需测量的零部件清单，测量必须符合AS000010标准测量程序
2.3所有的发动机零部件都应该符合图纸公差要求；所有总成紧固力矩和间隙应该符合设计说明值。
2.4所有直接影响冷却系统的零部件都必须是新的。
2.5总成测量参数记录在附录B中。
2.6在循环管道周围的一定数量位置点处测量冷却液压力之前做准备是必要的。
要求（壁上）的静态压力。
推荐在接头进入冷却循环中尽量与平面平齐，在水流突变处应为3mm直径，这样可以避免由于接头伸入水流中对冷却液速度产生影响而导致的读数误差。
应该避免横截面（和速度）的突变。
对于有些不能避免（如调温器座）的地方，推荐使用2~3个接头，接头不要露在水流中和拐角等处，接头应该在外部连接到一起，然后再与压力计或传感器相连。
在截面均匀的通道（管、等）处，把2~3个接头连接在一起后测量压力。
如果要求测量软管中的压力，建议用装有接头的金属管子，使金属管可以插入到软管中。
推荐接头安装在钢管上（例如）使用铜焊接短管到此管子上并钻直径为3mm的通孔。
在急拐弯或横截面变化处，应该有几个不同“直径”的接头（或一个具有代表性的尺寸）。
在理想情况下，例如在上部软管处，顺流方向任何截面的变化接头直径应该大于5mm。
不可能始终达到这种条件，在这种情况下应该注意评估结果。
参考图1中的要求。
2.8在3.3中描述的位置上要求测量冷却液温度
应该作适当的准备来安装适当的温度传感器使其伸进冷却液中（热电偶伸出表面5-10mm，电阻型传感器伸出表面15-20mm）。
2.9对于有些试验要求发动机在调温器开启状态下运行，也就是机械安装在全开位置，同时要求一个全功能调温器。
在调温器全开时检测小循环是否全关。
3.0仪器和设备
3.1试验台架上应装有测功机，用它来保证发动机在最高转速和最大负荷条件下运转。
3.2要求有一个受控的调节冷却液温度的热交换器。
如果有可能，试验台架上冷却系统总容量应该与车辆系统相类似，这将有利于使两个系统的热动参数类似。
如果试验台架冷却系统的容量与整车相比有很大的区别的话，应该仔细处理调温器的动态参数，而且必须与整车系统相验证。
试验台架系统发动机冷却循环总的容量应该对参考意图进行评估。
为了在沸腾后能试验和决定建立的压力一样（部分蚀穴试验），这特别的重要，试验中冷却能力不变与整车实际的冷却系统非常相似。
为了使调温器与控制系统响应安装时不干涉，试验台架温度控制系统参数必须仔细选择，参考4.24。
热交换器的流动阻力应该小于整车散热器的预计阻力。
3.3下列参数需要测量
·冷却水泵转速（或者曲轴转速，如果传动比已知）
·下列位置的冷却液温度和压力（取决于布置的系统）
水泵进口处（或典型的下部软管）
水泵出口处（温度是可选的测量项）
发动机出口
调温器座处（在调温器前）
上部软管
膨胀箱
机油冷却器前（如果可以）
机油冷却器后（如果可以）
·上部软管的流量速率，注：
流量计必须能够测量瞬态流量，在一秒钟内给出测量读数。
以平均时间原理工作的流量计不适合。
为了确定系统特性，上述测量要求在每个的试验条件下当读数稳定时记录一次。
在评估调温器特性时在沸腾试验和系统压力增大时，上述测量要求每秒记录一次或更高频率。
3.4冷却系统压力需要下面的典型位置，参照推荐图2。
水泵进口处（典型的下部软管，尽可能靠近水泵）
水泵出口处
发动机出口
调温器座处（在调温器前）
上部软管（在调温器后）
机油冷却器前（如果可以）
机油冷却器后（如果可以）
系统压力（等效系统压力）
缸体（气缸垫下面）
缸盖（气缸垫上面）
气缸体和缸盖分开的位置取决于发动机的设计细节和冷却循环系统。
冷却流优化通常先于试验程序所提供的连接位置的信息，从而为缸体和缸盖之间的压差提供了有代表性的数据。
3.5可调的压缩空气用来调节静态系统压力，调节范围为0-2bar。
3.6推荐试验台架系统安装一个带有设置压力略大于设计（一般为1bar）的压力盖。
也要求充分膨胀容积避免冷却液排除或被压回到压缩空中。
3.7必须使用合适的下部软管使水泵进口在低压情况下不至于吸瘪。
