發動機試驗臺架閉式循環水系統的研究應用

吳連偉，張世軍，欒建偉，張 健，曹長順

（濰柴動力股份有限公司一號工廠，山東濰坊 261061）

0 引言

工業生產常用的閉式循環冷卻設備有空冷器及閉式冷卻塔，空冷器是利用空氣作為冷卻介質將工藝介質冷卻到所需溫度的設備[1]。發動機出廠試驗為發動機產品質量的關鍵過程，其中防凍液的溫度對發動機的動力性、經濟性、排放性能和使用性能均有較大影響。在發動機臺架試驗時，控制好防凍液的溫度等試驗邊界條件，將有效提升性能指標。本文根據發動機試驗的工藝特點，對發動機試驗臺架冷卻系統工藝進行研究及性能改造。

1 發動機試驗過程冷卻系統問題

發動機出廠試驗為發動機產品質量的關鍵過程，試驗過程中發動機溫度、冷卻水水質、過濾系統、冷卻系統降溫方式、溫度調節執行機構、自動控制系統等均為發動機出廠試驗的關鍵設備部件。

循環冷卻水系統是一項常見而且非常重要的公用工程系統[2]，傳統的冷卻方式為敞開式冷卻系統，循環介質是自來水，通過循環管路在發動機內部循環實現發動機試驗過程降溫，試驗結束后放出發動機內部自來水（圖1）。這種作業方式存在因自來水長期循環使用，導致內部殘留冷卻水與雜質。

圖1 敞開式冷卻系統原理

冷卻水水池布置在室外，為開口式露天水池，補水方式為手動補充自來水，通過水泵、管道循環到試驗臺架，長期使用導致水質污物，內部雜質含量增加。發動機試驗臺架內部，安裝混合水箱，混合水箱通過室外循環水進行補水（圖2）。發動機內部冷卻水通過混合水箱→水管→發動機→水管→混合水箱，進行循環降溫，通過手動開關補水閥門調節發動機試驗過程的溫度，無法實現發動機溫度自動控制。冷卻水在發動機循環過程中無過濾裝置，導致內部雜質無法過濾，試驗結束后雜質殘留在發動機內部，成為發動機質量隱患。

圖2 混合水箱

由于冷卻系統和試驗臺架的控制系統缺少聯動控制，為保障產品質量，提高冷卻系統的準確性和自動化水平，因此研究設計發動機閉式循環水冷卻系統與聯動控制技術，實現發動機試驗臺架冷卻系統與溫度調節系統、過濾系統等多種載體的綜合應用。本文主要闡述在發動機試驗臺架冷卻系統相關工作原理及各組成結構的功能和特點，并結合產品性能實施整體改造。

2 防凍液供給系統技術

防凍液主要用于替代自來水在發動機內部循環，對發動機試驗過程進行降溫，確保發動機試驗過程中各項指標、參數合格，保障發動機在模擬工況下正常運轉。

2.1 防凍液供液系統（圖3）

圖3 防凍液供給系統原理

主要由低位液箱→供液管路→水泵機組→高位防凍液箱→水表→試驗臺架水箱、控制系統等部件組成。高位液相設置液位顯示，設置高位停泵、溢流報警控制系統。

2.2 低位防凍液箱（圖4）

圖4 低位防凍液箱

主要用于防凍液的補液存儲，同時用于對高位水箱進行供給，采用組合式不銹鋼板水箱，有效容積V=4 m3。低位防凍液箱運行重量為4500 kg，水箱側面安裝有磁翻板液位計，用于目視觀察液位情況。同時安裝液位變送器，用于將液位情況傳輸到控制系統。

2.3 水泵機組（圖5）

圖5 水泵機組原理

用于將低位防凍液箱內部液體供給到高位防凍液箱內部，該機組采用一備一用2 臺水泵設計方式，便于日常維護與故障維修。

2.4 高位防凍液箱（圖6）

圖6 高位防凍液箱

主要用于試驗臺架防凍液供給，采用組合式不銹鋼板水箱，高位水箱有效容積V=3 m3。高位防凍液箱運行重量為3500 kg，水箱側面安裝有磁翻板液位計，用于目視觀察液位情況。同時安裝液位變送器，用于將液位情況傳輸到控制系統。

