環境溫度和介質溫度對電子水泵最大工作效率影響研究

王柯蕓,張事業,嚴 偉,侯云鵬,張仕成,張 琰

(1.中國計量大學 機電工程學院,浙江 杭州 310018;2.浙江零跑科技股份有限公司,浙江 杭州 310051;3.中國計量大學 藝術與傳播學院,浙江 杭州 310018;4.浙江中騏科技有限公司,浙江 杭州 311199)

隨著汽車工業的發展,車用電子水泵因其能夠精確匹配內燃機工況和車輛運行狀態,優化發動機安裝空間,延長發動機使用壽命,逐漸取代傳統的機械水泵用于汽車冷卻循環系統[1-2]。由于流體介質在水泵內部的運動情況十分復雜,難以用準確的數學模型進行描述,必須通過大量的測試來對水泵的性能進行評估,所以水泵的性能測試是水泵研制、開發及生產中不可缺少的一環[3]。

電子水泵由電機直接驅動,而電機的轉速由發動機電子控制單元(electronic control unit,ECU)和發動機溫度傳感器聯合控制,發動機溫度傳感器負責采集冷卻液循環回路中冷卻液的溫度,發動機ECU負責將采集到的溫度與發動機的額定工作溫度進行對比。當循環溫度大于額定工作溫度時,發動機ECU會控制電機轉速增大,加快冷卻液循環,降低發動機的溫度;而當循環溫度小于額定工作溫度時,發動機ECU會控制電機轉速降低,減慢冷卻液循環,使發動機的溫度回升到額定工作溫度[4]。但是不同的環境溫度與介質溫度都可能對電子水泵的工作效率造成影響,發動機ECU如果根據電子水泵的環境溫度和介質溫度進行綜合判斷,輸出不同的控制信號,應該能在保證冷卻循環系統控制效果的基礎上降低能耗。

本文將設計一款能夠改變介質溫度和電子水泵工作環境溫度的性能測試臺架,探究環境溫度和介質溫度對電子水泵工作效率的影響,為電子水泵根據環境溫度和介質溫度綜合調整轉速提供理論依據。

1 測試內容及硬件設計

1.1 測試內容及原理

常見的水泵性能測試方法有水力學測試法和熱力學測試法,前者是直接對水泵的各項參數進行測量,并計算其他的延展參數,后者是通過測量水泵工作過程中引起的外部參數的變化,間接對水泵性能進行測試[5-6]。熱力學測試法一般用于工業現場不易拆裝的大口徑水泵,而電子水泵屬于小型電控水泵,所以選用水力學測試法作為系統測試方法[7]。

性能測試要求在規定的轉速范圍內至少選取四種不同的轉速進行試驗,在每一種轉速下均勻選取不少于6個流量點進行試驗,通過試驗獲得電子水泵的流量Q、揚程H、輸出功率Pout和效率η,并繪制對應的Q-H、Q-P和Q-η曲線[8]。其中各項參數的獲取方式及計算公式如下。

揚程H為單位重力液體通過泵后獲得的機械能[9],定義式為

(1)

式(1)中:P1和P2為水泵進出口的壓力,kPa;V1和V2為水泵進出口處的取壓口垂直截面處的介質平均流速,m/s;ρ為介質的密度,g/cm3;g為重力加速度,文中取9.8 m/s2;Z2和Z1分別為水泵進出口處的取壓口至水泵中心的垂直高度,m。

功率Pin為水泵軸功率,也稱水泵輸入功率,一般機械水泵通過轉速扭矩儀測量水泵的扭矩和轉速,并通過轉速和扭矩計算得到輸入功率,而電子水泵的輸入功率可以通過電子水泵正常工作狀態下的電壓和電流計算得到[10],定義式為

Pin=U×I。

(2)

式(2)中:U為電子水泵的工作電壓,V;I為電子水泵的工作電流,A。

功率Pout為水泵輸出功率,即水泵工作時,傳送液體消耗的有用功功率,定義式為

Pout=ρ×Q×g×H。

(3)

水泵效率為水泵輸出功率與水泵軸功率的比值,是反映水泵動力轉換利用程度的技術經濟指標,以η表示,定義式為

(4)

1.2 硬件設計

電子水泵的性能測試臺分為封閉式和開式兩種,其中汽蝕試驗和密封性試驗只能在封閉式測試臺上完成[11],考慮到后續可能增加的測試要求,本次的測試臺選用封閉式的標準進行設計,測試系統示意圖如圖1。

