發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗臺架分析及優(yōu)化

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

冷熱沖擊試驗是發(fā)動機(jī)臺架可靠性試驗中的重要項目，其主要目的是評價發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋、氣缸墊承受冷熱沖擊的密封性和耐久性及各運(yùn)行件的可靠性，是對發(fā)動機(jī)整機(jī)性能的總體評價。發(fā)動機(jī)的冷熱沖擊試驗是指對發(fā)動機(jī)冷卻液進(jìn)行冷熱水交替變換，在設(shè)定工況下的規(guī)定時間內(nèi)，發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度達(dá)到要求值。此類試驗最重要的是水溫的控制，因此一般的臺架冷卻系統(tǒng)無法滿足要求。受某車企的委托完成某款發(fā)動機(jī)的冷熱沖擊試驗，前期對兩個臺架的控制系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，但故障率和運(yùn)行成本較高，且維修不方便。針對這些問題，對兩個臺架的控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，以最小的投入對臺架冷卻系統(tǒng)進(jìn)行再次改進(jìn)，以提升臺架冷卻系統(tǒng)對熱沖擊試驗的適應(yīng)性和可靠性。

1 原熱沖擊臺架問題描述

1.1 某熱沖擊試驗規(guī)范概述

某發(fā)動機(jī)冷熱沖擊按照某試驗規(guī)范要求，采用A、B兩種模式運(yùn)行7 500個循環(huán)(圖1)其中A模式共730個循環(huán)，其余為B模式工作循環(huán)。在A模式中，其中冷循環(huán)為停車工況，共計140 s，通過外接輔助泵將冷水泵接入發(fā)動機(jī)，使其出水溫度達(dá)到30±2 ℃，而熱循環(huán)時全速全負(fù)荷132 s內(nèi)要求發(fā)動機(jī)出水溫度達(dá)到100±2 ℃。B模式與A模式類似，冷循環(huán)停車工況時發(fā)動機(jī)出水140 s后溫度達(dá)到30±2 ℃，熱循環(huán)在最大扭矩工況210 s內(nèi)發(fā)動機(jī)的出水溫度達(dá)到105～110 ℃。相比其他企業(yè)規(guī)范及國家標(biāo)準(zhǔn)熱沖擊試驗規(guī)范，試驗條件苛刻，而且需外接節(jié)溫器，自帶節(jié)溫器常處于頂開狀態(tài)(圖2)。

圖1 熱沖擊模式

圖2 發(fā)動機(jī)外接水路

1.2 原臺架系統(tǒng)原理

原臺架冷卻系統(tǒng)由上下2個水箱組成，中間由2個管路分別串聯(lián)2個氣動閥及2組(4個)圓筒形管殼式冷卻器構(gòu)成，靠管路硬聯(lián)結(jié)支撐上部熱水箱，與水箱連接均采用法蘭式(圖3)。上水箱中安裝有液位計、加熱器、溫度傳感器、進(jìn)水口和膨脹閥，下水箱中安裝排水口和溫度傳感器。冷卻器主要依靠約10 ℃的冷水冷卻，采用手動閥控制冷卻水流量。根據(jù)液體的流動特性，發(fā)動機(jī)的冷卻水再進(jìn)入冷卻系統(tǒng)后，根據(jù)進(jìn)水量的比例自由分配給上下水箱，下水箱始終保持飽和狀態(tài)。

熱循環(huán)開始時氣動閥2和4關(guān)閉，氣動閥1和3打開，由于外接節(jié)溫器，因此發(fā)動機(jī)的冷卻水進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的流量微乎其微，主要流向旁通閥，發(fā)動機(jī)依靠自身熱量使進(jìn)水溫度達(dá)到82 ℃時，之后完全打開后冷卻水循環(huán)，由于氣閥2和4均關(guān)閉，發(fā)動機(jī)的進(jìn)水只可能從上部水箱流進(jìn)發(fā)動機(jī)，因此發(fā)動機(jī)的回水也只可能回到上部熱水箱。冷循環(huán)開始時4個氣動閥全部關(guān)閉，發(fā)動機(jī)停機(jī)，靠冷卻輔助泵進(jìn)行冷卻，同時氣閥5打開，發(fā)動機(jī)的回水經(jīng)過下部2個冷卻器冷卻后回到冷水箱。常規(guī)溫控模式下，氣動閥1和4打開，2和3關(guān)閉，通過電子比例調(diào)節(jié)閥控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)水溫度，使其維持在設(shè)定值。

