真空排水在某發動機熱試現場的應用

黃宇航

（比亞迪汽車工業有限公司，廣東 深圳518122）

0 引言

某發動機熱試時采用水作為冷卻液，結束時需把機體內部積水清除出去。原清除積水方式是向發動機水道進水口一端注入高壓氣體，帶走機體內部殘留積水。吹水操作分為兩個部分，一是熱試臺架設備本身的吹水操作，將發動機內的大部分水吹回磨合水箱；二是人工使用高壓氣槍對發動機各管口進行通氣吹水，盡量將第一次吹水后的殘留水吹走。但經對拆解磨合后的發動機測量，熱試雙重吹水過后發動機內仍有約300mL殘留的水量。發動機在客戶部門裝車時，水會從發動機管口流出，引起客戶部門投訴，投訴率幾乎100%，需要安排專人在裝車時進行擦水。

根據真空度越高，水的沸點越低的原理[1]，實驗驗證通過將發動機水道所有管口封堵，只留一個水泵進水管口，按圖1所示的管路連接方式與2XZ-25B型真空泵連接，來對發動機進行抽真空的方式降低發動機內部的氣壓，使發動機內部積水汽化排出，可以達到清除機體內部殘留積水的目的，多次試驗得出真空度、溫度、時間以及殘留水量的關系如表1所示，發動機內部真空度維持在-0.08 MPa左右，發動機溫度在43℃ ～48℃時進行抽真空3 min，發動機內部積水基本上能清除干凈。但實驗時發動機內的殘留水會進入泵內的真空腔，與真空泵內的油產生油水混合，導致真空專用油變質，影響真空泵的真空效率及壽命。針對以上問題，本文擬解決發動機內殘留水的排放及真空泵的性能干擾因素，保證在生產現場使用抽真空的方式清除發動機內的積水。

圖1 實驗管路連接方式

表1 殘留水量與溫度、真空度及時間的關系

1 問題改善

針對實驗時存在的問題點，從兩方面進行改善：一是根據生產線的實際需求，選擇合適類型的真空泵；二是提出在不影響真空度的情況下，將積水在進入真空泵前排放掉。

1.1 真空泵的選型

真空泵根據其工作原理，分為動量傳輸泵及變容真空泵[2]。

動量傳輸泵是依靠高速旋轉的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續不斷地從泵的入口輸送到出口，此類真空泵需要介質循環箱及高速射流，轉速及壓力較高，不適合熱試生產線使用。變容真空泵是利用泵腔容積的周期變化來完成吸氣和排氣，以達到抽氣目的，主要分為往復式真空泵及旋轉式真空泵兩種，而往復式真空泵是靠活塞往復運動來將氣體吸入壓縮并排出，真空度高，但長期使用時活塞磨損較快，并且隨著更換次數的增加，泵的噪音、耗油量及故障率也會隨著變大，且成本較高，不適用于熱試生產線。而旋轉式真空泵分為油式泵、水環泵及干式泵。油式利用真空泵油來密封泵內各運動部件之間的間隙，真空泵油同時兼顧潤滑、降溫作用，泵工作可靠，真空度高，但不能抽取含水分較高的氣體；水環泵是將帶有多葉片的轉子偏心裝在泵殼內，旋轉時將水拋向泵殼形成與泵殼同心的液環，液環同轉子葉片形成容積周期變化的幾個小吸排氣腔，泵體結構簡單，可以抽除帶塵埃的氣體、可凝性氣體及水氣混合物，但真空度一般；干式泵主要是用兩個密合轉子旋轉壓縮來完成真空作業，其真空度較高，工作腔中無油，增強了泵的可靠性，同時抽速范圍寬、結構簡單緊湊、抽氣腔元件無摩擦，壽命長，能耗低，但維修需要拆解整機重新裝配[3]。各類真空泵性能對比如表2所示。

