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1、华中科技大学 硕士学位论文 车用柴油机冷却润滑系统试验装置研究 姓名：白禄峰 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：黄荣华 20071007 I 摘 要 发动机制造技术的进步,使发动机功率和热效率提高的同时， 也使气缸内的燃烧 温度和压力越来越高，这必然使发动机承受更高的热负荷和更大的机械负荷。冷却 系统能否带走足够的热量以及润滑系统能否高效地工作在很大程度上影响发动机 的工作可靠性、经济性及排放特性。所以研制发动机冷却润滑系统试验装置，优化 冷却润滑系统及零部件的结构与性能，对改善发动机性能，有着十分重要的意义。 本冷却润滑系统试验装置采用模块化设计，将整个试验装置分为几个主要
2、模 块，不同的模块之间通过管路及阀门耦合起来。试验系统主要包括三个功能模块： 水泵试验台模块，机油泵试验台模块和倒拖发动机试验台模块。各个试验模块可以 独立进行试验，如冷却水泵性能试验和可靠性试验，机油泵性能试验和可靠性考核 试验。模块之间耦合起来可以完成更多其他的试验：水泵试验台和机油泵试验台同 时工作可以进行机油冷却器传热性能试验和阻力特性试验；在机油泵试验台上可以 进行活塞冷却喷嘴打靶试验；利用水加热器和机油加热器提供一定温度循环水和机 油，可以在倒拖发动机试验台上进行缸盖上水孔水流分布试验，节温器试验，机油 子通道流量测量试验，冷却系统阻力特性试验，润滑系统阻力特性试验等。 在试验系统
3、研制完成以后，对被试柴油机冷却润滑系统的相关零部件进行了调 试试验，试验表明本冷却润滑系统试验装置能够很好地满足试验要求。 关键词：柴油机 冷却系统 润滑系统 部件试验 子系统试验 II Abstract Improvements in engine manufacturing technology have gradually increased the thermal efficiencies of engines as well as the burning temperature and pressure of fuels within the cylinders. And this
4、makes the engine bear higher heat load and mechanical load than before. The engine s reliability, economic and emission are greatly influenced by the performance of the cooling system and the lubrication system. So it is essential to research on engine s cooling and lubrication system test rig for o
5、ptimizing the structure and performance of both cooling and lubrication system and accessories. The design of this trial device adopts the modularization method. The entire test system is divided into a few models, and different models are connected by pipes and valves. This test includes three main
6、 functional models. They are water pump test rig model, oil pump test rig model and motoring test rig model. Each of the models can works independently and they can work together to accomplish more tests. Water pump performance test could be accomplished on the water pump test rig and oil pump perfo
7、rmance test could be accomplished on the oil pump test rig. To make the water pump test rig and oil pump test rig work together, the performance test of heat transfer of the oil cooler. Performance of piston cooling nozzle can be test on the oil pump test rig. With the water heater providing hot wat
8、er and oil heater providing hot oil, test of water distribution of engine cylinder head and performance test of temperature regulating valve etc. can be accomplished on the motoring test rig. After the accomplishment of the test system, some accessories of the cooling and lubrication system were tes
