增壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱試臺(tái)冷卻循環(huán)改造與性能驗(yàn)證

王鵬 周圍 孫宇 王靜

摘 要：文章針對(duì)布置在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門前的中冷器機(jī)型介紹了一種熱試臺(tái)水循環(huán)改造方法，完成了中冷器的冷卻循環(huán)系統(tǒng)在原有熱試臺(tái)冷卻循環(huán)系統(tǒng)上的集成，以及發(fā)動(dòng)機(jī)在冷卻水加注、循環(huán)和排出時(shí)的控制策略，改造方法滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水和進(jìn)氣中冷器冷卻水的同步循環(huán)功能。最終通過發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)在熱試臺(tái)上運(yùn)行的性能驗(yàn)證，確定了臺(tái)架水循環(huán)改造的有效性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)熱試臺(tái);中冷器;增壓發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻循環(huán)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-119-03

Abstract： This article introduces a method of hot test bench cooling water circulation modification for the turbo-charged engine intercooler. Typically， the engine intercooler placed in front of the throttle. It completed the integration of the intercooler cooling circulation system on the original hot test bench cooling circulation， and the control strategy of cooling water filling， circulation and discharge. The modification method meets the synchronous circulation function of engine cooling water and charged-air intercooler cooling water. Finally， the effectiveness of water circulation modification is confirmed through the performance verification test of the standard sample engine on the hot test bench.

Keywords： Engine hot test bench; Intercooler; Charged-air engine; Cooling circulation system

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-119-03

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)及可靠性的重要環(huán)節(jié)[1]。而發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架冷卻系統(tǒng)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的重要組成部分[2]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)熱測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻主要包括，發(fā)動(dòng)機(jī)自身冷卻和經(jīng)過渦輪增壓后的進(jìn)氣空氣冷卻。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中冷器的不斷發(fā)展，也在逐步由布置在整車前端的風(fēng)冷進(jìn)氣中冷器發(fā)展到直接裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門前的水冷式進(jìn)氣中冷器。面對(duì)產(chǎn)品的發(fā)展變更，本文在已有發(fā)動(dòng)機(jī)熱臺(tái)架冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集成了進(jìn)氣中冷器的冷卻循環(huán)管路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)循環(huán)同步運(yùn)行，有效的保障了發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試，為今后發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架冷卻循環(huán)相關(guān)的問題提供一種思路和解決方法。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)的水循環(huán)系統(tǒng)要求

解決熱試臺(tái)架中冷循環(huán)問題，先分析發(fā)動(dòng)機(jī)的水循環(huán)系統(tǒng)要求，然后進(jìn)行熱試臺(tái)架的水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器的冷卻要求

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻主要是發(fā)動(dòng)機(jī)自身冷卻和增壓空氣的冷卻需求。試驗(yàn)臺(tái)架的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的冷卻系統(tǒng)作為參考。如圖1，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在整車中的中冷循環(huán)。

因?yàn)闇y(cè)試臺(tái)架可以方便的提供水冷介質(zhì)，所以熱試臺(tái)架使用水冷換熱器替代風(fēng)冷換熱器。為了保證熱試的測(cè)試節(jié)拍，減少暖機(jī)時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水預(yù)熱在55度。而增壓空氣要求將進(jìn)氣溫度冷卻到26度左右，為了實(shí)現(xiàn)冷卻水加注過程的同步運(yùn)行，所以需要通過低溫介質(zhì)冷凍水進(jìn)行換熱。

綜上分析，可以擬定增壓空氣中冷器水循環(huán)和發(fā)動(dòng)機(jī)水循環(huán)需要同時(shí)加注冷卻液，但之后發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要不同的換熱器冷卻并將兩個(gè)封閉的循環(huán)冷卻到要求的溫度。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)水循環(huán)的接口連接方案

圖2所示，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)上的8個(gè)水路接口的作用和流向，本文設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)架冷卻水循環(huán)的連接方案。發(fā)動(dòng)機(jī)端的連接接口可以在整車找到相應(yīng)接頭，配合耐壓耐溫膠管和快捷接頭，將發(fā)動(dòng)機(jī)全部水循環(huán)接口連接到試驗(yàn)臺(tái)接口，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)和試驗(yàn)臺(tái)架冷卻循環(huán)的對(duì)接。

2 熱試臺(tái)架端的水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 熱試臺(tái)架端管路設(shè)計(jì)