圖3 原熱沖擊臺架系統(tǒng)圖

1.3 原冷卻系統(tǒng)存在的問題

由于上水箱通過冷卻器及管道硬聯(lián)結(jié)來支撐，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，但是給安裝及維護(hù)帶來了極大的不便，由于系統(tǒng)內(nèi)有一定的溫度及壓力，防止冷卻液不滲漏成了一大難題。同時，雖然冷熱沖擊試驗的溫度條件勉強(qiáng)滿足，但冷卻器冷卻效果如果稍微變差或冷凍水溫度稍有變化，都會導(dǎo)致試驗條件無法滿足。再加上由于管殼式冷卻器的上水箱的壓力及上下冷卻器聯(lián)結(jié)會受到側(cè)向力影響，極易引起冷卻液滲漏。一旦發(fā)生冷卻液滲漏需要將整個上水箱吊起，進(jìn)行檢修，需要1～2天。同時，原冷卻系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)其故障率較高，平均運(yùn)行200 h便會出現(xiàn)一次故障，故障主要集中于水管漏水、氣閥漏水、冷卻器漏水，以及溫度條件達(dá)不到試驗要求。

2 臺架系統(tǒng)問題及改進(jìn)分析

2.1 原冷卻系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)分析

試驗時熱水箱內(nèi)的3組加熱器功率共計4.5 kW，處于長期工作狀態(tài)，圖5和圖5分別示出了A模式及B模式下發(fā)動機(jī)的水溫變化曲線，可以看出其水溫只能勉強(qiáng)滿足試驗的要求(A模式高溫下限98 ℃和低溫上限32 ℃；B模式高溫下限105 ℃和低溫下限32 ℃)。在冷循環(huán)時，加熱器對熱水箱加熱，使熱水箱內(nèi)的水溫上升，而在熱循環(huán)時，熱水箱的中水因降低了循環(huán)中的熱損失，從而水溫有所下降。

在外接節(jié)溫器開啟之前水溫上升很迅速，而在開啟之后水溫上升極其緩慢，主要是由于節(jié)溫器開啟后冷卻液循環(huán)量增大。由于發(fā)動機(jī)熱循環(huán)過程為額定工況，所消耗的燃料和功率為恒定值，熱輻射和尾氣所帶走的熱量也可視為恒定值，從而冷卻液所吸收的熱量可近似為定值。根據(jù)公式

Q=C·M·ΔT

(1)

式中，Q為介質(zhì)所吸收的熱量，M為加熱介質(zhì)的質(zhì)量，ΔT為介質(zhì)溫度的變化，C為常數(shù)。由此可知，在一定時間內(nèi)溫度的變化與M成反比，因此在節(jié)溫器開啟后，冷卻液循環(huán)量增大時，溫度增長率減小。

圖4 熱沖擊A模式水溫圖

圖5 熱沖擊B模式水溫圖

2.2 試驗系統(tǒng)改進(jìn)可行性分析

從試驗數(shù)據(jù)分析，減小冷卻液循環(huán)量及冷卻液循環(huán)中的熱損失，可以提高節(jié)溫器打開后冷卻液溫度提升的速度。根據(jù)能量守恒原理，等量冷卻液升溫所吸收的熱量與降低相同的溫度所釋放出的熱量是一致的，因此冷卻液循環(huán)路徑的減少意味著冷卻水量也隨之減少。因此，需要精簡管路和減少循環(huán)中的熱損失。發(fā)動機(jī)回水進(jìn)入冷卻系統(tǒng)時需要經(jīng)過冷卻器，因回水進(jìn)入熱水箱的水不需要冷卻，所以上部水箱中的兩個冷卻器并無用處。因而試驗過程中將其關(guān)閉，但是卻增大了冷卻水循環(huán)路徑。另外，熱循環(huán)時發(fā)動機(jī)冷卻液回到冷卻系統(tǒng)的上水箱，在中間部分由于與下面兩個管殼式冷卻器形成大量的熱交換，造成了熱量損失。這些都可以通過改進(jìn)完全避免。

