發(fā)動機熱試臺架冷卻系統(tǒng)自動控制優(yōu)化設(shè)計

王鋒　殷凡松　馬吉旺　張信鵬

摘要：為滿足發(fā)動機出廠試驗和磨合過程中不同工況冷卻循環(huán)系統(tǒng)壓力及流量要求，采用變頻調(diào)速技術(shù)對發(fā)動機熱試臺架冷卻循環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化，增加直流隔離器提高試車臺架供水壓力的可觀察性及信號的穩(wěn)定性，優(yōu)化控制程序，控制測試臺架冷卻系統(tǒng)的供水壓力及流量，并進行臺架調(diào)試驗證。結(jié)果表明：優(yōu)化后的發(fā)動機熱試臺架冷卻系統(tǒng)可以實現(xiàn)臺架冷卻循環(huán)系統(tǒng)供水壓力及流量的自動調(diào)節(jié)，控制供水壓力和流量隨發(fā)動機工況變化及時響應(yīng)并穩(wěn)定在目標范圍內(nèi)，保證發(fā)動機測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

關(guān)鍵詞：熱試臺架；自動控制；變頻調(diào)節(jié)；壓力；流量

中圖分類號：TK426文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0049-07

引用格式：王鋒，殷凡松，馬吉旺，等.發(fā)動機熱試臺架冷卻系統(tǒng)自動控制優(yōu)化設(shè)計［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（5）：49-55.

WANG Feng， YIN Fansong， MA Jiwang， et al. Optimization design of automatic control for cooling system of engine hot test bench［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：49-55.

0 引言

發(fā)動機裝配完畢后，為檢驗其性能是否滿足用戶使用要求，需進行出廠性能測試。發(fā)動機在熱試臺架上進行出廠磨合性能試驗過程中需拆除冷卻風(fēng)扇[1]，由于試驗工況多、試驗時間長，在高速大負荷工況下長時間運行時，發(fā)動機冷卻水溫度和機油溫度不斷升高，長期高溫運行導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)拉缸、燒瓦、抱軸等故障。目前主要通過在測試臺架外接供水冷卻循環(huán)管路，與發(fā)動機水泵、機油冷卻器、節(jié)溫器等共同組成冷卻循環(huán)系統(tǒng)，提升發(fā)動機冷卻效果[2-3]。但如果冷卻過度，發(fā)動機輸出和燃燒較差，導(dǎo)致氣缸產(chǎn)生低溫摩擦，因此，必須保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作[4]。

某發(fā)動機熱試臺架的冷卻循環(huán)系統(tǒng)在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)外接冷卻循環(huán)管路供水壓力不穩(wěn)定現(xiàn)象，無法滿足發(fā)動機冷卻需求，供水壓力過小易導(dǎo)致發(fā)動機冷卻能力不足出現(xiàn)高溫報警，供水壓力過大易造成管路崩開、水泵損壞等故障[5]。

本文中以此重型發(fā)動機測試臺架冷卻系統(tǒng)為研究對象，分析供水壓力不穩(wěn)定原因，并提出改進優(yōu)化措施，以滿足發(fā)動機出廠測試過程中冷卻需求。

1 冷卻系統(tǒng)故障現(xiàn)象及原因分析

1.1 存在的問題

某發(fā)動機熱試臺架外接冷卻循環(huán)系統(tǒng)，因現(xiàn)場需求布置在單獨的設(shè)備間，同時外接管路中安裝氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、提籃式過濾器、換熱板等裝置以滿足系統(tǒng)過濾、冷卻需求，但管路中增加以上裝置后，冷卻系統(tǒng)循環(huán)阻力增大，當冷卻液到達發(fā)動機進水端時無法滿足自帶水泵進水流量及壓力需求，需通過輔助水泵提高管路循環(huán)壓力，保證發(fā)動機出水溫度穩(wěn)定在工作要求范圍內(nèi)。設(shè)備間的冷卻管路循環(huán)布置如圖1所示。

因外接循環(huán)管路較長，沿程壓力損失大，系統(tǒng)采用定頻增壓泵和變頻增壓泵二級增壓方式提高循環(huán)系統(tǒng)壓力，定頻增壓泵滿足發(fā)動機起動后基本供水要求，當發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速后，若定頻增壓水泵在全負荷狀態(tài)下無法滿足發(fā)動機的進水需求，造成系統(tǒng)進水壓力突降，此時應(yīng)開啟變頻增加泵，并調(diào)節(jié)增壓泵頻率以滿足不同轉(zhuǎn)速工況下的冷卻液供給需求。