2.5 防凍液控制系統

防凍液控制系統是一項綜合技術，通過液位信號采集、主令開關、自動控制邏輯電路等實現供液系統的自動運行。

3 發動機防凍液溫度控制系統技術

發動機防凍液溫度高低對發動機動力性、經濟性、排放性能和使用性能均有較大的影響。在發動機臺架試驗時，控制好防凍液的溫度等試驗邊界條件，將有效提升性能指標。防凍液系統主要由防凍液加注回收單元和防凍液溫控單元組成，具備發動機試驗前自動加注功能、試驗時自動溫控功能和試驗結束后防凍液自動回收功能（圖7）。

圖7 防凍液系統組成

3.1 加注回收單元（圖8）

圖8 加注回收單元

主要用于存儲試驗臺架內部的防凍液。當試驗臺架內部有發動機時，加注回收單元內部防凍液供到發動機與循環管路中；發動機試驗結束后，將發動機與循環管路中的防凍液回收到回收單元中進行緩存。

3.2 冷卻溫控單元（圖9）

圖9 冷卻溫控單元

主要用于發動機試驗過程中對循環管路中的防凍液溫度進行調節，通過調節閉式循環系統中冷卻水與防凍液進入板式換熱器的流量，實現內外循環熱量交換，帶走發動機防凍液熱量，達到溫度調節的目的。

3.3 系統工作原理（圖10）

圖10 發動機防凍液溫度控制系統工作原理

采用交換閉式循環原理，將發動機內部循環水的熱量通過外部循環水帶走，通過控制系統的PID 調節器調節電動比例三通調節閥的開度，控制冷水和熱防凍液的比例流量，以控制發動機內部循環防凍液的進出溫度，確保進出溫度控制在設定值范圍內。

當檢測到發動機內部循環防凍液出水溫度大于設定值時，增大閥門開度以增加冷水流量，通過熱交換器帶走更多的熱量，從而限制內部循環防凍液溫度的上升。當檢測到發動機循環防凍液出水溫度小于設定值時，減小閥門開度以減小冷水流量，通過減少熱交換器帶走的熱量，發動機循環出水溫度上升，在調節閥和發動機的交替作用下，確保溫度控制在設定值范圍內。

功能目標主要有3 個：①發動機試驗前，向發動機及防凍液溫控設備自動補液；②發動機試驗時，自動調節發動機防凍液的溫度；③發動機試驗后，通過系統的自動抽防凍液、吹防凍液功能自動回收發動機內的防凍液。

3.4 溫度控制原理

CV1 關閉，CV2 打開，CV3 打開，CV5 狀態“2”，CV6 狀態“1”，通過溫度PID 調節器作用控制調節閥CV4，根據溫度反饋情況自動控制閥的開閉和開度大小調節，調節冷水與熱防凍液的流量比例，調節溫控器的比例、積分、微分的值，保證控制系統的響應和控制精度。

3.5 防凍液回收原理

防凍液回收的原理包括抽防凍液和吹防凍液2 部分，試驗結束后先進行抽防凍液后進行吹防凍液。連接防水快接閥QV1，CV3 關閉，CV5、CV6 切換至狀態“2”，打開氣動隔膜泵P1 的氣路使泵運轉，將發動機內及相應管路內的防凍液抽至儲液箱中。隨后進行吹防凍液，接通CV1 的壓縮空氣并打開CV1，關閉CV2，向CV1 中通入0.2 MPa 壓縮空氣，將發動機內未抽吸完全的防凍液吹至儲液箱，完成后CV1 關閉，CV2 打開，CV3 打開，CV5 狀態“2”，CV6 狀態“1”。

4 防凍液過濾系統改造

閉式循環水系統目前的運行流程是循環熱水自流至低位水池，低位水池自流至泵，泵提壓，經空冷器冷卻，再送至位于廠房頂的安保水箱，然后由安保水箱的下水管引出，供各循環水用戶使用，從各循環水用戶端使用后的循環熱水返回低位水池[3]。