3 臺架系統(tǒng)改進(jìn)方案設(shè)計

臺架冷卻系統(tǒng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化措施如下：(1)將上下兩個水箱用鐵架建立固定支撐；(2)將中間兩組冷卻器全部去掉，改為上下用兩根進(jìn)水管連接；(3)將中間管殼式冷卻器改為外部板式冷卻器；(4)將氣動閥5改為兩位三通氣動閥；(5)上下水箱中間硬連接改為軟連接，系統(tǒng)原理如圖6所示。

為節(jié)約改進(jìn)成本及縮短工期，控制策略基本不變，主要依靠冷卻輔助泵長期工作。在熱循環(huán)或常規(guī)試驗循環(huán)時，兩位三通氣動閥不工作，冷卻輔助泵將冷水箱的冷卻液泵入板式熱交換器進(jìn)行冷卻，形成獨(dú)立循環(huán)，冷水箱的冷卻液通過調(diào)節(jié)冷卻水量來平衡溫度，在冷循環(huán)時兩位三通氣動閥切換至發(fā)動機(jī)，冷水箱的冷卻液通過輔助泵進(jìn)入發(fā)動機(jī)。

3.1 標(biāo)定工況發(fā)動機(jī)冷卻液散熱率

內(nèi)燃機(jī)額定工況下冷卻液散熱量一般為燃料總發(fā)熱量的22%～30%，保守計算取最小值22%，某公司1.8 L發(fā)動機(jī)額定工況燃油耗(Gf)為31.5 kg/h。穩(wěn)態(tài)時發(fā)動機(jī)冷卻液的熱量損失為

Hu·Gf×103×22%/3 600=84.5 (kW)

(2)

式中，汽油低熱值Hu為43.9 MJ/kg。

3.2 冷卻系管路的熱損失

冷卻系統(tǒng)管路置于實(shí)驗室中可以不考慮管路周圍的強(qiáng)制空氣流動，管路熱損失可認(rèn)為是自然對流換熱及熱輻射,試驗中只考慮管路最大熱損失，即達(dá)到熱平衡時。

試驗中，把管路簡化為垂直和水平兩個方向，取設(shè)定水平管為5 m，垂直管為2 m，試驗室環(huán)境溫度為20 ℃，按照某試驗規(guī)范A模式冷卻液溫度在試驗中將達(dá)到100 ℃，對于薄壁鍍鋅水管可以忽略壁厚熱阻，管壁溫度接近100 ℃，因此發(fā)動機(jī)平均溫度約為60 ℃。其中，密度ρ為1.060 kg/m3,比熱容cp為1.005 kJ/(kg·K),導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.029 W/(m2·K),運(yùn)動粘度γ為18.97×10-6m2/s，普朗特數(shù)Pr為0.696。

水管垂直管的熱損失為

Gr=g·а·L3·(ΔT/γ2)

(3)

式中，Gr為格拉曉夫數(shù)，g為重力加速度，L為管長，а體積熱膨脹系數(shù)為1/Tm，ΔT為介質(zhì)溫度變化求得數(shù)值Gr=5.23×1010。

自然對流換熱關(guān)聯(lián)式

Nu=C(Gr·Pr)n

(4)

式中，根據(jù)Gr范圍取系數(shù)C為0.11，指數(shù)n為1/3，Pr為0.696因此Nu求得為364.6，根據(jù)

Nu=hL/λ

(5)

式中，h為表面換熱系數(shù)為5.29 W/(m2·K)，水管垂直管的熱損失為

πdLh(Tw-T∞)

(6)

式中，Tw為管壁溫度，T∞為環(huán)境溫度，L為管長求得數(shù)值為132.9 W。

水管水平段的熱損失為

Gr=g·а·d3·Δt/γ2

(7)

