發(fā)動(dòng)機(jī)水系統(tǒng)試驗(yàn)方法分析及改善研究

袁 彬，張志偉，劉寶玉

（濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究院，山東 濰坊 261061）

引言

車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和人們使用需求的日益提升，給環(huán)境和能源造成巨大的壓力[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要組成部分，其技術(shù)水平也得到了長足發(fā)展。

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的散熱方式分為水冷散熱和風(fēng)冷散熱。水冷散熱器主要應(yīng)用于船用發(fā)動(dòng)機(jī)，利用船航行中的海水或者河水冷卻散熱器，將水冷系發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量通過散熱器間接地轉(zhuǎn)移至江河湖泊，實(shí)現(xiàn)冷卻。風(fēng)冷散熱器主要應(yīng)用于車用、發(fā)電和礦用等發(fā)動(dòng)機(jī)，利用車輛行駛過程中的迎面風(fēng)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)扇吸進(jìn)空氣冷卻散熱器，將發(fā)動(dòng)機(jī)熱量通過散熱器間接的轉(zhuǎn)移至大氣中，實(shí)現(xiàn)冷卻。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開發(fā)階段，如何通過試驗(yàn)水路模擬整車水箱壓降，充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能和可靠性成為一個(gè)亟需解決的問題。水路旁通的試驗(yàn)方法，是通過水路分流保證水泵流量，通過混水的方式保證水溫穩(wěn)定控制。水路旁通的試驗(yàn)方法可根據(jù)試驗(yàn)需求，靈活地模擬了各類整車水箱壓降工況，最大限度地還原發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱壓降和流量要求，充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。

1 現(xiàn)有臺(tái)架試驗(yàn)方法的優(yōu)劣分析

車用發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)冷式散熱主要依靠車輛運(yùn)行的迎面風(fēng)進(jìn)行冷卻，對臺(tái)架而言很難實(shí)現(xiàn)，因此臺(tái)架試驗(yàn)通常參照船機(jī)冷卻模式是將散熱器外部冷卻介質(zhì)由風(fēng)冷改為水冷[2-3]。但因?yàn)樗渖崞黧w積小，和整機(jī)匹配的風(fēng)冷散熱器相比存在壓差大、流量低等差異，直接借用往往會(huì)造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)水循環(huán)缺水穴蝕等問題。

試驗(yàn)室建設(shè)初期多使用體積大，換熱效率低的管式散熱器，盡量模擬整車?yán)鋮s水箱的壓降損失。管式熱交換器工作原理如圖1所示，通過將細(xì)管封裝在罐殼中，細(xì)管中冷流體流動(dòng)，罐殼中熱流體流動(dòng)，通過細(xì)管進(jìn)行熱交換。管式熱交換器熱交換可最大限度的模擬發(fā)動(dòng)機(jī)整車水箱熱交換結(jié)構(gòu)。管式熱交換優(yōu)點(diǎn)是水路壓降低，耐壓高。缺點(diǎn)是熱交換效率低，體積龐大，管路布置臃腫，溫度控制精度差等。

圖1 管式熱交換器工作原理

針對管式熱交換器的問題，試驗(yàn)臺(tái)架建設(shè)多采用板式熱交換器。板式熱交換器工作原理如圖2所示，采用多層金屬板，分割冷熱水，進(jìn)行熱交換工作。板式熱交換器相對于管式熱交換器體積小，熱交換效率高，但因?yàn)轶w積小，水路壓降損失較大。

圖2 板式熱交換器工作原理

板式熱交換器的壓降大，發(fā)動(dòng)機(jī)水路循環(huán)不暢的問題，會(huì)造成水泵缺水。水泵在缺水的工況下，易發(fā)生氣蝕，氣蝕不僅會(huì)導(dǎo)致水泵性能下降，同時(shí)也會(huì)造成水泵結(jié)構(gòu)的破壞[4-6]。板熱交換效率較高，放大體積，降低管路壓降損失，會(huì)造成水溫控制精度無法滿足試驗(yàn)要求的問題。

針對熱交換器串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)水路會(huì)造成供水不足的問題，常見的解決方式是在發(fā)動(dòng)機(jī)大循環(huán)水路中串聯(lián)變頻水泵（如圖3所示），變頻水泵根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需求，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，彌補(bǔ)管路壓降損失，保證發(fā)動(dòng)機(jī)水泵前進(jìn)水壓力滿足試驗(yàn)需求。串聯(lián)水泵的方案的優(yōu)點(diǎn)是可有效地利用水泵功率克服管路壓降損失，確保發(fā)動(dòng)機(jī)水冷循環(huán)水量充足，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)槿彼葐栴}出現(xiàn)溫度冷卻異常和水泵穴蝕等故障。串聯(lián)水泵的方案應(yīng)用于成熟產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中可以滿足試驗(yàn)需求，但實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)多為非成熟產(chǎn)品，水泵狀態(tài)不確定因素比較多，試驗(yàn)過程中，因?yàn)橥庵盟幂o助供水，分擔(dān)了發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的工作壓力和工況變化引起的負(fù)荷考核，失去了考核水泵的意義。未經(jīng)充分考核的水泵流入市場，會(huì)破壞摩擦副正常的潤滑和承載能力，加速機(jī)油氧化變質(zhì)，壓力降低，易造成拉缸、燒軸瓦等故障[6-7]。