9、ted by it. The result of debugging has shown that the trial device could perfectly meet the need for testing engine s cooling and lubrication system. Key words：Diesel engine Cooling system Lubrication system Accessories test Subsystem test 1 1 绪 论 1.1 课题来源 本课题来自于上海柴油机股份有限公司委托项目。 1.2 课题的目的和意义 本课题是为上海
10、柴油机股份有限公司设计一套车用柴油机冷却润滑系统试验 装置，以满足对发动机冷却润滑系统零部件试验、验证及研究的需要，并且与倒拖 发动机试验系统相结合，进行发动机缸盖上水孔水流分布试验、冷却系统和润滑系 统阻力分布试验以及发动冷却润滑部件匹配试验。 随着发动机制造技术的进步，发动机的强化程度和功率越来越高，随之而来发 动机需要承受的热负荷和机械负荷也越来越严重。发动机冷却系统及润滑系统的工 作特性在很大程度上影响发动机的工作可靠性、经济性及排放17，Eskin, Nurdil 曾 对发动机冷却系统各个零部件及整个冷却系统的性能做了必要的试验研究及数值 模拟分析8。研制发动机冷却和润滑系统的试验装
11、置，测定水泵和机油泵在不同流 量和压力的供给下通过发动机冷却和润滑系统各缸的冷却水和润滑油流量与阻力， 以对不合理的零部件、水道和油道改进设计，从而达到流量与阻力分布均匀、合理， 系统各零部件匹配最优化，同时还可利用试验开展对系统内主要零部件进行工作特 性和可靠性的研究工作，无疑具有十分重要的学术价值和宽广的应用前景。 1.3 国内外研究现状 目前，国内外对发动机冷却润滑系统进行研究的方法主要有两类：一类是试验 手段，主要通过设计专门的试验装置，对发动机冷却润滑系统零部件，如水泵、机 油泵、机油冷却器、机油滤清器等，进行测试，得到其各种性能参数，以验证其与 发动机的配合特性等；另一类为CFD技
12、术，主要用于参数不易测量的情况下，通过 2 测量边界条件，然后利用各种流动分析软件，对发动机冷却水腔及润滑油道进行模 拟计算，并分析流场的压力分布、流量分布等。 随着计算机技术日新月异的发展，基于嵌入式工业控制计算机的智能平台控制 系统变得更加灵活和强大，它可以集成计算机平台、传感器、测量仪表、变频控制 器等其他硬件，并按用户各自的需求灵活组建测量系统，这种智能化测试系统能自 动进行测试，可以实现数据的自动采集、自动处理和自动显示测试结果等912。由于 计算机硬件制造技术的进步，CPU的数据处理速度越来越快，价格相对来说越来越 便宜，很容易组建高性能的计算机工作站，为CFD技术提供了必要的硬件
13、支持；各 种商业流动分析软件如FIRE，STAR- CD，CFX，FLUENT等功能越来越强大，越来 越完善，为发动机流动计算提供了很好的软件支持。国内外对冷却润滑试验装置的 研究情况及数值模拟研究现状如下。 （1）水泵试验装置研究 D.E. Turcotte, A. W. Olsen, F. E. Lockwood等在他们论文13中介绍了一铝质水泵 穴蚀试验装置的开发。南京师范大学狄利明利用计算机测控技术开发了内燃机水泵 试验台测控系统，将软硬件技术的特点溶于一体，实现了智能控制及测量显示、制 表作图、出具测试报告等操作的全自动化14。钟绍俊，黄镇海，黄艳岩等设计了汽 车发动机冷却水泵性能测
14、试系统，该系统采用先进的传感器及计算机测控技术，系 统软件采用美国NI公司的LabVIEW软件平台开发，通过对发动机冷却水泵进行多项 性能测试，该系统操作方便，测试过程自动化程度高，测试精度比较理想15。郜贞 轩，周志立，王建中等开发了无自吸要求的离心式冷却水泵自动试验系统，充分利 用计算机软、硬件资源，提高测量精度的同时，降低了系统成本16。成琰利用 LabWindows/CVI开发平台研制了基于虚拟一起的汽车水泵综合性能试验台系统，可 进行汽车冷却水泵的性能试验测试、汽蚀试验测试、可靠性试验测试等项目。该系 统在实际运行中操作方便，维护简单，可靠性高17。黄佳典、王戈、宋京凯等运用 CAT
15、数据处理技术，成功实现了水泵试验与计算机一体化，实现了在单一试验台上 完成多种型号水泵的性能试验，并使测试精度达到了国家水泵试验台C级标准18。 （2）机油泵试验装置研究 3 机油泵是发动机润滑系统的关键部件，其工作性能关乎发动机整机工作可靠性。 N. Nervegna等在论文19中对柴油机摆线型机油泵的工作特性做了深入的试验研究和 计算分析。目前国内主要以机械行业标准内燃机 机油泵 试验方法为依据，对 机油泵试验装置进行新的研究或对原有的机油泵试验装置进行改造。王新元根据汽 车维修现场的需要，以日野ZM440型汽车发动机用机油泵为例，介绍了适合汽车维 修企业现场自制的定速量孔测压式机油泵试验
16、台的设计20。该试验台安装方便，操 作简单，但仅用测定机油泵输出压力来判断机油泵性能的优劣，功能上比较欠缺， 不能实现试验自动化。南京理工大学的周学锋在其硕士论文中，详细讨论了机油泵 试验装置的原理，并介绍了试验装置机械设计，包括动力设计、传动装置设计、系 统管路设计、油箱设计等，最后对电气系统及数据的采集、控制、处理也作了较为 详细的论述21，该机油泵试验装置可自动进行试验，可实现数据自动采集、自动处 理及自动生成报表等。毕新胜，胡斌，罗昕等通过对ZB- 1型机油泵试验台进行改造， 使试验控制简单、可靠，并提高了测量精度，达到国家C级标准22。东风汽车泵业有 限公司的胡杰，黄海波，肖冰等，对机油泵试验台采用柔性设计方法，通过对多品 种机油泵进出油道流向的分析，设计出新机构的涡壳和通道板；更换主动齿轮的结 构，以适应不同产品传动齿轮中心距的变化；采用大小流量切换系统，适应不同产 品流量的测试，
