增壓發(fā)動機熱試臺冷卻循環(huán)改造與性能驗證

王鵬 周圍 孫宇 王靜

摘 要：文章針對布置在增壓發(fā)動機節(jié)氣門前的中冷器機型介紹了一種熱試臺水循環(huán)改造方法，完成了中冷器的冷卻循環(huán)系統(tǒng)在原有熱試臺冷卻循環(huán)系統(tǒng)上的集成，以及發(fā)動機在冷卻水加注、循環(huán)和排出時的控制策略，改造方法滿足了發(fā)動機冷卻水和進氣中冷器冷卻水的同步循環(huán)功能。最終通過發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)樣機在熱試臺上運行的性能驗證，確定了臺架水循環(huán)改造的有效性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機熱試臺;中冷器;增壓發(fā)動機;冷卻循環(huán)系統(tǒng)

中圖分類號：U464 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-119-03

Abstract： This article introduces a method of hot test bench cooling water circulation modification for the turbo-charged engine intercooler. Typically， the engine intercooler placed in front of the throttle. It completed the integration of the intercooler cooling circulation system on the original hot test bench cooling circulation， and the control strategy of cooling water filling， circulation and discharge. The modification method meets the synchronous circulation function of engine cooling water and charged-air intercooler cooling water. Finally， the effectiveness of water circulation modification is confirmed through the performance verification test of the standard sample engine on the hot test bench.

Keywords： Engine hot test bench; Intercooler; Charged-air engine; Cooling circulation system

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-119-03

引言

發(fā)動機的臺架試驗是檢測發(fā)動機性能指標(biāo)及可靠性的重要環(huán)節(jié)[1]。而發(fā)動機臺架冷卻系統(tǒng)是保證發(fā)動機正常工作的重要組成部分[2]。對于發(fā)動機熱測試驗臺架，增壓發(fā)動機的冷卻主要包括，發(fā)動機自身冷卻和經(jīng)過渦輪增壓后的進氣空氣冷卻。而隨著發(fā)動機進氣中冷器的不斷發(fā)展，也在逐步由布置在整車前端的風(fēng)冷進氣中冷器發(fā)展到直接裝配在發(fā)動機節(jié)氣門前的水冷式進氣中冷器。面對產(chǎn)品的發(fā)展變更，本文在已有發(fā)動機熱臺架冷卻系統(tǒng)基礎(chǔ)上，集成了進氣中冷器的冷卻循環(huán)管路系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩個循環(huán)同步運行，有效的保障了發(fā)動機性能測試，為今后發(fā)動機試驗臺架冷卻循環(huán)相關(guān)的問題提供一種思路和解決方法。

1 發(fā)動機的水循環(huán)系統(tǒng)要求

解決熱試臺架中冷循環(huán)問題，先分析發(fā)動機的水循環(huán)系統(tǒng)要求，然后進行熱試臺架的水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計，最后進行試驗驗證。

1.1 發(fā)動機中冷器的冷卻要求

增壓發(fā)動機的冷卻主要是發(fā)動機自身冷卻和增壓空氣的冷卻需求。試驗臺架的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)動機在整車上的冷卻系統(tǒng)作為參考。如圖1，增壓發(fā)動機在整車中的中冷循環(huán)。

因為測試臺架可以方便的提供水冷介質(zhì)，所以熱試臺架使用水冷換熱器替代風(fēng)冷換熱器。為了保證熱試的測試節(jié)拍，減少暖機時間，發(fā)動機冷卻水預(yù)熱在55度。而增壓空氣要求將進氣溫度冷卻到26度左右，為了實現(xiàn)冷卻水加注過程的同步運行，所以需要通過低溫介質(zhì)冷凍水進行換熱。

綜上分析，可以擬定增壓空氣中冷器水循環(huán)和發(fā)動機水循環(huán)需要同時加注冷卻液，但之后發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中需要不同的換熱器冷卻并將兩個封閉的循環(huán)冷卻到要求的溫度。

1.2 發(fā)動機水循環(huán)的接口連接方案

圖2所示，根據(jù)發(fā)動機上的8個水路接口的作用和流向，本文設(shè)計了發(fā)動機與試驗臺架冷卻水循環(huán)的連接方案。發(fā)動機端的連接接口可以在整車找到相應(yīng)接頭，配合耐壓耐溫膠管和快捷接頭，將發(fā)動機全部水循環(huán)接口連接到試驗臺接口，從而實現(xiàn)了發(fā)動機冷卻循環(huán)和試驗臺架冷卻循環(huán)的對接。