如果管子可能吸瘪，推荐加强（例如插入钢丝螺旋弹簧）管子，但是应该注意，任何加强管子都不能限制流量或造成过度紊流。
4.0试验方法
4.1安装一台发动机，象2.0一样记录所有零部件总成的数据。
初始安装一概全开的调温器。
如果必要堵住小循环管道。
4.2在试验台架上按照设计安装角度来安装发动机。
机油加到机油标尺最大位置。
按图2连接冷却管路。
4.3将推荐的冷却液加入冷却系统
冷却液通常使用50%的清水和50%的乙二醇混合液。
推荐有些试验重复使用100%的水，尤其是发动机在没有乙二醇的区域运行时。
如果冷却液中含有腐蚀性的抑制剂而并不严重影响沸水特性的话，可以使用水。
冷却液的范围应该由设计者说明，以及标明任何系统性能极限。
4.4调整下部软管流量调节阀全开
在低速低负荷下运行发动机，检测泄漏情况；允许冷却液温度升高到典型的50℃，检测温度仪表；调节可调压缩空气，从零到设计值改变系统压力，检测压力仪表。
4.5冷却系统冲液与排气
系统需要排空一段时间，因此要准备一个排空管。
这样做的实质是让在测试台架上的试验尽可能与整车实际靠近（正确的零件、正确的管路直径、正确的高度）。
灌入冷却液到达膨胀罐的最大水准直到液面静止，这需要等待一段时间。
怠速下运行5分钟。
停机，再次加入冷却液，直到达到膨胀罐的最大水准并记录需要的量。
启动发动机，以一半的额定转速、2BarBMEP的负荷运转20分钟，每隔5分钟向系统中加注一次冷却液到膨胀罐的上限并记录需要的量。
停机并彻底排空系统中的冷却液。
至少重复两次这样的试验。
4.6发动机系统阻力——调温器全开
安装全开的调温器，调节上部软管温度到50~60℃（如果必要可增加负荷）、调节系统压力到1.0bar（或设计值）。
以最低转速运行发动机
当读数稳定时（例如5分钟），按照3.3和3.4的方法记录测量值。
进一步提高转速，给出8~10个中间值加上最大值，在每个转速下记录数据。
通常基本的系统阻力对温度并不十分灵敏，在典型的运行范围内，如此精确的控制温度到定义值范围内对试验来说并不重要，在相对低的冷却液温度下运行该试验将会有减小气蚀和局部沸腾的可能性，气蚀和局部沸腾将导致不稳定或非线形现象的发生。
4.7把上部软管温度调节到95℃和105℃之间（或设计的最高连续温度的目标值）。
在这个测试的过程中，发动机在全负荷条件下运行。
4.8发动机系统阻力——关闭式调温器
安装一个标准功能的调温器并确保小循环达到设计意图。
为了在调温器开启之前短时间内执行试验，有必要使用一个功能调温器（保护发动机）。
尽可能降低冷却液温度。
启动发动机并以低转速运行，记录测量值。
象4.6一样进一步提高发动机转速并记录。
如果调温器已经开启（检测上部软管流量和温度，但允许有小的气流通过气孔），返回到怠速并冷却系统，如果必要继续试验直到所有转速都记录为止。
为了控制水泵的流量，有必要比较泵转速、（从试验台上）压力升高相对于水泵流量变化图或从4.6和4.7得出结果。
4.9流量传输——模拟可变的车辆系统阻力
安装一个全开的调温器，预热发动机。
在最高转速的一半时，上部软管温度达到90~105℃；调节冷却系统，保持温度不变。
如有气蚀发生，使上部软管温度降低到约50~60℃可能会很有效。
关小下部流量调节阀，使通过上部流量计测量的流量减少近10%。
重复4.6中的测量。
4.10重复4.9中的过程，进一步减少10%的流量（非阻力值）。
重复4.6中的测量。
4.11重复4.10直到非阻力值的流量降低到50%或系统中的关键点达到最大可接受的压力，参考设计者的要求。
如果具有代表性的整车系统阻力已知，确保试验范围包含该值。
4.12水泵的气蚀极限——开启式调温器和规定的冷却液
在试验之前从4.6中预览结果。
试验目的是决定避免气蚀的情况下所要求的最小系统压力，该试验应该用汽车上原始的软管。
当某个温度区域的局部压力低于冷却液和液体沸腾时的蒸汽压力时，气蚀产生。
这种现象通常最初在水泵进口（也就是系统中的最低压力点）处产生。
