發(fā)動(dòng)機(jī)深度冷熱沖擊試驗(yàn)概述

管玉坤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

發(fā)動(dòng)機(jī)深度冷熱沖擊試驗(yàn)概述

管玉坤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

簡述了深度冷熱沖擊試驗(yàn)的過程，深度冷熱沖擊試驗(yàn)是在極度寒冷的條件下做熱循環(huán)來驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久特性，作為一個(gè)加速試驗(yàn)，它不是復(fù)制消費(fèi)者的使用方法，而是使發(fā)動(dòng)機(jī)在其使用壽命中產(chǎn)生類似的累積傷害。

發(fā)動(dòng)機(jī)；出水溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度；深度冷熱沖擊

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)由最初的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展成現(xiàn)在諸如渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)等多種類型，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩有了大幅度增高，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的增加，與之相對應(yīng)的工況有的更加惡劣，這對于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷要求更加嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，愈發(fā)受到人們的重視，可靠性對于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)多數(shù)是在常規(guī)的條件下，通過給定的試驗(yàn)程序往復(fù)試驗(yàn)得到一個(gè)疲勞累積來驗(yàn)證其可靠性，我國地域遼闊，南北的氣候條件大為不同，因此有必要對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行極寒和極冷這種極限條件下的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)的深度冷熱沖擊試驗(yàn)就是此類試驗(yàn)的一種[1]。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

深度冷熱沖擊試驗(yàn)是一項(xiàng)主要為測試氣缸蓋墊片的可靠性而作的可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在極低的溫度下起動(dòng)并會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)加速到高轉(zhuǎn)速、高功率，這種操作導(dǎo)致燃燒室周圍的組件受到高的熱負(fù)荷沖擊。此外，因?yàn)楦咨w及機(jī)體有不同的熱傳導(dǎo)率及不同的熱擴(kuò)散率，這種沖擊試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致缸蓋及機(jī)體之間承受高的交變振動(dòng)沖擊[2]，這種缸蓋及機(jī)體之間的關(guān)聯(lián)振動(dòng)必須靠氣缸墊片來均衡以減輕振動(dòng)的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

深度冷熱沖擊試驗(yàn)主要分為加熱和冷卻兩個(gè)步驟，加熱過程是通過發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)將冷卻夜溫度加熱至115℃，持續(xù)工作一段時(shí)間使機(jī)油溫度達(dá)到125℃；冷卻過程是將制冷機(jī)制冷的-30℃的冷卻液注入熱交換器與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻液進(jìn)行熱交換，最終將發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度降至-15℃，然后再啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加熱升溫、降溫，如此往復(fù)，一熱一冷算作一個(gè)循環(huán)，一個(gè)完整的深度熱沖擊試驗(yàn)一般需要做800個(gè)循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)溫度控制圖

2 系統(tǒng)控制

2.1 試驗(yàn)程序

本次試驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求編制試驗(yàn)程序，在運(yùn)行程序的過程中主要參考冷卻液出水溫度、機(jī)油溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度這些關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)關(guān)鍵參數(shù)的條件達(dá)到目標(biāo)值，程序便會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一步。由于深度冷熱沖擊試驗(yàn)對于冷卻速率有一定的要求，因此對于不同的被測發(fā)動(dòng)機(jī)其冷卻速率也會(huì)不同，所以在運(yùn)行程序的前期，都要針對特定的發(fā)動(dòng)機(jī)對程序進(jìn)行調(diào)試以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。

2.2 溫度控制

深度冷熱沖擊試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)包括加熱升溫和冷卻降溫兩大部分，加熱升溫是靠發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中自身產(chǎn)生的熱量來完成，冷卻降溫是靠外部制冷機(jī)制冷的冷卻液與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液通過熱交換來完成，其控制溫度的原理都是通過PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。其控制原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2.3 溫度采集布點(diǎn)

深度冷熱沖擊試驗(yàn)自動(dòng)試驗(yàn)程序中有多個(gè)步驟使用的源信號為溫度值，當(dāng)系統(tǒng)檢測到源信號的值達(dá)到要求后，便會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一步，其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出水口的溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度最為重要，前者用于鑒定加熱循環(huán)是否完成，后者則用于鑒定冷卻循環(huán)是否完成。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出水溫度傳感器置于發(fā)動(dòng)機(jī)出水管管內(nèi)；發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度的測量點(diǎn)要在缸蓋或者機(jī)體的外壁，一般選在缸蓋和機(jī)體結(jié)合處的2 cm范圍內(nèi)，測量點(diǎn)不能處于缸蓋的排氣一側(cè)，因?yàn)榕艢鈧?cè)溫度較高，對于測量結(jié)果和傳感器的使用壽命都有影響。為了提高測量的準(zhǔn)確率，一般溫度測量布點(diǎn)選三個(gè)點(diǎn)以上，測量點(diǎn)選擇如圖3所示的1、2、3.