圖3 水泵加壓水冷系統(tǒng)原理圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)水路旁通控制

針對水路試驗(yàn)室考核的嚴(yán)苛條件，試驗(yàn)室通過實(shí)踐驗(yàn)證探索出了水路旁通控制模式。控制控制模式具體方案如圖4所示，發(fā)動(dòng)機(jī)與板式熱交換器串聯(lián)，在水路中并聯(lián)一路可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流量的比例截止閥。當(dāng)比例閥全部關(guān)閉，冷卻介質(zhì)全部經(jīng)過板式熱交換器冷卻后，再流回發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部。板式熱交換器相比整車水箱外循環(huán)壓降較大，模擬水路壓降。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水路旁通比例閥全部打開，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)大部分通過旁通比例閥直接發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水路壓降趨近于0，水流量為發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的的最大值。水路旁通式控制是通過調(diào)整比例閥開度，分配經(jīng)過板式熱交換器和比例閥的水流量。通過分配流量，將發(fā)動(dòng)機(jī)出水口和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口之間的壓降損失調(diào)整至發(fā)動(dòng)機(jī)水箱相同，最大限度地模擬整車水箱狀態(tài)，充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。

圖4 旁通式冷卻系統(tǒng)工作原理圖

本試驗(yàn)冷卻方法，通過改變冷卻介質(zhì)分配流量模擬整車水箱壓降。因?yàn)樗髁康姆峙洌徊糠炙枰ㄟ^熱交換器進(jìn)行低溫冷卻，一部分水不經(jīng)過冷卻直接返回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口。同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，相同工況散發(fā)的熱量是恒定的，為保證水溫的穩(wěn)定控制，通過板式熱交換器的一部分冷卻介質(zhì)需要進(jìn)行更多的熱量交換，得到更低溫度的熱交換介質(zhì)，最后通過混水的方式實(shí)現(xiàn)水溫的穩(wěn)定控制。本冷卻方案相對于沒有比例閥并聯(lián)的冷卻方案，冷卻部分的水需要實(shí)現(xiàn)更低的溫度控制，才能保證混合后的水溫達(dá)到目標(biāo)水溫。因此選配板式熱交換器時(shí)，一般選配偏大一點(diǎn)的熱交換器，保證冷卻水路充分冷卻。

旁通是控制方案通過將內(nèi)循環(huán)調(diào)整壓降，分配發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水量，外循環(huán)采用閉式控制的模式，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水路壓降可控，出水溫度輸出穩(wěn)定的效果。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)水路旁通效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)旁通式控制水溫效果，分別進(jìn)行了兩項(xiàng)數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證。

首先，如圖5所示，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率升至標(biāo)定點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱，確保節(jié)溫器全部打開。在發(fā)動(dòng)機(jī)工況不變的情況下，分別關(guān)閉比例閥和打開比例閥，對比水路旁通的冷卻方法和常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻方法發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度變化。通過采集發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度目標(biāo)設(shè)定為97 ℃，關(guān)閉和打開水路旁通比例閥，水溫波動(dòng)范圍在±1 ℃之內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制較穩(wěn)定，滿足開發(fā)試驗(yàn)需求。因此判斷，發(fā)動(dòng)機(jī)旁通式水溫控制方法，對發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制無較大影響，可滿足試驗(yàn)需求。

圖5 水溫控制對比

其次，發(fā)動(dòng)機(jī)在常規(guī)試驗(yàn)過程中，打開和關(guān)閉比例閥水溫控制穩(wěn)定。在發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度極限工況水溫控制是否可以保持穩(wěn)定，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。發(fā)動(dòng)機(jī)工況繼續(xù)保持為標(biāo)定點(diǎn)，比例閥打開保證水流量，通過控制水溫控設(shè)備目標(biāo)設(shè)定極限溫度，驗(yàn)證溫度控制。分別設(shè)定極限高溫和極限低溫的目標(biāo)值驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)極限溫度溫控?zé)o法控制的問題。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)循環(huán)水溫極限為100 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器完全打開溫度為85 ℃。因此分別設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為85 ℃、90 ℃和99 ℃，采集發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度數(shù)據(jù)如圖6所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度實(shí)際值相對于目標(biāo)溫度波動(dòng)為1 ℃，溫控相對穩(wěn)定，溫度控制滿足試驗(yàn)需求。所以水路旁通式控制不會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)值得不同出現(xiàn)溫度無法控制的現(xiàn)象。

圖6 不同溫度水溫控制對比

4 結(jié)束語

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開發(fā)階段，通過試驗(yàn)水路模擬整車水箱，充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能和可靠性。水路旁通的試驗(yàn)方法，既通過水路分流保證水泵流量，又通過混水的方式保證水溫穩(wěn)定控制。旁通分流量的控制可根據(jù)試驗(yàn)需求，靈活地模擬了各類整車水箱工況，最大限度地還原發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水箱壓降和流量要求，充分考核發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。通過實(shí)踐驗(yàn)證，已經(jīng)全面在試驗(yàn)室進(jìn)行推廣使用。