起初水泵中的蒸汽重新冷凝（长时间这样将导致腐蚀）但最终将产生“气锁”而使流动停止，在使用中必须避免。
在这些试验当中，必须避免达到“气锁”条件。
对于给定的冷却液温度，气蚀极限被定义为水泵传输流量率与以相同的泵转速测量的参考流量率相比较降低3%，但为了避免气蚀产生水泵的进口压力应足够高。
降低3%的流量相应的会降低近6%的水泵压力升高（dP正比于流量的平方）。
在整车冷却系统中减少冷却液来检测气蚀同样要求试验，这在台架上模拟并不能满足要求。
参考适当的试验程序。
通常额定转速与评估水泵的气蚀特性有关，因为额定功率下产生很多的热量给冷却液；另一方面，发动机最大转速也很关键，因为水泵转子中的动态压力降正比于转速的平方。
由于发动机功率与风扇气流量的比值很高，通常在最大扭矩下稳定运行，产生的冷却液温度最高。
为了模拟整车冷却系统阻力，应该调节下部软管阀。
如果这些数据未知，应该在覆盖可能的整车冷却系统范围内，下部软管阀门的不同位置处进行试验。
由于在最大流量的条件下水泵进口处气蚀通常最先发生；因此如果拿不准的话，选择最小的流动阻力。
负责工程师应该定义评估气蚀现象的发动机转速范围和模拟整车冷却系统阻力。
下列情况假定相应的发动机转速为额定转速。
试验采用开启式调温器和小循环，注意小循环水流进入水泵叶轮入口将会影响气蚀的特性，这决定于具体设计。
往系统中加入推荐的冷却液。
4.13在额定转速下运行发动机并调节热交换器，维持水泵进口温度在80℃；必要时加载最低的负荷。
4.14设置系统压力为1.0bar（或说明的系统压力），记录表3.3、3.4中的测量值。
4.15以每次大约0.1bar的速度降低系统压力并重复3.3、3.4中的测量，直到系统压力降低或观测到气蚀产生且流量减少超过20%。
当流量下降，用更小的速度降低系统压力（可以用10到20mbar），注意：
除非水泵进口阻力过大，否则低温时不应该产生气蚀。
4.16以每次5℃逐步升高水泵进口温度并重复4.14和4.15，直到达到最大试验温度或与在全系统压力下基准值相比流量降低大于20%或达到沸腾极限且冷却液喷出。
推荐最高温度应该大于在整车临界运行条件下（通常大于120℃）的最大设计温度，但不要超过上部软管允许的极限温度。
（在2.0bar绝对压力下50%水与50%乙二醇混合液的沸点约为107℃，在2.0bar绝对压力下约为128℃）
4.17流量传输与发动机转速的关系
预览4.13到4.16中的结果，决定在最高设计温度下水泵进口不出现气蚀（流量下降率极限等于3%）时所要求的最小系统压力，检测在定义的系统压力下是否能够达到该值。
参考曲线：
在冷机（20-25℃）时打开、关闭膨胀罐的压力盖；
启动发动机并调节热交换器来维持90℃的发动机出水温度和设计最小系统压力值。
在最小全负荷转速下运行发动机，有必要加负荷来维持冷却液温度，记录3.3、3.4中的测量值。
逐步把发动机转速提高（象4.6一样）到最大并记录3.3、3.4中测量值。
流量和转速之间近似为线形关系，应调查和全面了解偏离线性的现象。
高温条件：
在怠速条件下暖机，并且在发动机出水温度到达40℃时，打开、关闭膨胀罐的压力盖。
调节热交换器直到水泵的最高设计进口温度，并保持系统压力调整不变。
像基参考线一样在所有转速下运行发动机，记录3.3、3.4中的测量值。
监测流量，如果所测的流量与参考值相比减少量超过10%则停止试验。
应该监测从低速到最高转速范围内没有气锁（与参考曲线相比流量减少量大于5%）。
如果在额定转速和最高转速下偏离基准曲线急剧上升，有必要进一步调查（例如在不同的转速下重复4.12到4.16）确保在最恶劣的条件下（系统压力最小、冷却液温度最高、冷却液没有按规定比值混合等）没有气锁发生。
4.18系统压力的建立
开始用1Hz频率记录数据（参照3.3、3.4）
开始冷却发动机并在怠速下暖机，在发动机出水温度到达40℃时，打开、关闭膨胀罐的压力盖。
在2000r/min、2bar的BMEP的条件下运转发动机直到调温器打开的温度。
这时加速到发动机的额定功率。