當前冷卻循環(huán)系統(tǒng)采用手動調(diào)節(jié)方式，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化時，通過調(diào)整試車臺架旋鈕調(diào)節(jié)變頻增壓泵轉(zhuǎn)速，以滿足發(fā)動機出水溫度為（90±2）℃的冷卻需求。該調(diào)節(jié)方式的調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間約為2 min，無法及時響應(yīng)并使供水壓力穩(wěn)定在技術(shù)要求范圍之內(nèi)，嚴重制約了生產(chǎn)效率。供水壓力不足易導(dǎo)致管路吸癟，無法滿足發(fā)動機冷卻需求，從而導(dǎo)致發(fā)動機高溫“開鍋”、水泵早期磨損等故障；供水壓力過大，易導(dǎo)致冷卻循環(huán)系統(tǒng)部件損壞、防凍液噴濺等故障。

1.2 冷卻系統(tǒng)水流量計算

發(fā)動機運行過程中，冷卻系統(tǒng)的總散熱量Φ主要由兩部分組成：一部分為燃料燃燒所釋放熱量的15%～20%，記為Φ1；一部分為傳動裝置運行時所產(chǎn)生的熱量Φ2，約占冷卻系統(tǒng)散熱總量的20%～25%[6]。

Φ1可以通過經(jīng)驗公式進行估算：

（1）

式中：

{Φ1}為以kJ為單位的Φ1的數(shù)值，a0為發(fā)動機傳遞給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料總熱量的百分比，{be}為以kg/（kW·h）為單位的發(fā)動機燃料消耗率be的數(shù)值，{Pe}為以kW為單位的發(fā)動機有效功率Pe的數(shù)值，{hu}為以kJ/kg為單位的燃料低熱值hu的數(shù)值。

利用熱平衡求發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)中水的體積流量的公式為：

（2）

式中：{Φ}為以KJ為單位的Φ的數(shù)值，{qV}為以kg/m3為單位的冷卻循環(huán)系統(tǒng)中水的體積流量qV的數(shù)值，{Δ（tw）}為以℃為單位的冷卻液在冷卻循環(huán)系統(tǒng)中溫度升高Δ（tw）的數(shù)值；{ρw}為以kg/m3為單位的冷卻液密度ρw的數(shù)值，{cp，w}為以J/（kg·℃）為單位的冷卻液定壓比熱容cp，w的數(shù)值。

熱試臺架冷卻循環(huán)系統(tǒng)采用無背壓系統(tǒng)，流體通過水泵的能量增量全部用于克服管路阻力，其管路特性曲線方程為：

式中：{qV，p}為以m3/h為單位的水泵內(nèi)水的體積流量qV，p的數(shù)值，{H}為以m為單位的揚程H的數(shù)值，S為阻力因數(shù)。

無背壓系統(tǒng)的管路特性曲線與水泵的相似工況線重合，水泵轉(zhuǎn)速改變前、后的兩種工況是相似工況，工況參數(shù)符合如下相似定律[7]：

式中：{n1}、{n2}分別為以r/min為單位的水泵轉(zhuǎn)速改變前后的發(fā)動機轉(zhuǎn)速n1、n2的數(shù)值，{H1}、{H2}分別為以m為單位的水泵轉(zhuǎn)速改變前、后的水的揚程H1、H2的數(shù)值，{P1}、{P2}分別為以kW為單位的水泵轉(zhuǎn)速改變前、后軸功率P1、P2的數(shù)值。

該冷卻系統(tǒng)隨所需流量改變，轉(zhuǎn)速應(yīng)與流量同比例改變，功率與轉(zhuǎn)速的3次方成比例改變，從能量消耗的角度衡量最為經(jīng)濟，機械效率高。

發(fā)動機所匹配水泵的最大體積流量為700 L/min，最大體積流量下的水泵轉(zhuǎn)速為3 480 r/min，對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，轉(zhuǎn)速比為1.83。計算不同工況轉(zhuǎn)速下所需水體積流量，如表1所示。