式中，Gr范圍取系數(shù)C為0.48，水管水平段的散熱損失為480.4 W。

取水管的表面發(fā)射率ε為0.85，則輻射熱量損失可近似估算為

Aεσ(Tw4-T∞4)

(8)

式中，σ為黑體輻射常數(shù)5.67×10-8W/(m2·K4)，A為表面積，輻射熱量損失為634.9 W，因此冷卻系管路的總熱量損失為1 248.2 W。

3.3 發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻液吸熱量

冷卻液的密度ρ取為1.0 kg/L，比熱容C為3.56 kJ/(kg·K)，發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻液按照2.5 L計算，管路中的體積為13.7 L，循環(huán)冷卻液從30～100 ℃的吸熱量計算可得為4 037 kJ。

3.4 熱水箱內(nèi)冷卻液的熱量損失

發(fā)動機(jī)出水溫度控制在100 ℃時，不開加熱器熱水箱溫度最多達(dá)到100 ℃，由于熱水箱不能完全保溫，在冷循環(huán)時對外散熱，假設(shè)熱水箱內(nèi)的溫度平均下降1 ℃，熱水箱的容積為86.6 L，熱量損失為308.3 kJ。

3.5 發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻液溫升時間

發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻液溫升時間根據(jù)計算為52.2 s，已知某公司1.8 L發(fā)動機(jī)靠自身加熱在52.2 s內(nèi)即可從30 ℃加熱到100 ℃，而該試驗的熱沖擊規(guī)范為在132 s之內(nèi)達(dá)到100 ℃，因此，不需用加熱器加熱便完全可以滿足試驗要求。

圖6 改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)原理圖

4 效果檢驗

4.1 試驗驗證及改進(jìn)性能

試驗結(jié)果與改進(jìn)可行性分析完全一致，在熱循環(huán)過程中，當(dāng)節(jié)溫器打開后，冷卻液溫度很快上升至試驗要求溫度，見圖7和圖8。對于A模式不計算前20 s的過渡工況時間，在額定工況下運(yùn)行50 s便達(dá)到冷卻液出水溫度100 ℃。在冷循環(huán)時通過調(diào)節(jié)經(jīng)過板式熱交換器的冷卻水流量，使冷循環(huán)結(jié)束時發(fā)動機(jī)出水溫度維持30±2 ℃，并維持60～70 s。

原系統(tǒng)4.5 kW的加熱器長期處于工作狀態(tài)，需要采用冷卻水進(jìn)行冷卻，若冷卻機(jī)組和其他能量損失的制冷效率按70%計算，則可計算出節(jié)省的電功率為10.9 kW,800 h熱沖擊試驗節(jié)省的電量為8 720 kW·h。

4.2 維修、運(yùn)行及可靠性分析

原臺架冷卻系統(tǒng)采用了管殼式熱交換器，熱效率低、損耗大，且管殼式熱交換器還起到支撐熱水箱的功能，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部空間狹小、維修不便，易形成泄漏，800 h試驗需維修2～3次，每次維修需要1～2天時間才能完成，而且頻繁的維修效果并不理想。而優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)兩年之內(nèi)不需要維護(hù)，也從未出現(xiàn)過泄漏現(xiàn)象，因散熱器結(jié)垢正常維護(hù)一次僅需2～3 h，使得熱沖擊試驗周期從45天左右縮短至40天，臺架運(yùn)行效率提升約12%，大大提高了臺架的利用率，縮短了試驗工期。

圖7 改進(jìn)后熱沖擊A模式水溫圖

圖8 改進(jìn)后熱沖擊B模式水溫圖

5 結(jié)論

通過對發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗臺架系統(tǒng)深入研究，并結(jié)合試驗結(jié)果和發(fā)動機(jī)加熱時間的計算分析，提出了優(yōu)化改進(jìn)方案并實(shí)施，使得臺架冷卻系統(tǒng)更加合理。通過試驗驗證不僅使熱沖擊試驗節(jié)省了電力近9 000 kW·h，而且提升了臺架可靠性及維護(hù)便捷性，更重要的是縮短了試驗周期，保證了發(fā)動機(jī)試驗任務(wù)的進(jìn)度。