冷却发动机直到调温器全部关闭。
重复试验，不过发动机一定在额定转速、80%的负荷下运转直到调温器打开的温度。
这时加速到额定功率并运转发动机直到温度稳定。
尽可能快速地把发动机调到最大转速并稳定30秒。
怠速并连续测量数据60秒。
停机，同时记录数据。
4.19使用100%的水作冷却液时的气蚀极限
如果合适，应该使用100%的清洁水作为冷却液（这应该由负责工程师说明）重复4.12~4.16中的气蚀极限试验。
注：
绝对压力为2bar时100%冷却水的沸点为119℃，绝对压力为1bar时其沸点为100℃。
试验温度极限应该相应改变。
4.20稳态和动态时的调温器特性
这个程序假定使用一个常规的被动式调温器，试验中使用的调温器应该事先标定来决定其运行参数，然后才能进行发动机的暖机试验。
4.21标定
如果没有专门的调温器标定台架，推荐使用下面的程序：
按照设计方向把调温器安装到一个装有清洁水的玻璃试验瓶中，（如果开启温度大于100℃，要用水和乙二醇混合液）在调温器旁放一个刻度尺以至能够测量阀门的移动量，而且在调温器旁放一个温度计或相当于测量温度的仪器。
目测毫米刻度通常可以达到要求，在一段时间内通常10分钟把水从环境温度20℃加热到100℃，以适当的间隔记录调温器阀的位置，例如对于一个名义值为88℃的调温器从75℃开始以2℃的步长测量直到100℃。
参考制造商相应的温度清单，对照说明书上的结果。
允许将水冷却（如果需要，辅助冷却，但不要太快）并记录关闭特性。
画图说明其滞后情况（图4）。
4.22安装已标定的调温器到带有符合设计要求小循环到发动机上
对于初始的调温器试验，可以使用水或混合冷却液，使用清洁水更好，因为它允许在试验之间加入冷水来减少总的试验时间。
注意不要使发动机受到冷热冲击而损坏。
最好在发动机怠速时用试验台架温度控制来降低冷却液温度。
建议调整系统阻力（下软管阀）与车辆实际阻力一致，如果实际系统尚未确定，可按典型值调整。
如果没有说明的值，将系统压力设置为设计值或1.0bar。
（调温器特性通常不是压力式）
4.23暖机和稳态
发动机暖机并一些固定速度和负荷下观察调温器的动态特性。
控制不同发动机的稳态温度值，以至于能够观测任何温度循环。
注：
动态特性将受到系统容积和总的冷却系统热容量的严重影响，因此当可行时有必要用实际的整车系统来检测。
参考3.2。
初始冷却系统温度也将影响由冷到热的转变过程。
如果从20℃开始观测到的暖机过程能达到要求的话，那么更高的温度也可能达到要求。
也应该作低温（例如冷启动试验）检测。
重要的是：
为了使控制系统不至于导致不稳定性的产生，试验台架上冷却系统控制参数必须仔细选择（时间常数等）。
为了分析暖机特性，推荐将冷却系统调整到手动模式。
因此在试验当中调整热交换器的冷却水到一合适的最小值并保持恒定。
对于所有发动机推荐下列条件都应该试验：
负荷转速
最小
最大
最小
X
X
最大
X
X
对于车用发动机，推荐3或4中间的“道路负荷”也应该试验。
典型的“道路负荷”可以近似认为功率正比于转速的三次方；拿额定功率做参考，“道路负荷”为：
转速%
怠速
15
20
25
30
40
50
60
70
80
90
100
功率%
0
1
2
3
3
7
13
22
34
51
73
100
选择适当的转速和负荷。
在调温器开始打开的区域，定义靠近在一起操作点（转速和负载）很重要。
4.24在固定转速下暖机
试验应该从上部软管冷却液温度明显低于名义的调温器运行温度（例如20℃）时开始。
设置试验台架，冷却使最小流量、系统压力到设计值或1.0bar的标准（或特定值）。
用4.21中最初的速度和负荷点处运行发动机。
用3.3、3.4中的测量方法每秒记录一次，直到上部软管温度达到接近100℃，用4.25中方法继续。
4.25发动机的稳态输出功率——不同的下部软管温度
上接4.24，调节试验台架冷却系统使下部软管温度维持在100℃。
让系统稳定5分钟。
象4.24中一样记录5分钟的测量数据。
