羅富勝　鄒仕臣

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)冷水機(jī)組臺(tái)架[1]主要用于進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)深度冷熱沖擊試驗(yàn)，因能耗高、冷卻能力有限導(dǎo)致效率低下一直是行業(yè)痛點(diǎn)。文對(duì)內(nèi)燃機(jī)典型深度冷熱沖擊試驗(yàn)工況及試驗(yàn)過(guò)程中存在的發(fā)動(dòng)機(jī)冷浸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)設(shè)備進(jìn)行微小改進(jìn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)效率有顯著提升。

關(guān)鍵詞：臺(tái)架 深度冷熱沖擊試驗(yàn) 試驗(yàn)工況 冷浸時(shí)間 試驗(yàn)驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的最主要手段，主要包括高周疲勞試驗(yàn)、深度冷熱沖擊試驗(yàn)[2]和模擬顧客道路使用循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖窃诶鋬鍪褂铆h(huán)境下考核發(fā)動(dòng)機(jī)的冷熱交替條件下產(chǎn)生的低周疲勞，重點(diǎn)考核發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、氣缸墊及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的密封系統(tǒng)（潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)）在以上條件產(chǎn)生的交變應(yīng)力可能產(chǎn)生的失效[2-4]。臺(tái)架借助冷水機(jī)組對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷凍，見(jiàn)圖1。冷水機(jī)組依靠消耗以電能為主的其它形式的能量進(jìn)行制冷，發(fā)動(dòng)機(jī)需要冷凍到試驗(yàn)要求的溫度進(jìn)行試驗(yàn)，消耗盡可能少的能量使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快冷凍到目標(biāo)溫度是努力的方向。

2 典型試驗(yàn)工況

該試驗(yàn)包含冷凍階段、冷啟動(dòng)運(yùn)行至最大扭矩點(diǎn)、功率點(diǎn)和熱浸4個(gè)階段。工況如圖2。

冷凍階段：發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，將冷卻管路回路切換到冷水機(jī)組設(shè)備回路。使用外部冷卻液泵，用規(guī)定溫度的冷卻液沖洗發(fā)動(dòng)機(jī)。冷卻系統(tǒng)壓力可能在0轉(zhuǎn)/分鐘（rpm）期間下降。打開(kāi)外部油冷卻器。油底殼溫度應(yīng)達(dá)到要求溫度-25℃±5℃（-13°F±9°F）。浸泡15分鐘左右，以發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到目標(biāo)冷凍溫度為準(zhǔn)。記錄冷卻液溫度、油底殼機(jī)油溫度等數(shù)據(jù)。

冷啟動(dòng)運(yùn)行至最大扭矩點(diǎn)：繼續(xù)制冷回路。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行至最大扭矩轉(zhuǎn)速和滿負(fù)荷。按此速度運(yùn)行1分鐘記錄數(shù)據(jù)，切換到旁路回路40秒（大約）進(jìn)入這個(gè)工況。

功率點(diǎn)：30秒（大約）過(guò)渡工況，發(fā)動(dòng)機(jī)從最大扭矩切換到最大功率轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，直到冷卻液溫度達(dá)到基礎(chǔ)冷卻塔回路的溫度，然后切換到基礎(chǔ)冷卻塔回路。在滿負(fù)荷最大功率下繼續(xù)運(yùn)行，直到冷卻液溫度達(dá)到110℃（230°F）的目標(biāo)溫度（該溫度僅供參考，以產(chǎn)品最高設(shè)計(jì)溫度為準(zhǔn)），不超過(guò)10分鐘。然后保持負(fù)載和速度3分鐘，當(dāng)冷卻劑溫度穩(wěn)定在110±2℃（230±4°F）。油溫應(yīng)穩(wěn)定在132±3℃（270±5°F）。記錄數(shù)據(jù)。

熱浸階段：測(cè)試循環(huán)完畢后，應(yīng)立即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)和試驗(yàn)室臺(tái)架風(fēng)扇。讓發(fā)動(dòng)機(jī)在沒(méi)有冷卻液流動(dòng)的情況下浸泡6分鐘。按程序記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)工況如表1。

通過(guò)試驗(yàn)工況[5]的分析，不難發(fā)現(xiàn)，該試驗(yàn)有1/3的時(shí)間是在冷凍，如何降低冷水機(jī)組能耗、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)冷凍時(shí)間成為提高試驗(yàn)效率，縮短試驗(yàn)開(kāi)發(fā)周期的關(guān)鍵。

