0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?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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)階段,如何通過(guò)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(wèn)題?水路旁通的試驗(yàn)方法,是通過(guò)水路分流保證水泵流量,通過(guò)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(duì)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?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(zhǎng)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(wèn)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(guò)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(guò)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?

針對(duì)管式熱交換器的問(wèn)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(duì)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?

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(wèn)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?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(wú)法滿足試驗(yàn)要求問(wèn)題?

針對(duì)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(wèn)題,常見(jiàn)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?wèn)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(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(guò)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(chǎng),會(huì)破壞摩擦副正常的潤(rùn)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?

2發(fā)動(dòng)機(jī)水路旁通控制

針對(duì)水路試驗(yàn)室考核的嚴(yán)苛條件,試驗(yàn)室通過(guò)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(guò)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(kāi),發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)大部分通過(guò)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(guò)調(diào)整比例閥開(kāi)度,分配經(jīng)過(guò)板式熱交換器和比例閥的水流量?通過(guò)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)?

本試驗(yàn)冷卻方法,通過(guò)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?/span>,一部分水需要通過(guò)熱交換器進(jìn)行低溫冷卻,一部分水不經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)混水的方式實(shí)現(xiàn)水溫的穩(wěn)定控制?本冷卻方案相對(duì)于沒(méi)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(guò)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(kāi)?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(kāi)比例閥,對(duì)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度控制無(wú)較大影響,可滿足試驗(yàn)需求?

其次,發(fā)動(dòng)機(jī)在常規(guī)試驗(yàn)過(guò)程中,打開(kāi)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(kāi)保證水流量,通過(guò)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(wèn)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(kāi)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(duì)于目標(biāo)溫度波動(dòng)為1℃,溫控相對(duì)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(wú)法控制的現(xiàn)象?

4結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段,通過(guò)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(guò)水路分流保證水泵流量,又通過(guò)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(guò)實(shí)踐驗(yàn)證,已經(jīng)全面在試驗(yàn)室進(jìn)行推廣使用?

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