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发动机深度冷热冲击试验概述

高低温试验箱 发表于(www.jbmodule.com)发布时间:2019/9/7

随着发动机技术的不断进步, 发动机由最初的自然吸气发动机发展成现在诸如涡轮增压发动机、缸内直喷发动机等多种类型, 发动机的功率和扭矩有了大幅度增高, 随着发动机性能的增加, 与之相对应的工况有的更加恶劣, 这对于发动机的机械负荷和热负荷要求更加严格, 发动机的可靠性作为发动机的一个重要质量指标, 愈发受到人们的重视, 可靠性对于发动机运行的经济性和安全性具有重要意义。传统的发动机可靠性试验多数是在常规的条件下, 通过给定的试验程序往复试验得到一个疲劳累积来验证其可靠性, 我国地域辽阔, 南北的气候条件大为不同, 因此有必要对发动机进行极寒和极冷这种极限条件下的可靠性进行验证, 发动机的深度冷热冲击试验就是此类试验的一种[1]

1 试验概述

1.1 试验目的

深度冷热冲击试验是一项主要为测试气缸盖垫片的可靠性而作的可靠性试验。试验中, 发动机会在极低的温度下起动并会在较短时间内加速到高转速、高功率, 这种操作导致燃烧室周围的组件受到高的热负荷冲击。此外, 因为缸盖及机体有不同的热传导率及不同的热扩散率, 这种冲击试验会导致缸盖及机体之间承受高的交变振动冲击[2], 这种缸盖及机体之间的关联振动必须靠气缸垫片来均衡以减轻振动的影响。

1.2 实验过程

深度冷热冲击试验主要分为加热和冷却两个步骤, 加热过程是通过发动机运转将冷却夜温度加热至115℃, 持续工作一段时间使机油温度达到125℃;冷却过程是将制冷机制冷的-30℃的冷却液注入热交换器与发动机内部冷却液进行热交换, 最终将发动机表面温度降至-15℃, 然后再启动发动机加热升温、降温, 如此往复, 一热一冷算作一个循环, 一个完整的深度热冲击试验一般需要做800个循环。发动机工作过程如图1所示。

图1 试验温度控制图

图1 试验温度控制图   下载原图

注:转速A为发动机最大扭矩时对应的平均转速;转速B为发动机最大功率转速减100 r;TWO为发动机冷却液出水口温度;T_Oil为发动机机油温度;T_HM为发动机表面温度。

2 系统控制

2.1 试验程序

本次试验根据实验要求编制试验程序, 在运行程序的过程中主要参考冷却液出水温度、机油温度和发动机缸盖表面温度这些关键参数, 当关键参数的条件达到目标值, 程序便会自动跳转到下一步。由于深度冷热冲击试验对于冷却速率有一定的要求, 因此对于不同的被测发动机其冷却速率也会不同, 所以在运行程序的前期, 都要针对特定的发动机对程序进行调试以达到实验要求。

2.2 温度控制

深度冷热冲击试验一个循环包括加热升温和冷却降温两大部分, 加热升温是靠发动机工作过程中自身产生的热量来完成, 冷却降温是靠外部制冷机制冷的冷却液与发动机的冷却液通过热交换来完成, 其控制温度的原理都是通过PID调节实现的。其控制原理如图2所示。

图2 系统原理图

图2 系统原理图   下载原图

2.3 温度采集布点

深度冷热冲击试验自动试验程序中有多个步骤使用的源信号为温度值, 当系统检测到源信号的值达到要求后, 便会自动跳转到下一步, 其中发动机冷却液出水口的温度和发动机缸盖表面温度最为重要, 前者用于鉴定加热循环是否完成, 后者则用于鉴定冷却循环是否完成。发动机冷却液出水温度传感器置于发动机出水管管内;发动机缸盖表面温度的测量点要在缸盖或者机体的外壁, 一般选在缸盖和机体结合处的2 cm范围内, 测量点不能处于缸盖的排气一侧, 因为排气侧温度较高, 对于测量结果和传感器的使用寿命都有影响。为了提高测量的准确率, 一般温度测量布点选三个点以上, 测量点选择如图3所示的1、2、3.

图3 温度测量布点位置图

图3 温度测量布点位置图   下载原图

2.4 制冷设备的选择

深度冷热冲击试验要求发动机缸盖表面温度最低降至-15℃, 为达到降温目的, 对于制冷设备的制冷效果有很高的要求。因此, 选用了SRSB系列低温乙二醇 (盐水) 机组, 其是以R404A为制冷剂, 乙二醇或氯化钠、氯化钙为载冷剂的工业冷却专用低温水机组, 根据用户需要可提供-15℃~-35℃的工业冷却水。

3 试验验证

3.1 机油周期检查

要定期视觉检查机油液位, 每100个循环要更换机油, 并取机油样品, 用于分析燃油稀释物和是否有金属粉末, 所取机油样品要遮光密封保存, 避免变质。

3.2 冷却液的冷却速率

深度冷热冲击试验中的冷却循环要求冷却液降低至一定的温度, 其不仅仅要求最终的目标温度要达标, 在降温过程中对于冷却的速率也有要求。在深度冷热冲击试验中, 发动机需要快速冷却, 在冷却的第一阶段 (预冷阶段, 直到出水温度在10~30℃) 冷却速率达到每秒4~10℃;在此之后, 冷却速率会下降, 0℃以下冷却速率每秒小于0.5℃.在温度第一次下降之后, 冷却液温度会再次升高, 之后下降会缓慢, 后期需保证冷却循环继续进行直到发动机温度降下来。

冷却速率的计算方法为温度的冷却差值比上完成对应差值的时间, 比如冷却液由100℃冷却至50℃的速率计算方法为:

 

即冷却温度的差值比上水温在100℃的时间与水温在50℃的时间差值。

图4中注释区域线条中间区域为冷却液第一冷却阶段, 参照上方的数据可以看出, 温度TWO的差值为:117-43=74;对应的时间Time差值为:1 673-1 655=18;根据冷却速率的计算公式计算冷却液第一阶段冷却速率==, 符合试验要求。

图4 工作循环温度示意图

图4 工作循环温度示意图   下载原图

图5中注释区域线条中间区域为冷却液第二冷却阶段, 参照上方的数据可以看出, 温度TWO的差值为:41- (-24) =65;对应的时间Time差值为:2227-1 677=550;根据冷却速率的计算公式计算冷却液第二阶段冷却速率==, 符合试验要求。

图5 工作循环温度示意图

图5 工作循环温度示意图   下载原图

3.3 性能检测

为了验证发动机试验过程前后的性能变化, 分别在测试开始前、测试半程和测试结束后测量三组发动机的净功率、活塞漏气量和活塞压缩压力, 用于对比, 如果发动机性能发生明显的差异, 则需要重点关注发动机是否有明显的物理变化[3]。正常情况下, 运行完800循环耐久测试的发动机功率和扭矩都会出现衰退。

4 结束语

深度冷热冲击试验考核的是零部件对高低温瞬间变化的承受能力, 同时会造成温差冲击, 热胀冷缩等现象, 因此对内部的零部件都有所要求, 需要关注瞬间升温对零部件是否造成损坏, 零部件冷热冲击后是否出现挤压或者缝隙过大等情况。利用委托企业的实验项目, 已经对多款发动机进行了深度冷热冲击试验, 验证了发动机的可靠性。本文对深度热冲击试验进行了简要的概述, 但在实际实验过程中, 由于发动机工况恶劣、工作循环较多, 要关注的问题会更多, 这对于实现发动机新产品的开发提供了试验数据支持。

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