注：1—電子水泵;2—環境試驗箱;3—測試回路;4—出口壓力傳感器;5—流量計;6—出口調壓閥;7—放氣閥;8—安全閥;9—真空壓力計;10—通真空泵閥門;11—磁翻板液位計;12—封閉式水罐;13—冷熱一體機;14—進水閥;15—放水閥;16—溫度傳感器;17—電動調節閥;18—進口壓力傳感器

電子水泵通過測試管道回路與水罐的出口和入口相連,測試管道回路和水罐上布有流量計、壓力傳感器、溫度傳感器等測量元件。電子水泵置于環境試驗箱內,可以控制電子水泵工作時的環境溫度在-40～125 ℃之間變換,水罐與加熱制冷一體機相連,可以控制水罐內的介質溫度在-20～150 ℃之間變換。

流量計選用測試范圍為180～10 000 L/h的渦輪流量計,管路水平安裝,保證流量計進口管道與出口管道至少20∶5的長度比例[12];壓力傳感器的測量范圍為-1～500 kPa,保證測量精度為1 kPa,并且能在-40～125 ℃的環境中工作;溫度傳感器采用熱電阻溫度傳感器,測量范圍為-50～150 ℃,保證測量精度為0.1 ℃;電動調節閥的控制范圍為0～3 000 L/h,保證控制精度為50 L/h。四種電子設備都輸出4～20 mA的標準電流信號,通過NI-9208采集卡采集到上位機進行數據處理和顯示。

2 軟件設計

2.1 LabVIEW特點及優勢

本次系統采用LabVIEW進行軟件編程設計,LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發環境,廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受,能夠很好地實現數據采集和儀器控制[13]。LabVIEW集成了RS-485、RS-232、GPIB和VXI等協議的硬件及數據采集卡通信功能,可以方便高效地實現與其他很多編程語言的交互設計,是一個功能強大且靈活的軟件[14-15]。

2.2 系統界面開發

上位機系統包括手動控制界面和自動控制界面,整體系統的設計采用模塊化、分層設計的理念,在界面簡潔的基礎上保證控制界面功能齊全,并留有備用空間便于系統的功能擴展和開發。其主要的功能如圖2,包含以下幾點:

圖2 水泵測試系統功能圖

1)上位機通過工業標準(object linking and embedding for process control,OPC)第三方軟件通信控制加熱制冷一體機,傳輸控制協議(transmission control protocol,TCP)/網際協議(internet protocol,IP)控制環境試驗箱,模擬量控制電動調節閥,局域互聯網絡(local interconnect network,LIN)總線控制電子水泵,進行測試參數的調整。

2)上位機通過數據采集卡采集溫度傳感器、壓力傳感器等電子元器件的輸出信號,實時顯示在測試系統的顯示界面上。

3)上位機對采集到的數據進行分析處理,將處理后的數據顯示在操作界面上,并繪制對應的曲線。

4)儲存電子水泵測試過程中的測試數據和圖像,并可以以EXECL的形式輸出。

手動控制界面如圖3,操作人員可以在手動控制界面控制加熱制冷一體機和環境試驗箱的開關與工作溫度。加熱制冷一體機啟動時一體機開機按鈕旁的指示燈變綠,環境試驗箱啟動時設置旁的指示燈變綠,幫助操作人員判斷加熱制冷一體機與環境試驗箱是否啟動。

圖3 手動控制界面圖

自動控制界面如圖4,操作人員可以在測試開始前在通訊方式選擇欄設置上位機發送給電子水泵的脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWN)信號的頻率及占空比,通過控制PWN信號的頻率和占空比來控制電子水泵的轉速,其中占空比為在一個脈沖循環內,通電時間相對于總時間所占的比例;在工位手自動切換欄調整測試配方中的流量點、測試電壓和測試允許誤差;在罐體手自動切換欄中調整測試配方中的介質溫度和持續時間。所有的設置完成后點擊工位手自動切換欄中的開始測試按鈕,測試系統將根據測試配方自動調整電動調節閥開度,采集電子水泵在指定流量點工作時的參數并在曲線顯示欄的表格中進行記錄,測試結束后可以切換到曲線顯示界面,系統將自動繪制性能曲線。

