發動機水系統試驗方法分析及改善研究

袁 彬，張志偉，劉寶玉

（濰柴動力股份有限公司 發動機技術研究院，山東 濰坊 261061）

引言

車輛及發動機技術的迅猛發展和人們使用需求的日益提升，給環境和能源造成巨大的壓力[1]。發動機冷卻系統作為發動機重要組成部分，其技術水平也得到了長足發展。

發動機散熱器的散熱方式分為水冷散熱和風冷散熱。水冷散熱器主要應用于船用發動機，利用船航行中的海水或者河水冷卻散熱器，將水冷系發動機散發的熱量通過散熱器間接地轉移至江河湖泊，實現冷卻。風冷散熱器主要應用于車用、發電和礦用等發動機，利用車輛行駛過程中的迎面風和發動機運轉風扇吸進空氣冷卻散熱器，將發動機熱量通過散熱器間接的轉移至大氣中，實現冷卻。

在發動機試驗開發階段，如何通過試驗水路模擬整車水箱壓降，充分考核發動機冷卻系統性能和可靠性成為一個亟需解決的問題。水路旁通的試驗方法，是通過水路分流保證水泵流量，通過混水的方式保證水溫穩定控制。水路旁通的試驗方法可根據試驗需求，靈活地模擬了各類整車水箱壓降工況，最大限度地還原發動機冷卻水箱壓降和流量要求，充分考核發動機冷卻系統。

1 現有臺架試驗方法的優劣分析

車用發動機風冷式散熱主要依靠車輛運行的迎面風進行冷卻，對臺架而言很難實現，因此臺架試驗通常參照船機冷卻模式是將散熱器外部冷卻介質由風冷改為水冷[2-3]。但因為水冷散熱器體積小，和整機匹配的風冷散熱器相比存在壓差大、流量低等差異，直接借用往往會造成試驗數據的不準確，長時間運行會造成發動機水循環缺水穴蝕等問題。

試驗室建設初期多使用體積大，換熱效率低的管式散熱器，盡量模擬整車冷卻水箱的壓降損失。管式熱交換器工作原理如圖1所示，通過將細管封裝在罐殼中，細管中冷流體流動，罐殼中熱流體流動，通過細管進行熱交換。管式熱交換器熱交換可最大限度的模擬發動機整車水箱熱交換結構。管式熱交換優點是水路壓降低，耐壓高。缺點是熱交換效率低，體積龐大，管路布置臃腫，溫度控制精度差等。

圖1 管式熱交換器工作原理

針對管式熱交換器的問題，試驗臺架建設多采用板式熱交換器。板式熱交換器工作原理如圖2所示，采用多層金屬板，分割冷熱水，進行熱交換工作。板式熱交換器相對于管式熱交換器體積小，熱交換效率高，但因為體積小，水路壓降損失較大。

圖2 板式熱交換器工作原理

板式熱交換器的壓降大，發動機水路循環不暢的問題，會造成水泵缺水。水泵在缺水的工況下，易發生氣蝕，氣蝕不僅會導致水泵性能下降，同時也會造成水泵結構的破壞[4-6]。板熱交換效率較高，放大體積，降低管路壓降損失，會造成水溫控制精度無法滿足試驗要求的問題。

針對熱交換器串聯在發動機試驗水路會造成供水不足的問題，常見的解決方式是在發動機大循環水路中串聯變頻水泵（如圖3所示），變頻水泵根據發動機試驗需求，實時調節轉速，彌補管路壓降損失，保證發動機水泵前進水壓力滿足試驗需求。串聯水泵的方案的優點是可有效地利用水泵功率克服管路壓降損失，確保發動機水冷循環水量充足，避免了發動機因為缺水等問題出現溫度冷卻異常和水泵穴蝕等故障。串聯水泵的方案應用于成熟產品的發動機試驗中可以滿足試驗需求，但實驗室發動機多為非成熟產品，水泵狀態不確定因素比較多，試驗過程中，因為外置水泵輔助供水，分擔了發動機水泵的工作壓力和工況變化引起的負荷考核，失去了考核水泵的意義。未經充分考核的水泵流入市場，會破壞摩擦副正常的潤滑和承載能力，加速機油氧化變質，壓力降低，易造成拉缸、燒軸瓦等故障[6-7]。