表2 各類真空泵性能對比

根據各類真空度比對，從性能的要求來看，水環泵是最適合用于熱試生產現場，但由于水環泵對介質水的溫度要求在25℃～35℃之間，需要安裝冷卻水塔，但該熱試現場沒有條件安裝，故選用可凝性氣體適用性一般的干式泵。而德國普旭的爪式真空泵由于技術成熟，采用非接觸運行原理，有免維護優勢，且葉片有防腐蝕涂層，允許一定的水汽進入到泵體，結合真空排水實驗的參數要求，選定該品牌的MM1104BV作為真空排水的主泵如圖2所示，其技術參數如表3所示。

圖2 MM1104B V真空泵

表3 真空泵技術參數

1.2 排水方案

真空排水的原理是利用發動機運轉過后的余熱，讓內部積水處于較高溫度，通過抽真空的方式降低發動機內部的氣壓，使發動機內部積水汽化，變成水汽被抽出。而真空泵要求不能大量進水，因此需要在水汽走到真空泵前要將絕大部分的水汽液化排出，考慮水汽冷凝及排出的問題，采用原理如圖3的真空排水裝置，選用標準的真空用冷凝水分分離器作為水汽液化介質，要求過濾效率為90%，再結合氣缸、活塞、氣控管路來組成排水裝置，按圖4所示的安裝方式安裝在發動機與真空泵之間，用于過濾排出發動機內的冷卻水。

圖3 真空排水原理圖

圖4 安裝示意圖

為保證工作過程真空度不受影響，冷凝水的排放采用氣缸帶動活塞雙向施壓的方式來排放，水汽在冷凝腔經過真空用冷凝水分分離器液化后，沿中空排水導桿流到排水腔，通過活塞的運動，將液態水經過單向閥排出，避免排水時引起真空度的變化。

在生產過程中，液化水在不停產生，需要排水活塞不停地做往復運動來排液化的水，因排水活塞是通過氣缸來帶動，故采用氣控閥加氣動速度控制閥組合的方式來組合氣動控制回路，通過速度控制閥控制三通氣控閥的開啟來控制兩位五通氣控閥的換位，讓氣缸間歇性往復地運動，從而達到持續排水的目的。

在實際應用上，通過真空泵將真空度控制在-0.085 MPa以上，時間維持在4min以上，即可滿足將水全部排出，即可達到清除發動機內殘留水的要求。

2 系統應用及改善

干式真空泵及活塞排水裝置組合的方式已于2017年11月在該熱試線開始使用，爪式真空泵放置在車間外，在每個臺架旁邊均有一個真空抽氣口，發動機磨合完成后溫度在（88±5）℃，直接在臺架旁用圖5所示的連接方式抽真空，保證機體內的水溫；同時抽真空時間設定在5 min，與新機上臺架的時間一致，在不影響生產的情況下滿足試驗時間的要求。而排水裝置設計安裝兩個，一個在臺架后端，用于過濾大量的水汽，另一個安裝在真空泵前端，水分過濾排走效率達99%。在系統啟動時，真空度基本能穩定在-0.09 MPa左右，達到理論排水的真空度要求，且實施以后，客戶部門投訴裝車時管口漏水量為0。

圖5 系統應用簡圖

系統投入使用以來，也產生了不少問題，除以下問題外，均已得到解決。

（1）氣缸間歇運動頻率較大，受氣源及氣管內壓力變化的影響，速度控制閥容易發生故障，容易出現氣缸活塞不動作或停頓時間過長等問題，排水活塞不能按設定頻率來排水，導致真空泵進水量過多。針對此問題，計劃通過將氣動閥控制改為可編程控制器+電磁閥組合來控制，使排水頻率穩定，且降低系統的耗氣量。

（2）因發動機內水溫度較高，且用水未經過軟化處理，排水腔壁內容易長水垢及生銹，活塞動作時拉傷密封圈，影響活塞的密封性，從而影響排水效率。水垢及生銹問題，暫定方式是每半月拆解排水裝置，更換水分分離器及清除排水腔壁上的水垢和銹跡，后續生產線評審是否增加磨合水軟化處理措施。

3 結束語

通過合理的真空泵選型，選擇合適的排水方式，能將真空排水實際應用于發動機生產現場，達成產品質量改善的目的。但受水垢、生銹的影響，整個系統表現并不完善，還需進一步改善。