水泵轉(zhuǎn)速流量特性曲線如圖2所示，圖中曲線1、2、3分別表示轉(zhuǎn)速為n1、n2、n3的流量特性，且n1>n2>n3， 曲線B為管路特性曲線，表示管道阻力損失隨流量的增加呈拋物線增加。由圖2可知：在一定的管路特性B的情況下，轉(zhuǎn)速減小，工作點由C1移向C2或C3，流量也相應(yīng)的由qV，1減少到qV，2或qV，3[8]。

改變水泵轉(zhuǎn)速，水泵的流量特性隨之改變，壓力及流量呈現(xiàn)一定的對應(yīng)關(guān)系，本系統(tǒng)通過對發(fā)動機進水口壓力的測量來實現(xiàn)對系統(tǒng)壓力及流量的監(jiān)控。

2 冷卻循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

為保證發(fā)動機運行過程中達到良好的冷卻效果，縮短調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間，提高生產(chǎn)效率和系統(tǒng)可靠性，通過采用變頻調(diào)速技術(shù)對發(fā)動機熱試臺架冷卻循環(huán)系統(tǒng)進行優(yōu)化[9]，將手動調(diào)節(jié)升級為自動調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速技術(shù)是較成熟的交流電機無極調(diào)速新技術(shù)，通過數(shù)字化技術(shù)改變電機供電電源頻率和電壓實現(xiàn)電機調(diào)速[10]，控制性能獨特、優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于供水行業(yè)中的速度控制領(lǐng)域[11-13]。

2.2 工作原理

發(fā)動機冷卻循環(huán)控制系統(tǒng)是動態(tài)隨機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由信號采集電路（傳感器）、A/D轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路、直流隔離器、變頻器（V20）、控制模塊等組成。按照生產(chǎn)要求，設(shè)置進水壓力、流量穩(wěn)定在某個特定范圍內(nèi)，根據(jù)較快、較穩(wěn)、較準和抗干擾的性能要求，控制模塊采用可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）進行單閉環(huán)控制[14]和變頻器比例積分微分（proportion integral differential，PID）控制，相比開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能更加優(yōu)越，控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，信號采集電路將采集到的水溫和進水壓力信號處理后反饋至A/D轉(zhuǎn)換器，由轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳遞給PLC控制單元。為了保證壓力的可觀察性及信號的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中增加直流隔離器進行信號隔離分配，其工作原理為：將變送器或儀表的信號通過半導(dǎo)體器件調(diào)制轉(zhuǎn)化，然后通過光感或磁感器件實現(xiàn)隔離轉(zhuǎn)換，再解調(diào)轉(zhuǎn)換回隔離前原信號， 同時對隔離后信號的供電電源實行隔離，保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立，消除信號干擾[15]。

直流隔離器獲取PLC控制單元傳遞的信號，一方面?zhèn)鬟f給測試臺架將數(shù)據(jù)顯示在發(fā)動機測試系統(tǒng)工控機界面，另一方面將信號傳遞給變頻器。變頻器收到信號后通過PID控制改變電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)增壓泵流量，當供水壓力較小時加大轉(zhuǎn)速，增大供水量；反之，減小供水量。自動調(diào)節(jié)能夠保持供水壓力恒定，使供水和用水之間保持平衡，實時控制供水量。此外，在管路中安裝蓄能器儲存能量[16]，防止循環(huán)管路中壓力波動過大，發(fā)動機冷卻循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

2.3 控制程序

變頻器內(nèi)置的PID控制器負責處理PID中設(shè)定的參數(shù)和壓力傳感器中的反饋數(shù)據(jù)，使控制系統(tǒng)的被控參數(shù)迅速準確地接近目標，實時地將傳感器反饋信號與被控參數(shù)的目標信號對比，如果有偏差，則通過PID控制使偏差趨于0[17]。

PID比例增益和PID積分時間應(yīng)根據(jù)實際壓力不斷進行調(diào)整[18]，使系統(tǒng)的壓力快速穩(wěn)定控制在允許的壓力范圍，即65～75 kPa。PID參數(shù)調(diào)節(jié)時存在以下3種情況：1）壓力為65～75 kPa，變頻器頻率較小波動，增壓泵電機轉(zhuǎn)速基本不變，保持供水流量穩(wěn)定；2）壓力小于65 kPa，PID控制器控制變頻器頻率增大，從而控制增壓泵電機轉(zhuǎn)速升高提高供水量；3）壓力大于75 kPa，PID控制器控制變頻器頻率減小，從而控制增壓泵電機轉(zhuǎn)速降低減少供水量。