圖4 自動控制界面圖

3 數據采集及分析

本文為了對環境溫度、介質溫度單獨對電子水泵工作效率的影響和兩者共同作用對電子水泵工作效率的影響進行探究,設計了3組測試,分別為保持介質溫度不變,觀察環境溫度變化對電子水泵工作效率的影響;保持環境溫度不變,觀察介質溫度變化對電子水泵工作效率的影響;觀察環境溫度和介質溫度共同變化對電子水泵工作效率的影響。本文中所用的介質為水。

3.1 環境溫度對電子水泵工作效率影響分析

為了探究環境溫度對電子水泵工作效率的影響,通過加熱制冷一體機將水罐內的介質溫度控制在90 ℃,調整環境試驗箱內的溫度,分為10 ℃、30 ℃和50 ℃ 3個階段;在每個階段都對電子水泵在四種不同轉速下工作的性能參數進行采集,發送給電子水泵的PWN信號頻率為100 Hz,占空比分別為60%、70%、80%和90%。

在環境試驗箱內的溫度達到設定溫度后,上位機向電子水泵發送占空比為60%的PWN信號啟動電子水泵,使電子水泵在環境試驗箱內工作1 h。電子水泵工作1 h后上位機根據操作員輸入的待測流量點來控制電動調節閥的閥開度,采集指定流量點電子水泵的性能參數,采集完成后上位機向電子水泵發送占空比為70%的PWN信號,重復上述的測試過程,在采集完成電子水泵在四種不同占空比的PWN信號下工作的性能參數后,電子水泵停止工作,等待環境試驗箱內的溫度到達下一階段后重復上述測試流程。

圖5為介質溫度為90 ℃,環境溫度分別為10 ℃、30 ℃和50 ℃時電子水泵在四種不同轉速下的Q-η曲線,圖中的ET為環境溫度,WT為介質溫度,從圖中可以看出,在不同轉速和環境溫度下電子水泵的Q-η曲線都隨流量的增大呈現先上升后下降的趨勢,符合電子水泵Q-η曲線的一般規律,電子水泵在4種不同轉速下能達到的最大工作效率都隨環境溫度的上升而下降。

圖5 介質溫度為90 ℃時不同環境溫度下的Q-η曲線

3.2 介質溫度對電子水泵工作效率影響分析

為了探究介質溫度對電子水泵工作效率的影響,調整環境試驗箱將電子水泵工作時的環境溫度控制在30 ℃,通過加熱制冷一體機控制介質溫度,分為50 ℃、70 ℃和90 ℃ 3個階段,在每個階段都對電子水泵在四種不同轉速下的性能參數進行采集,發送給電子水泵的PWN信號頻率為100 Hz,占空比分別為60%、70%、80%和90%。

在水罐內的介質溫度達到設定溫度后,上位機向電子水泵發送占空比為60%的PWN信號啟動電子水泵,使電子水泵在環境試驗箱內工作1 h。電子水泵工作1 h后上位機根據操作員輸入的待測流量點來控制電動調節閥的閥開度,采集指定流量點電子水泵的性能參數,采集完成后上位機向電子水泵發送占空比為70%的PWN信號,重復上述的測試過程,在采集完成電子水泵在4種不同占空比的PWN信號下工作的性能參數后,電子水泵停止工作,等待水罐內的介質溫度到達下一階段后重復上述測試流程。

圖6為環境溫度為30 ℃,介質溫度分別為50 ℃、70 ℃和90 ℃時電子水泵在4種不同轉速下的Q-η曲線,從圖中可以看出,在不同轉速和介質溫度下的電子水泵的Q-η曲線都隨流量的增大呈現先上升后下降的趨勢,符合電子水泵Q-η曲線的一般規律,電子水泵在4種不同轉速下能達到的最大工作效率都隨介質溫度的上升而下降。

圖6 環境溫度為30 ℃時不同介質溫度下的Q-η曲線

3.3 介質溫度和環境溫度共同作用對電子水泵工作效率影響分析

為了探究介質溫度和環境溫度共同作用對電子水泵工作效率的影響,通過加熱制冷一體機控制介質溫度,分為50 ℃、70 ℃和90 ℃ 3個階段;通過環境試驗箱控制環境溫度,分為10 ℃、30 ℃和50 ℃ 3個階段。使用上文所述的電子水泵性能參數采集方式,采集介質溫度為70 ℃,環境溫度分別為10 ℃、30 ℃和50 ℃時電子水泵在4種不同轉速下的性能參數和介質溫度為50 ℃,環境溫度分別為10 ℃、30 ℃和50 ℃時電子水泵在4種不同轉速下的性能參數。

