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发动机水系统试验方法分析及改善研究

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0引言

车辆及发动机技术的迅猛发展和人们使用需求的日益提升,给环境和能源造成巨大的压力。发动机冷却系统作为发动机重要组成部分,其技术水平也得到了长足发展。

发动机散热器的散热方式分为水冷散热和风冷散热。水冷散热器主要应用于船用发动机,利用船航行中的海水或者河水冷却散热器,将水冷系发动机散发的热量通过散热器间接地转移至江河湖泊,实现冷却。风冷散热器主要应用于车用、发电和矿用等发动机,利用车辆行驶过程中的迎面风和发动机运转风扇吸进空气冷却散热器,将发动机热量通过散热器间接的转移至大气中,实现冷却。

在发动机试验开发阶段,如何通过试验水路模拟整车水箱压降,充分考核发动机冷却系统性能和可靠性成为一个亟需解决的问题。水路旁通的试验方法,是通过水路分流保证水泵流量,通过混水的方式保证水温稳定控制。水路旁通的试验方法可根据试验需求,灵活地模拟了各类整车水箱压降工况,最大限度地还原发动机冷却水箱压降和流量要求,充分考核发动机冷却系统。

1现有台架试验方法的优劣分析

车用发动机风冷式散热主要依靠车辆运行的迎面风进行冷却,对台架而言很难实现,因此台架试验通常参照船机冷却模式是将散热器外部冷却介质由风冷改为水冷。但因为水冷散热器体积小,和整机匹配的风冷散热器相比存在压差大、流量低等差异,直接借用往往会造成试验数据的不准确,长时间运行会造成发动机水循环缺水穴蚀等问题。

试验室建设初期多使用体积大,换热效率低的管式散热器,尽量模拟整车冷却水箱的压降损失。管式热交换器工作原理如图1所示,通过将细管封装在罐壳中,细管中冷流体流动,罐壳中热流体流动,通过细管进行热交换。管式热交换器热交换可最大限度的模拟发动机整车水箱热交换结构。管式热交换优点是水路压降低,耐压高。缺点是热交换效率低,体积庞大,管路布置臃肿,温度控制精度差等。

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针对管式热交换器的问题,试验台架建设多采用板式热交换器。板式热交换器工作原理如图2所示,采用多层金属板,分割冷热水,进行热交换工作。板式热交换器相对于管式热交换器体积小,热交换效率高,但因为体积小,水路压降损失较大。

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板式热交换器的压降大,发动机水路循环不畅的问题,会造成水泵缺水。水泵在缺水的工况下,易发生气蚀,气蚀不仅会导致水泵性能下降,同时也会造成水泵结构的破坏。板热交换效率较高,放大体积,降低管路压降损失,会造成水温控制精度无法满足试验要求问题。

针对热交换器串联在发动机试验水路会造成供水不足的问题,常见的解决方式是在发动机大循环水路中串联变频水泵(如图3所示),变频水泵根据发动机试验需求,实时调节转速,弥补管路压降损失,保证发动机水泵前进水压力满足试验需求。串联水泵的方案的优点是可有效地利用水泵功率克服管路压降损失,确保发动机水冷循环水量充足,避免了发动机因为缺水等问题出现温度冷却异常和水泵穴蚀等故障。串联水泵的方案应用于成熟产品的发动机试验中可以满足试验需求,但实验室发动机多为非成熟产品,水泵状态不确定因素比较多,试验过程中,因为外置水泵辅助供水,分担了发动机水泵的工作压力和工况变化引起的负荷考核,失去了考核水泵的意义。未经充分考核的水泵流入市场,会破坏摩擦副正常的润滑和承载能力,加速机油氧化变质,压力降低,易造成拉缸、烧轴瓦等故障。

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2发动机水路旁通控制

针对水路试验室考核的严苛条件,试验室通过实践验证探索出了水路旁通控制模式。控制控制模式具体方案如图4所示,发动机与板式热交换器串联,在水路中并联一路可调发动机冷却水流量的比例截止阀。当比例阀全部关闭,冷却介质全部经过板式热交换器冷却后,再流回发动机内部。板式热交换器相比整车水箱外循环压降较大,模拟水路压降。当发动机水路旁通比例阀全部打开,发动机冷却介质大部分通过旁通比例阀直接发动机进水口,发动机冷却水路压降趋近于0,水流量为发动机水泵的的最大值。水路旁通式控制是通过调整比例阀开度,分配经过板式热交换器和比例阀的水流量。通过分配流量,将发动机出水口和发动机进水口之间的压降损失调整至发动机水箱相同,最大限度地模拟整车水箱状态,充分考核发动机冷却系统。

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本试验冷却方法,通过改变冷却介质分配流量模拟整车水箱压降。因为水流量的分配,一部分水需要通过热交换器进行低温冷却,一部分水不经过冷却直接返回发动机进水口。同一台发动机,相同工况散发的热量是恒定的,为保证水温的稳定控制,通过板式热交换器的一部分冷却介质需要进行更多的热量交换,得到更低温度的热交换介质,最后通过混水的方式实现水温的稳定控制。本冷却方案相对于没有比例阀并联的冷却方案,冷却部分的水需要实现更低的温度控制,才能保证混合后的水温达到目标水温。因此选配板式热交换器时,一般选配偏大一点的热交换器,保证冷却水路充分冷却。

旁通是控制方案通过将内循环调整压降,分配发动机循环水量,外循环采用闭式控制的模式,进行发动机出水温度控制。实现发动机水路压降可控,出水温度输出稳定的效果。

3发动机水路旁通效果验证

为验证发动机旁通式控制水温效果,分别进行了两项数据采集验证。

首先,如图5所示,将发动机功率升至标定点,发动机预热,确保节温器全部打开。在发动机工况不变的情况下,分别关闭比例阀和打开比例阀,对比水路旁通的冷却方法和常规的发动机冷却方法发动机出水温度变化。通过采集发动机出水温度数据,发动机出水温度目标设定为97℃,关闭和打开水路旁通比例阀,水温波动范围在±1℃之内,发动机出水温度控制较稳定,满足开发试验需求。因此判断,发动机旁通式水温控制方法,对发动机出水温度控制无较大影响,可满足试验需求。

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其次,发动机在常规试验过程中,打开和关闭比例阀水温控制稳定。在发动机出水温度极限工况水温控制是否可以保持稳定,需要进一步验证。发动机工况继续保持为标定点,比例阀打开保证水流量,通过控制水温控设备目标设定极限温度,验证温度控制。分别设定极限高温和极限低温的目标值验证发动机出水温度控制稳定性,避免出现极限温度温控无法控制的问题。发动机内循环水温极限为100℃,发动机节温器完全打开温度为85℃。因此分别设定发动机出水温度为85℃90℃99℃,采集发动机出水温度数据如图6所示,当发动机出水温度实际值相对于目标温度波动为1℃,温控相对稳定,温度控制满足试验需求。所以水路旁通式控制不会因为目标值得不同出现温度无法控制的现象。

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4结束语

在发动机试验开发阶段,通过试验水路模拟整车水箱,充分考核发动机冷却系统性能和可靠性。水路旁通的试验方法,既通过水路分流保证水泵流量,又通过混水的方式保证水温稳定控制。旁通分流量的控制可根据试验需求,灵活地模拟了各类整车水箱工况,最大限度地还原发动机冷却水箱压降和流量要求,充分考核发动机冷却系统。通过实践验证,已经全面在试验室进行推广使用。

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