通過變頻器基本操作面板（basic operation panel，BOP）設(shè)置目標壓力，PID自動控制線路圖如圖5所示，BOP作為PID目標給定源，PID反饋源于模擬量輸入通道AI反饋信號為電流信號。變頻器V20的使用電流為4～20 mA，死區(qū)寬度為4 mA。使用變頻器時，若不設(shè)置死區(qū)寬度，電流信號低于4 mA時，變頻器發(fā)生反轉(zhuǎn)，使電機逆向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致機器損壞，產(chǎn)生生產(chǎn)事故風(fēng)險，嚴重時可危及操作人員的人身安全。變頻器頻率可根據(jù)壓力變送器反饋的信號實時調(diào)節(jié)，保證壓力在目標壓力左右波動[19]，變頻器頻率設(shè)置步驟如圖6所示。

3 臺架調(diào)試驗證

通過測試臺架控制系統(tǒng)設(shè)置變頻增壓泵的開啟轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)提取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進水壓力等信號反饋給PLC控制系統(tǒng)，通過PID控制器調(diào)整二級變頻增壓泵轉(zhuǎn)速，監(jiān)控不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速工況下冷卻系統(tǒng)進水壓力，以設(shè)定目標控制壓力70 kPa為例，不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速時開啟二級變頻增壓泵，進水壓力、變頻器頻率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知：開啟二級變頻增壓泵時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越高進水壓力波動越大。

將圖7測試過程中進水壓力相關(guān)信息進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。由表2可知：發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 190 r/min時開啟變頻泵，供液循環(huán)系統(tǒng)進水壓力最穩(wěn)定，相對壓力極差小于10%，系統(tǒng)響應(yīng)時間最短，滿足生產(chǎn)控制要求；發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 550 r/min時開啟變頻泵轉(zhuǎn)速，進水壓力波動范圍大，壓力極差可達到24.3 kPa，壓力穩(wěn)定時間較長，無法滿足生產(chǎn)控制要求。因此測試過程中選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 190 r/min時開啟變頻泵，可以控制進水壓力在目標范圍內(nèi)，滿足發(fā)動機熱試臺架供液循環(huán)系統(tǒng)的冷卻需求，消除安全隱患，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

采用變頻恒壓控制系統(tǒng)，對發(fā)動機熱試臺架冷卻循環(huán)系統(tǒng)進設(shè)計優(yōu)化，使進水壓力穩(wěn)定在目標范圍內(nèi)，保證發(fā)動機測試過程中冷卻需求，消除防凍液高溫噴濺等安全隱患，有效提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)代先進的冷卻系統(tǒng)一般采用新型的冷卻介質(zhì)和冷卻機理，向智能化、高效低能發(fā)展，本文中采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制，為變頻恒壓供水案例提供了詳細的思路和方案，在同類或相似產(chǎn)品的恒壓水需求自動化應(yīng)用方面具有一定的推廣價值。

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Optimization design of automatic control for cooling system ofengine hot test bench

WANG Feng， YIN Fansong， MA Jiwang， ZHANG Xinpeng

Engine Factory of Sinotruk Jinan Power Co.， Ltd.， Jinan 250200， China

Abstract：In order to meet the pressure and flow requirements of the cooling cycle system under different operating conditions during the engine test and running-in process， variable frequency speed regulation technology is adopted to optimize the cooling cycle system of the engine hot test bench. A DC isolator is added to improve the observability of the water supply pressure and signal stability of the test bench， optimize the control program， control the water supply pressure and flow of the cooling system of the test bench， and conduct bench debugging and verification. The results indicate that the optimized design of the automatic control engine hot test bench cooling system can achieve automatic adjustment of the water supply pressure and flow rate of the bench cooling cycle system， and control the water supply pressure and flow rate to respond in a timely manner with changes in engine operating conditions and stabilize within the target range， ensure the stability and reliability of the engine testing system.

Keywords：hot test bench; auto-control; variable frequency regulation; pressure;flow rate

（責任編輯：劉麗君）

收稿日期：2023-05-08

第一作者簡介：王鋒（1984—），男，山東聊城人，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向為汽車發(fā)動機先進生產(chǎn)制造技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量控制及改進、智能制造，E-mail：wangfengmc@163.com。