發(fā)動機試驗臺架閉式循環(huán)水系統(tǒng)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(yè)生產(chǎn)常用的閉式循環(huán)冷卻設(shè)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(zhì)將工藝介質(zhì)冷卻到所需溫度的設(shè)備[1]。發(fā)動機出廠試驗為發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵過程，其中防凍液的溫度對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性能和使用性能均有較大影響。在發(fā)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(jù)發(fā)動機試驗的工藝特點，對發(fā)動機試驗臺架冷卻系統(tǒng)工藝進行研究及性能改造。

1 發(fā)動機試驗過程冷卻系統(tǒng)問題

發(fā)動機出廠試驗為發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵過程，試驗過程中發(fā)動機溫度、冷卻水水質(zhì)、過濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)降溫方式、溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)、自動控制系統(tǒng)等均為發(fā)動機出廠試驗的關(guān)鍵設(shè)備部件。

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是一項常見而且非常重要的公用工程系統(tǒng)[2]，傳統(tǒng)的冷卻方式為敞開式冷卻系統(tǒng)，循環(huán)介質(zhì)是自來水，通過循環(huán)管路在發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)實現(xiàn)發(fā)動機試驗過程降溫，試驗結(jié)束后放出發(fā)動機內(nèi)部自來水（圖1）。這種作業(yè)方式存在因自來水長期循環(huán)使用，導致內(nèi)部殘留冷卻水與雜質(zhì)。

圖1 敞開式冷卻系統(tǒng)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(huán)到試驗臺架，長期使用導致水質(zhì)污物，內(nèi)部雜質(zhì)含量增加。發(fā)動機試驗臺架內(nèi)部，安裝混合水箱，混合水箱通過室外循環(huán)水進行補水（圖2）。發(fā)動機內(nèi)部冷卻水通過混合水箱→水管→發(fā)動機→水管→混合水箱，進行循環(huán)降溫，通過手動開關(guān)補水閥門調(diào)節(jié)發(fā)動機試驗過程的溫度，無法實現(xiàn)發(fā)動機溫度自動控制。冷卻水在發(fā)動機循環(huán)過程中無過濾裝置，導致內(nèi)部雜質(zhì)無法過濾，試驗結(jié)束后雜質(zhì)殘留在發(fā)動機內(nèi)部，成為發(fā)動機質(zhì)量隱患。

圖2 混合水箱

由于冷卻系統(tǒng)和試驗臺架的控制系統(tǒng)缺少聯(lián)動控制，為保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高冷卻系統(tǒng)的準確性和自動化水平，因此研究設(shè)計發(fā)動機閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)與聯(lián)動控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機試驗臺架冷卻系統(tǒng)與溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)等多種載體的綜合應用。本文主要闡述在發(fā)動機試驗臺架冷卻系統(tǒng)相關(guān)工作原理及各組成結(jié)構(gòu)的功能和特點，并結(jié)合產(chǎn)品性能實施整體改造。

2 防凍液供給系統(tǒng)技術(shù)

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

2.1 防凍液供液系統(tǒng)（圖3）

圖3 防凍液供給系統(tǒng)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(tǒng)等部件組成。高位液相設(shè)置液位顯示，設(shè)置高位停泵、溢流報警控制系統(tǒng)。

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(cè)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?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

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(nèi)部液體供給到高位防凍液箱內(nèi)部，該機組采用一備一用2 臺水泵設(shè)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(cè)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?shù)娇刂葡到y(tǒng)。

2.5 防凍液控制系統(tǒng)

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

3 發(fā)動機防凍液溫度控制系統(tǒng)技術(shù)

發(fā)動機防凍液溫度高低對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放性能和使用性能均有較大的影響。在發(fā)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(tǒng)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(fā)動機試驗前自動加注功能、試驗時自動溫控功能和試驗結(jié)束后防凍液自動回收功能（圖7）。

圖7 防凍液系統(tǒng)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(nèi)部的防凍液。當試驗臺架內(nèi)部有發(fā)動機時，加注回收單元內(nèi)部防凍液供到發(fā)動機與循環(huán)管路中；發(fā)動機試驗結(jié)束后，將發(fā)動機與循環(huán)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(fā)動機試驗過程中對循環(huán)管路中的防凍液溫度進行調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)閉式循環(huán)系統(tǒng)中冷卻水與防凍液進入板式換熱器的流量，實現(xiàn)內(nèi)外循環(huán)熱量交換，帶走發(fā)動機防凍液熱量，達到溫度調(diào)節(jié)的目的。

3.3 系統(tǒng)工作原理（圖10）

圖10 發(fā)動機防凍液溫度控制系統(tǒng)工作原理

采用交換閉式循環(huán)原理，將發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)水的熱量通過外部循環(huán)水帶走，通過控制系統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電動比例三通調(diào)節(jié)閥的開度，控制冷水和熱防凍液的比例流量，以控制發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)防凍液的進出溫度，確保進出溫度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。