利用已有的布置在試驗(yàn)臺(tái)架介質(zhì)供給層的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水水箱和布置在測(cè)試臺(tái)架負(fù)一層的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱，在測(cè)試臺(tái)架內(nèi)部設(shè)計(jì)如圖3所示管路系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)在加注冷卻水時(shí)，由頂端的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱水泵1，將冷卻液加注到測(cè)試臺(tái)架內(nèi)部的發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器與試驗(yàn)臺(tái)中冷器之間的循環(huán)系統(tǒng)中。其中的膨脹水箱起到了保壓和加注過程的排氣放空及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的補(bǔ)液作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)換熱器1和發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器之間的循環(huán)封閉，并且由試驗(yàn)臺(tái)提供12度的低溫冷凍水對(duì)此循環(huán)冷卻。同時(shí)，在低溫冷凍水供給管路中設(shè)置開度閥11來實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)溫度的控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)排出冷卻液時(shí)，通過膨脹水箱1的壓縮空氣將原本封閉的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液排出到測(cè)試臺(tái)負(fù)一層冷卻水水箱。當(dāng)負(fù)一層冷卻水到達(dá)水箱高液位時(shí)，負(fù)一層冷卻水水泵2會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液泵回到介質(zhì)供給層的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水水箱。以此，實(shí)現(xiàn)了熱測(cè)試臺(tái)架上的進(jìn)氣中冷器水循環(huán)過程。

2.2 熱試臺(tái)架端水循環(huán)控制策略

熱試臺(tái)架水循環(huán)的控制策略要求在發(fā)動(dòng)機(jī)加注、運(yùn)行、排出冷卻水的同時(shí)完成進(jìn)氣中冷器水循環(huán)的相同過程，既兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)需要共同加注，封閉獨(dú)立循環(huán)，同時(shí)排出冷卻水。結(jié)合圖4 所示，熱試臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)管路，本文設(shè)計(jì)了如下控制策略。

所有閥門為常閉閥門，當(dāng)冷卻水加注時(shí)，泵1啟動(dòng)，圖3中冷循環(huán)中的閥4，5，6，7，9打開，膨脹水箱1為封閉狀態(tài);圖4發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)中的閥18，20，21打開，開度閥16開度50%，膨脹水箱2為封閉狀態(tài)。目的是，將兩個(gè)循環(huán)中充滿發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水。之后，圖3中冷循環(huán)中的閥4，5，6，7，打開，閥9關(guān)閉，膨脹水箱1為防空狀態(tài);圖4發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)中的閥18，20打開，閥21關(guān)閉，開度閥16開度50%，膨脹水箱2為放空狀態(tài)。目的是，將兩個(gè)循環(huán)內(nèi)的氣體從處在高點(diǎn)的膨脹水箱全部排出。當(dāng)冷卻水水位到達(dá)膨脹水箱設(shè)計(jì)的液位傳感器處時(shí)，中冷循環(huán)中的閥6，7打開，膨脹水箱1上壓縮空氣加壓到0.5bar;發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)中閥18，19打開，開度閥16開度50%，膨脹水箱2上壓縮空氣加壓到0.5bar。至此，加注過程完成。發(fā)動(dòng)機(jī)在測(cè)試過程中，兩循環(huán)獨(dú)立運(yùn)行，中冷循環(huán)通過圖3中的開度閥11控制中冷后進(jìn)氣溫度;發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)通過圖4中的開度閥16控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫。在測(cè)試完成后，通過膨脹水箱上接通持續(xù)的壓縮空氣吹掃，將冷卻水同步排出到負(fù)一層冷卻水水箱。

3 熱試臺(tái)架改造性能驗(yàn)證

本文在完成熱測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架水循環(huán)改造的基礎(chǔ)上對(duì)此改造進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)性能驗(yàn)證試驗(yàn)。如圖5，6，7，本文將某款增壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)在完成水循環(huán)改造的臺(tái)架上運(yùn)行，通過得到的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線和該發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)性能限值對(duì)比，可以判斷本次水循環(huán)改造是否滿足測(cè)試需求。從圖中可以看出，該發(fā)動(dòng)機(jī)功率在4000r/m至6000r/m可達(dá)到155KW，扭矩在2000r/m至4000r/m可以到達(dá)350Nm，中冷器后進(jìn)氣溫度基本在26度附近。故本文對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的水循環(huán)改造滿足發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖明明，林偉鍵.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)淺析[J].裝備制造技術(shù)，2010（4）： 167-169.

[2] 蔣受寶，蔣紹堅(jiān)，曾紅武.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車2007，36，（3）：45-47.