圖3 水泵加壓水冷系統原理圖

2 發動機水路旁通控制

針對水路試驗室考核的嚴苛條件，試驗室通過實踐驗證探索出了水路旁通控制模式。控制控制模式具體方案如圖4所示，發動機與板式熱交換器串聯，在水路中并聯一路可調發動機冷卻水流量的比例截止閥。當比例閥全部關閉，冷卻介質全部經過板式熱交換器冷卻后，再流回發動機內部。板式熱交換器相比整車水箱外循環壓降較大，模擬水路壓降。當發動機水路旁通比例閥全部打開，發動機冷卻介質大部分通過旁通比例閥直接發動機進水口，發動機冷卻水路壓降趨近于0，水流量為發動機水泵的的最大值。水路旁通式控制是通過調整比例閥開度，分配經過板式熱交換器和比例閥的水流量。通過分配流量，將發動機出水口和發動機進水口之間的壓降損失調整至發動機水箱相同，最大限度地模擬整車水箱狀態，充分考核發動機冷卻系統。

圖4 旁通式冷卻系統工作原理圖

本試驗冷卻方法，通過改變冷卻介質分配流量模擬整車水箱壓降。因為水流量的分配，一部分水需要通過熱交換器進行低溫冷卻，一部分水不經過冷卻直接返回發動機進水口。同一臺發動機，相同工況散發的熱量是恒定的，為保證水溫的穩定控制，通過板式熱交換器的一部分冷卻介質需要進行更多的熱量交換，得到更低溫度的熱交換介質，最后通過混水的方式實現水溫的穩定控制。本冷卻方案相對于沒有比例閥并聯的冷卻方案，冷卻部分的水需要實現更低的溫度控制，才能保證混合后的水溫達到目標水溫。因此選配板式熱交換器時，一般選配偏大一點的熱交換器，保證冷卻水路充分冷卻。

旁通是控制方案通過將內循環調整壓降，分配發動機循環水量，外循環采用閉式控制的模式，進行發動機出水溫度控制。實現發動機水路壓降可控，出水溫度輸出穩定的效果。

3 發動機水路旁通效果驗證

為驗證發動機旁通式控制水溫效果，分別進行了兩項數據采集驗證。

首先，如圖5所示，將發動機功率升至標定點，發動機預熱，確保節溫器全部打開。在發動機工況不變的情況下，分別關閉比例閥和打開比例閥，對比水路旁通的冷卻方法和常規的發動機冷卻方法發動機出水溫度變化。通過采集發動機出水溫度數據，發動機出水溫度目標設定為97 ℃，關閉和打開水路旁通比例閥，水溫波動范圍在±1 ℃之內，發動機出水溫度控制較穩定，滿足開發試驗需求。因此判斷，發動機旁通式水溫控制方法，對發動機出水溫度控制無較大影響，可滿足試驗需求。

圖5 水溫控制對比

其次，發動機在常規試驗過程中，打開和關閉比例閥水溫控制穩定。在發動機出水溫度極限工況水溫控制是否可以保持穩定，需要進一步驗證。發動機工況繼續保持為標定點，比例閥打開保證水流量，通過控制水溫控設備目標設定極限溫度，驗證溫度控制。分別設定極限高溫和極限低溫的目標值驗證發動機出水溫度控制穩定性，避免出現極限溫度溫控無法控制的問題。發動機內循環水溫極限為100 ℃，發動機節溫器完全打開溫度為85 ℃。因此分別設定發動機出水溫度為85 ℃、90 ℃和99 ℃，采集發動機出水溫度數據如圖6所示，當發動機出水溫度實際值相對于目標溫度波動為1 ℃，溫控相對穩定，溫度控制滿足試驗需求。所以水路旁通式控制不會因為目標值得不同出現溫度無法控制的現象。

圖6 不同溫度水溫控制對比

4 結束語

在發動機試驗開發階段，通過試驗水路模擬整車水箱，充分考核發動機冷卻系統性能和可靠性。水路旁通的試驗方法，既通過水路分流保證水泵流量，又通過混水的方式保證水溫穩定控制。旁通分流量的控制可根據試驗需求，靈活地模擬了各類整車水箱工況，最大限度地還原發動機冷卻水箱壓降和流量要求，充分考核發動機冷卻系統。通過實踐驗證，已經全面在試驗室進行推廣使用。