發動機深度冷熱沖擊試驗概述

管玉坤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

發動機深度冷熱沖擊試驗概述

管玉坤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

簡述了深度冷熱沖擊試驗的過程，深度冷熱沖擊試驗是在極度寒冷的條件下做熱循環來驗證發動機的耐久特性，作為一個加速試驗，它不是復制消費者的使用方法，而是使發動機在其使用壽命中產生類似的累積傷害。

發動機；出水溫度；發動機表面溫度；深度冷熱沖擊

隨著發動機技術的不斷進步，發動機由最初的自然吸氣發動機發展成現在諸如渦輪增壓發動機、缸內直噴發動機等多種類型，發動機的功率和扭矩有了大幅度增高，隨著發動機性能的增加，與之相對應的工況有的更加惡劣，這對于發動機的機械負荷和熱負荷要求更加嚴格，發動機的可靠性作為發動機的一個重要質量指標，愈發受到人們的重視，可靠性對于發動機運行的經濟性和安全性具有重要意義。傳統的發動機可靠性試驗多數是在常規的條件下，通過給定的試驗程序往復試驗得到一個疲勞累積來驗證其可靠性，我國地域遼闊，南北的氣候條件大為不同，因此有必要對發動機進行極寒和極冷這種極限條件下的可靠性進行驗證，發動機的深度冷熱沖擊試驗就是此類試驗的一種[1]。

1 試驗概述

1.1 試驗目的

深度冷熱沖擊試驗是一項主要為測試氣缸蓋墊片的可靠性而作的可靠性試驗。試驗中，發動機會在極低的溫度下起動并會在較短時間內加速到高轉速、高功率，這種操作導致燃燒室周圍的組件受到高的熱負荷沖擊。此外，因為缸蓋及機體有不同的熱傳導率及不同的熱擴散率，這種沖擊試驗會導致缸蓋及機體之間承受高的交變振動沖擊[2]，這種缸蓋及機體之間的關聯振動必須靠氣缸墊片來均衡以減輕振動的影響。

1.2 實驗過程

深度冷熱沖擊試驗主要分為加熱和冷卻兩個步驟，加熱過程是通過發動機運轉將冷卻夜溫度加熱至115℃，持續工作一段時間使機油溫度達到125℃；冷卻過程是將制冷機制冷的-30℃的冷卻液注入熱交換器與發動機內部冷卻液進行熱交換，最終將發動機表面溫度降至-15℃，然后再啟動發動機加熱升溫、降溫，如此往復，一熱一冷算作一個循環，一個完整的深度熱沖擊試驗一般需要做800個循環。發動機工作過程如圖1所示。

圖1 試驗溫度控制圖

2 系統控制

2.1 試驗程序

本次試驗根據實驗要求編制試驗程序，在運行程序的過程中主要參考冷卻液出水溫度、機油溫度和發動機缸蓋表面溫度這些關鍵參數，當關鍵參數的條件達到目標值，程序便會自動跳轉到下一步。由于深度冷熱沖擊試驗對于冷卻速率有一定的要求，因此對于不同的被測發動機其冷卻速率也會不同，所以在運行程序的前期，都要針對特定的發動機對程序進行調試以達到實驗要求。

2.2 溫度控制

深度冷熱沖擊試驗一個循環包括加熱升溫和冷卻降溫兩大部分，加熱升溫是靠發動機工作過程中自身產生的熱量來完成，冷卻降溫是靠外部制冷機制冷的冷卻液與發動機的冷卻液通過熱交換來完成，其控制溫度的原理都是通過PID調節實現的。其控制原理如圖2所示。

圖2 系統原理圖

2.3 溫度采集布點

深度冷熱沖擊試驗自動試驗程序中有多個步驟使用的源信號為溫度值，當系統檢測到源信號的值達到要求后，便會自動跳轉到下一步，其中發動機冷卻液出水口的溫度和發動機缸蓋表面溫度最為重要，前者用于鑒定加熱循環是否完成，后者則用于鑒定冷卻循環是否完成。發動機冷卻液出水溫度傳感器置于發動機出水管管內；發動機缸蓋表面溫度的測量點要在缸蓋或者機體的外壁，一般選在缸蓋和機體結合處的2 cm范圍內，測量點不能處于缸蓋的排氣一側，因為排氣側溫度較高，對于測量結果和傳感器的使用壽命都有影響。為了提高測量的準確率，一般溫度測量布點選三個點以上，測量點選擇如圖3所示的1、2、3.