圖3 溫度測量布點(diǎn)位置圖

2.4 制冷設(shè)備的選擇

深度冷熱沖擊試驗(yàn)要求發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋表面溫度最低降至-15℃，為達(dá)到降溫目的，對于制冷設(shè)備的制冷效果有很高的要求。因此，選用了SRSB系列低溫乙二醇（鹽水）機(jī)組，其是以R404A為制冷劑，乙二醇或氯化鈉、氯化鈣為載冷劑的工業(yè)冷卻專用低溫水機(jī)組，根據(jù)用戶需要可提供-15℃～-35℃的工業(yè)冷卻水。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 機(jī)油周期檢查

要定期視覺檢查機(jī)油液位，每100個(gè)循環(huán)要更換機(jī)油，并取機(jī)油樣品，用于分析燃油稀釋物和是否有金屬粉末，所取機(jī)油樣品要遮光密封保存，避免變質(zhì)。

3.2 冷卻液的冷卻速率

深度冷熱沖擊試驗(yàn)中的冷卻循環(huán)要求冷卻液降低至一定的溫度，其不僅僅要求最終的目標(biāo)溫度要達(dá)標(biāo)，在降溫過程中對于冷卻的速率也有要求。在深度冷熱沖擊試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)需要快速冷卻，在冷卻的第一階段（預(yù)冷階段，直到出水溫度在10～30℃）冷卻速率達(dá)到每秒4～10℃；在此之后，冷卻速率會(huì)下降，0℃以下冷卻速率每秒小于0.5℃.在溫度第一次下降之后，冷卻液溫度會(huì)再次升高，之后下降會(huì)緩慢，后期需保證冷卻循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行直到發(fā)動(dòng)機(jī)溫度降下來。

冷卻速率的計(jì)算方法為溫度的冷卻差值比上完成對應(yīng)差值的時(shí)間，比如冷卻液由100℃冷卻至50℃的速率計(jì)算方法為：

100°C-50°C

time at TWO=100°C-time at TWO=50°C

即冷卻溫度的差值比上水溫在100℃的時(shí)間與水溫在50℃的時(shí)間差值。

圖4中注釋區(qū)域線條中間區(qū)域?yàn)槔鋮s液第一冷卻階段，參照上方的數(shù)據(jù)可以看出，溫度TWO的差值為：117-43=74；對應(yīng)的時(shí)間Time差值為：1 673 -1 655=18；根據(jù)冷卻速率的計(jì)算公式計(jì)算冷卻液第一階段冷卻速率==，符合試驗(yàn)要求。

圖4工作循環(huán)溫度示意圖

圖5 中注釋區(qū)域線條中間區(qū)域?yàn)槔鋮s液第二冷卻階段，參照上方的數(shù)據(jù)可以看出，溫度TWO的差值為：41-（-24）=65；對應(yīng)的時(shí)間Time差值為：2 227-1 677=550；根據(jù)冷卻速率的計(jì)算公式計(jì)算冷卻液第二階段冷卻速率==，符合試驗(yàn)要求。

圖5 工作循環(huán)溫度示意圖

3.3 性能檢測

為了驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程前后的性能變化，分別在測試開始前、測試半程和測試結(jié)束后測量三組發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功率、活塞漏氣量和活塞壓縮壓力，用于對比，如果發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)生明顯的差異，則需要重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)是否有明顯的物理變化[3]。正常情況下，運(yùn)行完800循環(huán)耐久測試的發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩都會(huì)出現(xiàn)衰退。

4 結(jié)束語

深度冷熱沖擊試驗(yàn)考核的是零部件對高低溫瞬間變化的承受能力，同時(shí)會(huì)造成溫差沖擊，熱脹冷縮等現(xiàn)象，因此對內(nèi)部的零部件都有所要求，需要關(guān)注瞬間升溫對零部件是否造成損壞，零部件冷熱沖擊后是否出現(xiàn)擠壓或者縫隙過大等情況。利用委托企業(yè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，已經(jīng)對多款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了深度冷熱沖擊試驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。本文對深度熱沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了簡要的概述，但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況惡劣、工作循環(huán)較多，要關(guān)注的問題會(huì)更多，這對于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品的開發(fā)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

[1]朱紅國，蔣習(xí)軍，鄭銀生，等.發(fā)動(dòng)機(jī)深度冷熱沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)[C].2008中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C]. 2008：4.

[2]蘇圣，胡景彥，吳豐凱，等.缸蓋冷熱沖擊低周疲勞的研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2014（01）：40-42.

[3]任宇翔，徐璐.發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)的概論與分析[J].裝備制造技術(shù)，2013（08）：179-182.

Overview of Engine Global Deep Thermal Shock Test

GUAN Yu-kun
（SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Overview of the global deep thermal shock test process，this test is primarily run to determine the durability characteristics of the engine as a result of a thermal cycling in a high percentile cold environment.Being an accelerated test，it does not duplicate customer usage，but intends to generate similar cumulative damage as would occur in the useful life of the vehicle.

engine；coolant out temperature；head metal temperature；deep thermal shock

U464

A

1672-545X（2017）03-0194-03

2016-12-21

管玉坤（1990-），男，山東菏澤人，學(xué)士，助理工程師，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)檢測。