0引言

車輛及發(fā)動機技術(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?發(fā)動機冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動機重要組成部分,其技術(shù)水平也得到了長足發(fā)展?

發(fā)動機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)動機,利用船航行中的海水或者河水冷卻散熱器,將水冷系發(fā)動機散發(fā)的熱量通過散熱器間接地轉(zhuǎn)移至江河湖泊,實現(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)動機,利用車輛行駛過程中的迎面風(fēng)和發(fā)動機運轉(zhuǎn)風(fēng)扇吸進空氣冷卻散熱器,將發(fā)動機熱量通過散熱器間接的轉(zhuǎn)移至大氣中,實現(xiàn)冷卻?

在發(fā)動機試驗開發(fā)階段,如何通過試驗水路模擬整車水箱壓降,充分考核發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能和可靠性成為一個亟需解決的問題?水路旁通的試驗方法,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?水路旁通的試驗方法可根據(jù)試驗需求,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)動機冷卻水箱壓降和流量要求,充分考核發(fā)動機冷卻系統(tǒng)?

1現(xiàn)有臺架試驗方法的優(yōu)劣分析

車用發(fā)動機風(fēng)冷式散熱主要依靠車輛運行的迎面風(fēng)進行冷卻,對臺架而言很難實現(xiàn),因此臺架試驗通常參照船機冷卻模式是將散熱器外部冷卻介質(zhì)由風(fēng)冷改為水冷?但因為水冷散熱器體積小,和整機匹配的風(fēng)冷散熱器相比存在壓差大?流量低等差異,直接借用往往會造成試驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確,長時間運行會造成發(fā)動機水循環(huán)缺水穴蝕等問題?

試驗室建設(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,通過將細管封裝在罐殼中,細管中冷流體流動,罐殼中熱流體流動,通過細管進行熱交換?管式熱交換器熱交換可最大限度的模擬發(fā)動機整車水箱熱交換結(jié)構(gòu)?管式熱交換優(yōu)點是水路壓降低,耐壓高?缺點是熱交換效率低,體積龐大,管路布置臃腫,溫度控制精度差等?

針對管式熱交換器的問題,試驗臺架建設(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,但因為體積小,水路壓降損失較大?

板式熱交換器的壓降大,發(fā)動機水路循環(huán)不暢的問題,會造成水泵缺水?水泵在缺水的工況下,易發(fā)生氣蝕,氣蝕不僅會導(dǎo)致水泵性能下降,同時也會造成水泵結(jié)構(gòu)的破壞?板熱交換效率較高,放大體積,降低管路壓降損失,會造成水溫控制精度無法滿足試驗要求問題?

針對熱交換器串聯(lián)在發(fā)動機試驗水路會造成供水不足的問題,常見的解決方式是在發(fā)動機大循環(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)動機試驗需求,實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,彌補管路壓降損失,保證發(fā)動機水泵前進水壓力滿足試驗需求?串聯(lián)水泵的方案的優(yōu)點是可有效地利用水泵功率克服管路壓降損失,確保發(fā)動機水冷循環(huán)水量充足,避免了發(fā)動機因為缺水等問題出現(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)動機試驗中可以滿足試驗需求,但實驗室發(fā)動機多為非成熟產(chǎn)品,水泵狀態(tài)不確定因素比較多,試驗過程中,因為外置水泵輔助供水,分擔(dān)了發(fā)動機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,會破壞摩擦副正常的潤滑和承載能力,加速機油氧化變質(zhì),壓力降低,易造成拉缸?燒軸瓦等故障?

2發(fā)動機水路旁通控制

針對水路試驗室考核的嚴(yán)苛條件,試驗室通過實踐驗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)動機與板式熱交換器串聯(lián),在水路中并聯(lián)一路可調(diào)發(fā)動機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)動機內(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)動機水路旁通比例閥全部打開,發(fā)動機冷卻介質(zhì)大部分通過旁通比例閥直接發(fā)動機進水口,發(fā)動機冷卻水路壓降趨近于0,水流量為發(fā)動機水泵的的最大值?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)動機出水口和發(fā)動機進水口之間的壓降損失調(diào)整至發(fā)動機水箱相同,最大限度地模擬整車水箱狀態(tài),充分考核發(fā)動機冷卻系統(tǒng)?

本試驗冷卻方法,通過改變冷卻介質(zhì)分配流量模擬整車水箱壓降?因為水流量的分配,一部分水需要通過熱交換器進行低溫冷卻,一部分水不經(jīng)過冷卻直接返回發(fā)動機進水口?同一臺發(fā)動機,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現(xiàn)更低的溫度控制,才能保證混合后的水溫達到目標(biāo)水溫?因此選配板式熱交換器時,一般選配偏大一點的熱交換器,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)動機循環(huán)水量,外循環(huán)采用閉式控制的模式,進行發(fā)動機出水溫度控制?實現(xiàn)發(fā)動機水路壓降可控,出水溫度輸出穩(wěn)定的效果?

3發(fā)動機水路旁通效果驗證

為驗證發(fā)動機旁通式控制水溫效果,分別進行了兩項數(shù)據(jù)采集驗證?

首先,如圖5所示,將發(fā)動機功率升至標(biāo)定點,發(fā)動機預(yù)熱,確保節(jié)溫器全部打開?在發(fā)動機工況不變的情況下,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)動機冷卻方法發(fā)動機出水溫度變化?通過采集發(fā)動機出水溫度數(shù)據(jù),發(fā)動機出水溫度目標(biāo)設(shè)定為97℃,關(guān)閉和打開水路旁通比例閥,水溫波動范圍在±1℃之內(nèi),發(fā)動機出水溫度控制較穩(wěn)定,滿足開發(fā)試驗需求?因此判斷,發(fā)動機旁通式水溫控制方法,對發(fā)動機出水溫度控制無較大影響,可滿足試驗需求?

其次,發(fā)動機在常規(guī)試驗過程中,打開和關(guān)閉比例閥水溫控制穩(wěn)定?在發(fā)動機出水溫度極限工況水溫控制是否可以保持穩(wěn)定,需要進一步驗證?發(fā)動機工況繼續(xù)保持為標(biāo)定點,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)值驗證發(fā)動機出水溫度控制穩(wěn)定性,避免出現(xiàn)極限溫度溫控?zé)o法控制的問題?發(fā)動機內(nèi)循環(huán)水溫極限為100℃,發(fā)動機節(jié)溫器完全打開溫度為85℃?因此分別設(shè)定發(fā)動機出水溫度為85℃?90℃和99℃,采集發(fā)動機出水溫度數(shù)據(jù)如圖6所示,當(dāng)發(fā)動機出水溫度實際值相對于目標(biāo)溫度波動為1℃,溫控相對穩(wěn)定,溫度控制滿足試驗需求?所以水路旁通式控制不會因為目標(biāo)值得不同出現(xiàn)溫度無法控制的現(xiàn)象?

4結(jié)束語

在發(fā)動機試驗開發(fā)階段,通過試驗水路模擬整車水箱,充分考核發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能和可靠性?水路旁通的試驗方法,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)動機冷卻水箱壓降和流量要求,充分考核發(fā)動機冷卻系統(tǒng)?通過實踐驗證,已經(jīng)全面在試驗室進行推廣使用?

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