圖3 溫度測量布點位置圖

2.4 制冷設備的選擇

深度冷熱沖擊試驗要求發動機缸蓋表面溫度最低降至-15℃，為達到降溫目的，對于制冷設備的制冷效果有很高的要求。因此，選用了SRSB系列低溫乙二醇（鹽水）機組，其是以R404A為制冷劑，乙二醇或氯化鈉、氯化鈣為載冷劑的工業冷卻專用低溫水機組，根據用戶需要可提供-15℃～-35℃的工業冷卻水。

3 試驗驗證

3.1 機油周期檢查

要定期視覺檢查機油液位，每100個循環要更換機油，并取機油樣品，用于分析燃油稀釋物和是否有金屬粉末，所取機油樣品要遮光密封保存，避免變質。

3.2 冷卻液的冷卻速率

深度冷熱沖擊試驗中的冷卻循環要求冷卻液降低至一定的溫度，其不僅僅要求最終的目標溫度要達標，在降溫過程中對于冷卻的速率也有要求。在深度冷熱沖擊試驗中，發動機需要快速冷卻，在冷卻的第一階段（預冷階段，直到出水溫度在10～30℃）冷卻速率達到每秒4～10℃；在此之后，冷卻速率會下降，0℃以下冷卻速率每秒小于0.5℃.在溫度第一次下降之后，冷卻液溫度會再次升高，之后下降會緩慢，后期需保證冷卻循環繼續進行直到發動機溫度降下來。

冷卻速率的計算方法為溫度的冷卻差值比上完成對應差值的時間，比如冷卻液由100℃冷卻至50℃的速率計算方法為：

100°C-50°C

time at TWO=100°C-time at TWO=50°C

即冷卻溫度的差值比上水溫在100℃的時間與水溫在50℃的時間差值。

圖4中注釋區域線條中間區域為冷卻液第一冷卻階段，參照上方的數據可以看出，溫度TWO的差值為：117-43=74；對應的時間Time差值為：1 673 -1 655=18；根據冷卻速率的計算公式計算冷卻液第一階段冷卻速率==，符合試驗要求。

圖4工作循環溫度示意圖

圖5 中注釋區域線條中間區域為冷卻液第二冷卻階段，參照上方的數據可以看出，溫度TWO的差值為：41-（-24）=65；對應的時間Time差值為：2 227-1 677=550；根據冷卻速率的計算公式計算冷卻液第二階段冷卻速率==，符合試驗要求。

圖5 工作循環溫度示意圖

3.3 性能檢測

為了驗證發動機試驗過程前后的性能變化，分別在測試開始前、測試半程和測試結束后測量三組發動機的凈功率、活塞漏氣量和活塞壓縮壓力，用于對比，如果發動機性能發生明顯的差異，則需要重點關注發動機是否有明顯的物理變化[3]。正常情況下，運行完800循環耐久測試的發動機功率和扭矩都會出現衰退。

4 結束語

深度冷熱沖擊試驗考核的是零部件對高低溫瞬間變化的承受能力，同時會造成溫差沖擊，熱脹冷縮等現象，因此對內部的零部件都有所要求，需要關注瞬間升溫對零部件是否造成損壞，零部件冷熱沖擊后是否出現擠壓或者縫隙過大等情況。利用委托企業的實驗項目，已經對多款發動機進行了深度冷熱沖擊試驗，驗證了發動機的可靠性。本文對深度熱沖擊試驗進行了簡要的概述，但在實際實驗過程中，由于發動機工況惡劣、工作循環較多，要關注的問題會更多，這對于實現發動機新產品的開發提供了試驗數據支持。

[1]朱紅國，蔣習軍，鄭銀生，等.發動機深度冷熱沖擊試驗系統的開發[C].2008中國汽車工程學會年會論文集[C]. 2008：4.

[2]蘇圣，胡景彥，吳豐凱，等.缸蓋冷熱沖擊低周疲勞的研究[J].拖拉機與農用運輸車，2014（01）：40-42.

[3]任宇翔，徐璐.發動機性能試驗的概論與分析[J].裝備制造技術，2013（08）：179-182.

Overview of Engine Global Deep Thermal Shock Test

GUAN Yu-kun
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Overview of the global deep thermal shock test process，this test is primarily run to determine the durability characteristics of the engine as a result of a thermal cycling in a high percentile cold environment.Being an accelerated test，it does not duplicate customer usage，but intends to generate similar cumulative damage as would occur in the useful life of the vehicle.

engine；coolant out temperature；head metal temperature；deep thermal shock

U464

A

1672-545X（2017）03-0194-03

2016-12-21

管玉坤（1990-），男，山東菏澤人，學士，助理工程師，研究方向：發動機試驗檢測。