論冷水機組臺架設備效率提升方法研究與實踐

羅富勝　鄒仕臣

摘 要：發動機冷水機組臺架[1]主要用于進行內燃機深度冷熱沖擊試驗，因能耗高、冷卻能力有限導致效率低下一直是行業痛點。文對內燃機典型深度冷熱沖擊試驗工況及試驗過程中存在的發動機冷浸時間過長問題進行研究，對設備進行微小改進，通過試驗驗證發現效率有顯著提升。

關鍵詞：臺架 深度冷熱沖擊試驗 試驗工況 冷浸時間 試驗驗證

Research and practice on efficiency improvement method of chiller dyno equipment

Luo Fusheng Zou Shichen

Abstract：Engine chiller dyno is mainly used for deep thermal shock test of internal combustion engine. Low efficiency has always been a pain point in the industry due to high energy consumption and limited cooling capacity. This paper analysis the typical deep thermal shock test profile of internal combustion engine and the challenge of long cold soak time in the test process， and makes small improvements to the equipment. Through test verification， it is found that the efficiency is significantly improved.

Key words：Dyno ， Deep thermal shock test ， Test profile， Cold soak time， Test verification

1 前言

發動機臺架耐久試驗是發動機開發的最主要手段，主要包括高周疲勞試驗、深度冷熱沖擊試驗[2]和模擬顧客道路使用循環試驗。試驗目的是在冷凍使用環境下考核發動機的冷熱交替條件下產生的低周疲勞，重點考核發動機缸體、缸蓋、氣缸墊及發動機相關的密封系統（潤滑及冷卻系統）在以上條件產生的交變應力可能產生的失效[2-4]。臺架借助冷水機組對發動機進行冷凍，見圖1。冷水機組依靠消耗以電能為主的其它形式的能量進行制冷，發動機需要冷凍到試驗要求的溫度進行試驗，消耗盡可能少的能量使發動機盡快冷凍到目標溫度是努力的方向。

2 典型試驗工況

該試驗包含冷凍階段、冷啟動運行至最大扭矩點、功率點和熱浸4個階段。工況如圖2。

冷凍階段：發動機停機，將冷卻管路回路切換到冷水機組設備回路。使用外部冷卻液泵，用規定溫度的冷卻液沖洗發動機。冷卻系統壓力可能在0轉/分鐘（rpm）期間下降。打開外部油冷卻器。油底殼溫度應達到要求溫度-25℃±5℃（-13°F±9°F）。浸泡15分鐘左右，以發動機達到目標冷凍溫度為準。記錄冷卻液溫度、油底殼機油溫度等數據。

冷啟動運行至最大扭矩點：繼續制冷回路。啟動發動機。發動機運行至最大扭矩轉速和滿負荷。按此速度運行1分鐘記錄數據，切換到旁路回路40秒（大約）進入這個工況。

功率點：30秒（大約）過渡工況，發動機從最大扭矩切換到最大功率轉速滿負荷運行發動機，直到冷卻液溫度達到基礎冷卻塔回路的溫度，然后切換到基礎冷卻塔回路。在滿負荷最大功率下繼續運行，直到冷卻液溫度達到110℃（230°F）的目標溫度（該溫度僅供參考，以產品最高設計溫度為準），不超過10分鐘。然后保持負載和速度3分鐘，當冷卻劑溫度穩定在110±2℃（230±4°F）。油溫應穩定在132±3℃（270±5°F）。記錄數據。

熱浸階段：測試循環完畢后，應立即關閉發動機和試驗室臺架風扇。讓發動機在沒有冷卻液流動的情況下浸泡6分鐘。按程序記錄數據，試驗工況如表1。

通過試驗工況[5]的分析，不難發現，該試驗有1/3的時間是在冷凍，如何降低冷水機組能耗、縮短發動機冷凍時間成為提高試驗效率，縮短試驗開發周期的關鍵。

3 冷水機組臺架設備及存在問題

冷凍階段發動機停機時冷浸時，水泵1和水泵4開啟、電磁閥2和電磁閥5開啟，超低溫罐里的防凍液進入發動機冷浸;發動機冷啟動后電磁閥2關閉、電磁閥1和水泵1開啟，發動機啟動、怠速、扭矩點并運行至功率點，發動機出水口和進水口短接，借助發動機自身熱量暖機至最高設計溫度;熱沖擊及熱浸時發動機穩定在功率點，水泵3和水泵1開啟、電磁閥2和電磁閥4開啟，發動機和熱罐相連接，此時穩定在最高設計溫度運行。此外當完成一個循環進入到下一個耐久循環時需要熱沖擊切換冷浸控制進出水罐由熱罐切換到超低溫溫罐，關閉電磁閥4，并同時開啟電磁閥5。臺架冷水機組設備管路連接如圖3。

通過試驗經驗及臺架設備管路連接情況發現熱沖擊切換冷浸工況會使得電磁閥和發動機間管路內以及發動機水套里的大量高溫防凍液進入到超低溫罐，由于超低溫罐的容積較小、冷水機組制冷速率有限，使得超低溫罐里的防凍液溫度急劇上升并需要很長時間才能再次冷卻下來，同時冷水機組由于一直處于滿負荷工作狀態，經常出現冷水機組故障維修導致試驗中斷。

4 改進方案

常溫防凍液通過環境溫或者自來水度進行熱交換即可獲得，不需要加熱絲加熱，也不需要冷水機組冷卻，成本低廉。熱沖擊工況完成進入冷浸工況時，先用常溫罐里的冷卻液將發動機冷卻至接近常溫，帶走大部分熱量，再用超低溫罐進行冷卻，大大提高超低溫罐里防凍液的冷卻效率，節省了冷浸時間。此外，研究發現防凍液從電磁閥4出來經過水泵1、流量計、發動機等再回到電磁閥5需要15s左右。由熱罐切換到常溫罐時，先關閉電磁閥4，打開電磁閥7，過15s再關閉電磁閥5，管道和發動機內的高溫防凍液能大部分回到熱罐。當冷卻液溫度接近常溫時，在切換到超低溫罐進行冷浸。設備改進臺架冷水機組設備管路連接如圖4。

5 改進效果驗證

通過臺架傳感器（熱電偶溫度傳感器）通道采集記錄發動機冷卻液溫度隨時間變化的關系并繪制圖表。通過圖表分析發現在其它條件（發動機機型、冷卻液管路長度及管徑、冷水機組加熱絲狀態等）相同的情況下，架數據發現改造后每個循環的冷凍至目標溫度所需時間可以節省約850秒，如圖5。效果顯著。

冷凍時間的縮短節省了冷水機組的制冷量，冷水機組“負擔”減輕后不易出故障，臺架設備能持續工作、試驗能夠順利進行;同時還縮短了每個循環冷浸階段的時間，使整個耐久時間縮短，提高了試驗開發效率，降低試驗成本。

參考文獻：

[1]曹琦，張華 計算部分負荷性能參數正確選擇冷水機組[J]，1996，（6）：58—60.

[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]劉裕源，霍樹君.汽車可靠性試驗[M]. 汽車技術，2000，（2），38-40.

[4]胡君，魏厚敏，蔣習軍，等.發動機可靠性試驗方法及研究[J]，內燃機，2009（1）：43-45.

[5]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.