2 熱試臺架端的水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 熱試臺架端管路設(shè)計

利用已有的布置在試驗臺架介質(zhì)供給層的發(fā)動機冷卻水水箱和布置在測試臺架負(fù)一層的發(fā)動機冷卻水箱，在測試臺架內(nèi)部設(shè)計如圖3所示管路系統(tǒng)。發(fā)動機在加注冷卻水時，由頂端的發(fā)動機冷卻水箱水泵1，將冷卻液加注到測試臺架內(nèi)部的發(fā)動機中冷器與試驗臺中冷器之間的循環(huán)系統(tǒng)中。其中的膨脹水箱起到了保壓和加注過程的排氣放空及發(fā)動機運行過程中的補液作用。發(fā)動機在運行時，試驗臺換熱器1和發(fā)動機中冷器之間的循環(huán)封閉，并且由試驗臺提供12度的低溫冷凍水對此循環(huán)冷卻。同時，在低溫冷凍水供給管路中設(shè)置開度閥11來實現(xiàn)對循環(huán)溫度的控制。在發(fā)動機排出冷卻液時，通過膨脹水箱1的壓縮空氣將原本封閉的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液排出到測試臺負(fù)一層冷卻水水箱。當(dāng)負(fù)一層冷卻水到達水箱高液位時，負(fù)一層冷卻水水泵2會將發(fā)動機冷卻液泵回到介質(zhì)供給層的發(fā)動機冷卻水水箱。以此，實現(xiàn)了熱測試臺架上的進氣中冷器水循環(huán)過程。

2.2 熱試臺架端水循環(huán)控制策略

熱試臺架水循環(huán)的控制策略要求在發(fā)動機加注、運行、排出冷卻水的同時完成進氣中冷器水循環(huán)的相同過程，既兩個循環(huán)系統(tǒng)需要共同加注，封閉獨立循環(huán)，同時排出冷卻水。結(jié)合圖4 所示，熱試臺架發(fā)動機冷卻循環(huán)管路，本文設(shè)計了如下控制策略。

所有閥門為常閉閥門，當(dāng)冷卻水加注時，泵1啟動，圖3中冷循環(huán)中的閥4，5，6，7，9打開，膨脹水箱1為封閉狀態(tài);圖4發(fā)動機冷卻循環(huán)中的閥18，20，21打開，開度閥16開度50%，膨脹水箱2為封閉狀態(tài)。目的是，將兩個循環(huán)中充滿發(fā)動機冷卻水。之后，圖3中冷循環(huán)中的閥4，5，6，7，打開，閥9關(guān)閉，膨脹水箱1為防空狀態(tài);圖4發(fā)動機冷卻循環(huán)中的閥18，20打開，閥21關(guān)閉，開度閥16開度50%，膨脹水箱2為放空狀態(tài)。目的是，將兩個循環(huán)內(nèi)的氣體從處在高點的膨脹水箱全部排出。當(dāng)冷卻水水位到達膨脹水箱設(shè)計的液位傳感器處時，中冷循環(huán)中的閥6，7打開，膨脹水箱1上壓縮空氣加壓到0.5bar;發(fā)動機冷卻循環(huán)中閥18，19打開，開度閥16開度50%，膨脹水箱2上壓縮空氣加壓到0.5bar。至此，加注過程完成。發(fā)動機在測試過程中，兩循環(huán)獨立運行，中冷循環(huán)通過圖3中的開度閥11控制中冷后進氣溫度;發(fā)動機冷卻循環(huán)通過圖4中的開度閥16控制發(fā)動機水溫。在測試完成后，通過膨脹水箱上接通持續(xù)的壓縮空氣吹掃，將冷卻水同步排出到負(fù)一層冷卻水水箱。

3 熱試臺架改造性能驗證

本文在完成熱測試試驗臺架水循環(huán)改造的基礎(chǔ)上對此改造進行了發(fā)動機性能驗證試驗。如圖5，6，7，本文將某款增壓發(fā)動機作為標(biāo)準(zhǔn)樣機在完成水循環(huán)改造的臺架上運行，通過得到的發(fā)動機性能曲線和該發(fā)動機標(biāo)準(zhǔn)性能限值對比，可以判斷本次水循環(huán)改造是否滿足測試需求。從圖中可以看出，該發(fā)動機功率在4000r/m至6000r/m可達到155KW，扭矩在2000r/m至4000r/m可以到達350Nm，中冷器后進氣溫度基本在26度附近。故本文對試驗臺架的水循環(huán)改造滿足發(fā)動機測試需求。

參考文獻

[1] 廖明明，林偉鍵.發(fā)動機臺架試驗淺析[J].裝備制造技術(shù)，2010（4）： 167-169.

[2] 蔣受寶，蔣紹堅，曾紅武.發(fā)動機臺架試驗冷卻系統(tǒng)的設(shè)計[J].小型內(nèi)燃機與摩托車2007，36，（3）：45-47.