在發動機試驗過程中殘留雜質帶入防凍液中，因循環使用造成雜質含量越來越多，為解決防凍液內部雜質問題，對閉式循環水系統增加過濾系統，主要由Y 形過濾器、HT-80AMP 型過濾器、籃形過濾器、磁性過濾器等組成（圖11）。其中，Y 形過濾器主要用于發動機試驗前，向發動機及防凍液溫控設備補液時對防凍進行過濾；HT-80AMP 型過濾器主要用于發動機試驗過程中對防凍液的循環過濾，采用過濾袋進行過濾；籃形過濾器、磁性過濾器主要用于發動機試驗后，通過系統的自動抽防凍液、吹防凍液功能，自動回收發動機內的防凍液時對防凍液進行過濾。

圖11 過濾系統組成

5 冷卻水循環系統

冷卻水循環系統主要用于對閉式循環系統中防凍液進行冷卻降溫，由儲水池、循環水泵組、管路、過濾系統、冷卻塔、液位檢測系統、控制系統等部分組成（圖12）。

圖12 冷卻水循環系統原理

5.1 工作原理

冷卻水循環系統采用開放式風冷技術，水池容量為1785 m3，循環水量為1120 m3/h，冷卻設備為板式換熱器，工作過程為：儲水池→水泵機組→循環管路→發動機防凍液溫度控制系統→板式換熱器→冷卻塔→儲水池。

5.2 冷卻塔降溫

冷卻塔用于對冷卻水進行降溫，確保溫度在工藝要求范圍。設計改造冷卻塔自動控制系統，通過在冷卻塔回水管路上加裝溫度監測傳感器，在控制系統中增加溫度控制儀，實現冷卻水溫度實施檢測，根據設定溫度自動開、關換熱風扇，實現冷卻塔4個換熱風扇的三級自動控制（圖13）。

圖13 冷卻塔工作原理

5.3 液位檢測系統

閉式循環水系統冷卻水儲水池位于廠房外，儲水池位于地下且為封閉式，因此在冷卻水池安裝液位傳感器，實現液位測量功能。在控制室與車間內部分別安裝智能單光柱測控儀，實現液位顯示與報警液位設定功能。內部安裝聲光報警器，當儲水池液位達到設定值時進行聲光報警，提醒操作人員進行相應處理，實現實時監控儲水池液位情況，水池液位自動控制。

6 發動機試驗臺架改造

發動機試驗臺架是為各類發動機臺架試驗設計的專用設備，與各種型號的測功器配套使用，自動測量發動機的轉速、扭矩、油耗和多路溫度、壓力等參數，采用計算機技術，實現發動機各種試驗工況的自動控制（圖14）。因閉式循環水系統與發動機試驗臺架是2 套獨立系統，信號互通方面缺少相應的防錯措施，存在一定的隱患，針對該問題對試驗臺架改造如下。

圖14 發動機試驗臺架模擬

（1）硬件改造：①將閉式循環水系統膨脹水箱液位指示裝置更換為磁翻板液位計；②將液位上、下限位檢查開關更換為感應式磁性開關；③將液位上、下限信號連接到閉式循環水系統，同時連接到PGD 電柜內部PLC。

（2）軟件改造（圖15）：修改PGD 電柜PLC 控制程序：①實現閉式循環水系統供液開關打開→膨脹水箱下限位無信號→膨脹水箱上限位有信號→滿足發動機啟動條件；②發動機試驗過程中，如果膨脹水箱上限位無信號→膨脹水箱下限位有信號持續10 s（持續時間可以根據實際情況進行調整）→PLC 輸出發動機停機信號→執行機構執行發動機停機。

圖15 PLC 防錯程序（局部截圖）

7 總結

閉式循環水系統在發動機出廠試驗過程中發揮重要作用，該技術復雜、難度大、創新性強，利用PLC 編程、液位檢測、溫度監測、數據采集、變頻器等技術，對系統進行性能改造，為提升發動機的試驗過程提供了重要的監控手段，實現防凍液供給系統、溫度控制系統、過濾系統、冷卻水循環系統、發動機試驗臺架的數據傳輸和信號交互，提高發動機性能指標。

此項目的研究和改造，提高生產效率40%，各項參數更加精確，性能更加可靠；且防凍液循環順暢，防凍液溫度自動控制，杜絕了水溫過高導致的安全隱患與質量隱患。