3 冷水機(jī)組臺(tái)架設(shè)備及存在問(wèn)題

冷凍階段發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)冷浸時(shí)，水泵1和水泵4開(kāi)啟、電磁閥2和電磁閥5開(kāi)啟，超低溫罐里的防凍液進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)冷浸;發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后電磁閥2關(guān)閉、電磁閥1和水泵1開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、怠速、扭矩點(diǎn)并運(yùn)行至功率點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口和進(jìn)水口短接，借助發(fā)動(dòng)機(jī)自身熱量暖機(jī)至最高設(shè)計(jì)溫度;熱沖擊及熱浸時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在功率點(diǎn)，水泵3和水泵1開(kāi)啟、電磁閥2和電磁閥4開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)和熱罐相連接，此時(shí)穩(wěn)定在最高設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行。此外當(dāng)完成一個(gè)循環(huán)進(jìn)入到下一個(gè)耐久循環(huán)時(shí)需要熱沖擊切換冷浸控制進(jìn)出水罐由熱罐切換到超低溫溫罐，關(guān)閉電磁閥4，并同時(shí)開(kāi)啟電磁閥5。臺(tái)架冷水機(jī)組設(shè)備管路連接如圖3。

通過(guò)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及臺(tái)架設(shè)備管路連接情況發(fā)現(xiàn)熱沖擊切換冷浸工況會(huì)使得電磁閥和發(fā)動(dòng)機(jī)間管路內(nèi)以及發(fā)動(dòng)機(jī)水套里的大量高溫防凍液進(jìn)入到超低溫罐，由于超低溫罐的容積較小、冷水機(jī)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(zhǎng)時(shí)間才能再次冷卻下來(lái)，同時(shí)冷水機(jī)組由于一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，經(jīng)常出現(xiàn)冷水機(jī)組故障維修導(dǎo)致試驗(yàn)中斷。

4 改進(jìn)方案

常溫防凍液通過(guò)環(huán)境溫或者自來(lái)水度進(jìn)行熱交換即可獲得，不需要加熱絲加熱，也不需要冷水機(jī)組冷卻，成本低廉。熱沖擊工況完成進(jìn)入冷浸工況時(shí)，先用常溫罐里的冷卻液將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻至接近常溫，帶走大部分熱量，再用超低溫罐進(jìn)行冷卻，大大提高超低溫罐里防凍液的冷卻效率，節(jié)省了冷浸時(shí)間。此外，研究發(fā)現(xiàn)防凍液從電磁閥4出來(lái)經(jīng)過(guò)水泵1、流量計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)等再回到電磁閥5需要15s左右。由熱罐切換到常溫罐時(shí)，先關(guān)閉電磁閥4，打開(kāi)電磁閥7，過(guò)15s再關(guān)閉電磁閥5，管道和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的高溫防凍液能大部分回到熱罐。當(dāng)冷卻液溫度接近常溫時(shí)，在切換到超低溫罐進(jìn)行冷浸。設(shè)備改進(jìn)臺(tái)架冷水機(jī)組設(shè)備管路連接如圖4。

5 改進(jìn)效果驗(yàn)證

通過(guò)臺(tái)架傳感器（熱電偶溫度傳感器）通道采集記錄發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系并繪制圖表。通過(guò)圖表分析發(fā)現(xiàn)在其它條件（發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型、冷卻液管路長(zhǎng)度及管徑、冷水機(jī)組加熱絲狀態(tài)等）相同的情況下，架數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)改造后每個(gè)循環(huán)的冷凍至目標(biāo)溫度所需時(shí)間可以節(jié)省約850秒，如圖5。效果顯著。

冷凍時(shí)間的縮短節(jié)省了冷水機(jī)組的制冷量，冷水機(jī)組“負(fù)擔(dān)”減輕后不易出故障，臺(tái)架設(shè)備能持續(xù)工作、試驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行;同時(shí)還縮短了每個(gè)循環(huán)冷浸階段的時(shí)間，使整個(gè)耐久時(shí)間縮短，提高了試驗(yàn)開(kāi)發(fā)效率，降低試驗(yàn)成本。

參考文獻(xiàn)：

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