降低下部软管温度5℃并保持稳定，重复测量。
以每次5℃的速度继续降低下部软管温度，使发动机调温器进一步关闭。
当温度接近调温器开启范围的下限时，流过热交换器的冷却液将趋向为零，依靠设备的容量很难或者不可能达到所要求的值。
4.26象4.23中一样测量下一个转速和负荷点，重复4.24和4.25。
重复所有点。
4.27沸腾后测试
用推荐的冷却液注入水箱直到最大容许极限。
在低于四周温度和高于四周压力时，理想情况下压力盖应该关闭。
在额定功率下运行发动机，使冷却液温度持续最高直到稳定。
开始以每秒一次记录3.3、3.4中测量值。
尽可能快地把发动机回到怠速并停机，但要连续记录30分钟。
5.0结果说明
5.1应该写出一个试验报告。
试验报告应该包括：
·零件清单
·零件测量值（附录A）
·总成测量值（附录B）
·图、表以及试验设备草图
·试验结果的说明
·加入冷却液的需要的时间和体积（静态加注）。
5.2应绘出下列曲线图
试验4.5，发动机系统阻力——使用全开的调温器
·转速、负荷和时间对排气（体积增加，时间随体积增加）
·上部软管流量随转速的关系
·水泵（进、出口）压力升和转速的关系
·水泵（进、出口）压力升和上部软管流量的关系
·压力降（泵出口、调温器前）和上部软管流量的关系
·压力降（泵出口、上部软管）和上部软管流量的关系
·压力降（缸体、缸盖）和上部软管流量的关系
·压力降（调温器前、上部软管）和上部软管流量的关系
·（对已经选择的图，建议绘出压力降和压力升和流量二次方的关系，这将会得到线形的关系并能方便计算和分析系统阻力）。
试验4.8发动机系统阻力——关闭式调温器
——重复作出上面关系的曲线图。
试验4.9流量传输——可变的整车系统阻力
——（象上面一样）绘出不同系统阻力下的流量和压力的差异曲线图。
试验4.12泵的气蚀极限
——对每个泵进口温度绘出其流量值与泵进口压力的关系以及决定在各种高压力时97%基准流量的压力值。
——绘出已定的97%基准流量的压力值与泵进口温度的关系曲线。
——绘出整车系统阻力的系统压力点与泵进口处（下部软管）压力差与转速的关系曲线。
——绘出所要求的系统压力（等于泵进口压力与系统压力降之和）与泵进口温度的关系曲线。
试验4.17流量传输与发动机转速的关系
——绘出基准工况和高温工况下流量值与发动机转速的关系曲线。
——如果可能，在相同的图中绘制灵敏度曲线。
试验4.21调温器标定
——绘出调温器位置随着温度升高和降低的关系曲线图（显示其滞后现象）。
试验4.23暖机和稳态试验
——绘出调温器座（调温器前）和上部软管的温度与时间的变化关系曲线（分不同转速和负荷）。
如果需要也可以绘出下部软管处（泵进口）温度与时间的关系曲线图。
——如果需要，绘出上部软管流量与时间的关系曲线图。
试验4.24——在每个转速和负荷点重新绘出上面的曲线图。
注：
1对于有些应用中，冷却液温度传感器用来控制发动机管理系统功能，必须注意传感器的安装位置确保与目标温度相当，并且在暖机过程当中部分温度波动不会导致点火、供油、净化系统、怠速转速控制等有不期望的修正。
4.21-4.23中的结果应该作为决定EMS功能以及修改调温器匹配特性的必要条件。
2当满意的气蚀极限的系统压力已定义时，考虑海拔的影响很重要。
冷却液的沸腾特性取决于绝对压力，因此必须考虑大气压力加上系统压力（相对）的结果。
最大的运行海拔必须说明，并且在定义系统压力（盖的压力）之前必须考虑。
附录A
零件测量参数
发动机——虽然对这些试验并不关键，但是推荐测量正常的装配参数
冷却水泵——图纸上的叶轮尺寸
——图纸上的蜗壳尺寸（叶轮座）
——图纸上进出口通道尺寸
调温器座——图纸尺寸
小循环通道——图纸尺寸
调温器——图纸尺寸
附录B
装配测量参数
除非工程师特别说明，下列所有参数在试验前都应该测量或计算：
发动机——基本的运行间隙，虽然其对这些试验并不很关键
冷却水泵——依据图纸上的叶轮间隙
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