圖7為介質溫度為70 ℃,環境溫度分別為10 ℃、30 ℃和50 ℃時電子水泵在4種不同轉速下的Q-η曲線,從圖中可以看出,電子水泵在4種不同轉速下的Q-η曲線都符合一般規律,隨流量的增大先上升后下降,電子水泵在四種不同轉速下能達到的最大工作效率都隨環境溫度的上升而下降,與介質溫度為90 ℃時電子水泵的最大工作效率隨環境溫度變化的規律相同。

圖8為介質溫度為50 ℃,環境溫度分別為10 ℃、30 ℃和50 ℃時電子水泵在四種不同轉速下的Q-η曲線,從圖中可以看出,電子水泵在4種不同轉速下的Q-η曲線都符合一般規律,隨流量的增大先上升后下降,但電子水泵在4種不同轉速下能達到的最大工作效率隨環境溫度的上升先上升后下降,這與介質溫度為90 ℃和70 ℃時電子水泵的最大工作效率隨環境溫度變化的規律不同。

結合圖6、圖7和圖8,可以發現介質溫度和環境溫度對電子水泵的最大工作效率的影響存在交互作用,兩者之間存在一種特定的關系共同作用于電子水泵,將兩者的共同作用量化為一個具體的值MT,則MT存在一個臨界值,在達到臨界值前電子水泵的最大工作效率會隨著MT的上升而上升,超過臨界值后,電子水泵的最大工作效率就會反而下降。

圖7 介質溫度為70 ℃時不同環境溫度下的Q-η曲線

圖8 介質溫度為50 ℃時不同環境溫度下的Q-η曲線

產生這種現象,可能與環境溫度和介質溫度都會對介質的物理性質產生影響有關[16-17]。從式(4)來看,電子水泵的最大工作效率在U、I、g、H不變的情況下與介質的密度ρ和測試回路中的流量Q有關系,本次實驗中采用的介質為水,水的密度在高于4 ℃時會隨著溫度的上升而下降,回路中的流量大小與水的黏度有關,水的溫度越高,黏度越低,測試回路中的流量就越大。水的密度和黏度變化對電子水泵最大工作效率產生影響的比重不同,一旦溫度超過某個臨界值后水的密度減小對電子水泵最大工作效率產生的負面影響超過水的黏度減小對電子水泵最大工作效率產生的正面影響,使得電子水泵的最大工作效率隨溫度的上升而下降。

從本次實驗的角度來進行分析,隨著環境溫度的上升,介質由于換熱而損失的熱量減少,介質的實際溫度變高。在介質溫度為90 ℃和70 ℃時,介質的實際溫度超過了臨界值,溫度的上升對電子水泵的最大工作效率產生負面影響;而當介質溫度只有50 ℃時,介質的實際溫度在隨環境溫度的上升而上升的過程中超越了臨界值,使得電子水泵的最大工作效率隨環境溫度的上升先上升后下降。

4 結 語

為了探究環境溫度和介質溫度對電子水泵工作效率的影響,本文設計了一種能夠控制測試回路中介質溫度和電子水泵工作環境溫度的電子水泵性能測試系統,進行了測試系統的平臺搭建和軟件設計,并在測試系統完成后對電子水泵在不同環境溫度和介質溫度下的工作效率進行了測試。根據測試所得的Q-η曲線發現在介質溫度為90 ℃和70 ℃時,電子水泵的最大工作效率會隨環境溫度的上升而下降,而在介質溫度為50 ℃時,電子水泵的最大工作效率會隨環境溫度的上升先上升后下降。說明介質溫度和環境溫度都對電子水泵的最大工作效率存在影響,且兩者對電子水泵的最大工作效率造成的影響存在交互作用,不同介質溫度下環境溫度的變化對電子水泵最大工作效率的影響不一定相同。

電子水泵的最大工作效率會在介質溫度和環境溫度的共同作用下先上升后下降,但是根據本文所進行的實驗還不能對介質溫度和環境溫度對電子水泵的工作效率造成的影響進行量化,需要后續進行更多的實驗。