當檢測到發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)防凍液出水溫度大于設(shè)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(nèi)部循環(huán)防凍液溫度的上升。當檢測到發(fā)動機循環(huán)防凍液出水溫度小于設(shè)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(fā)動機循環(huán)出水溫度上升，在調(diào)節(jié)閥和發(fā)動機的交替作用下，確保溫度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。

功能目標主要有3 個：①發(fā)動機試驗前，向發(fā)動機及防凍液溫控設(shè)備自動補液；②發(fā)動機試驗時，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機防凍液的溫度；③發(fā)動機試驗后，通過系統(tǒng)的自動抽防凍液、吹防凍液功能自動回收發(fā)動機內(nèi)的防凍液。

3.4 溫度控制原理

CV1 關(guān)閉，CV2 打開，CV3 打開，CV5 狀態(tài)“2”，CV6 狀態(tài)“1”，通過溫度PID 調(diào)節(jié)器作用控制調(diào)節(jié)閥CV4，根據(jù)溫度反饋情況自動控制閥的開閉和開度大小調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)冷水與熱防凍液的流量比例，調(diào)節(jié)溫控器的比例、積分、微分的值，保證控制系統(tǒng)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(jié)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(guān)閉，CV5、CV6 切換至狀態(tài)“2”，打開氣動隔膜泵P1 的氣路使泵運轉(zhuǎn)，將發(fā)動機內(nèi)及相應管路內(nèi)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(guān)閉CV2，向CV1 中通入0.2 MPa 壓縮空氣，將發(fā)動機內(nèi)未抽吸完全的防凍液吹至儲液箱，完成后CV1 關(guān)閉，CV2 打開，CV3 打開，CV5 狀態(tài)“2”，CV6 狀態(tài)“1”。

4 防凍液過濾系統(tǒng)改造

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

在發(fā)動機試驗過程中殘留雜質(zhì)帶入防凍液中，因循環(huán)使用造成雜質(zhì)含量越來越多，為解決防凍液內(nèi)部雜質(zhì)問題，對閉式循環(huán)水系統(tǒng)增加過濾系統(tǒng)，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(fā)動機試驗前，向發(fā)動機及防凍液溫控設(shè)備補液時對防凍進行過濾；HT-80AMP 型過濾器主要用于發(fā)動機試驗過程中對防凍液的循環(huán)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(fā)動機試驗后，通過系統(tǒng)的自動抽防凍液、吹防凍液功能，自動回收發(fā)動機內(nèi)的防凍液時對防凍液進行過濾。

圖11 過濾系統(tǒng)組成

5 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

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

圖12 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)原理

5.1 工作原理

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)采用開放式風冷技術(shù)，水池容量為1785 m3，循環(huán)水量為1120 m3/h，冷卻設(shè)備為板式換熱器，工作過程為：儲水池→水泵機組→循環(huán)管路→發(fā)動機防凍液溫度控制系統(tǒng)→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(shè)計改造冷卻塔自動控制系統(tǒng)，通過在冷卻塔回水管路上加裝溫度監(jiān)測傳感器，在控制系統(tǒng)中增加溫度控制儀，實現(xiàn)冷卻水溫度實施檢測，根據(jù)設(shè)定溫度自動開、關(guān)換熱風扇，實現(xiàn)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(tǒng)

閉式循環(huán)水系統(tǒng)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(xiàn)液位測量功能。在控制室與車間內(nèi)部分別安裝智能單光柱測控儀，實現(xiàn)液位顯示與報警液位設(shè)定功能。內(nèi)部安裝聲光報警器，當儲水池液位達到設(shè)定值時進行聲光報警，提醒操作人員進行相應處理，實現(xiàn)實時監(jiān)控儲水池液位情況，水池液位自動控制。

6 發(fā)動機試驗臺架改造

發(fā)動機試驗臺架是為各類發(fā)動機臺架試驗設(shè)計的專用設(shè)備，與各種型號的測功器配套使用，自動測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗和多路溫度、壓力等參數(shù)，采用計算機技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)動機各種試驗工況的自動控制（圖14）。因閉式循環(huán)水系統(tǒng)與發(fā)動機試驗臺架是2 套獨立系統(tǒng)，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(fā)動機試驗臺架模擬

（1）硬件改造：①將閉式循環(huán)水系統(tǒng)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(guān)更換為感應式磁性開關(guān)；③將液位上、下限信號連接到閉式循環(huán)水系統(tǒng)，同時連接到PGD 電柜內(nèi)部PLC。

（2）軟件改造（圖15）：修改PGD 電柜PLC 控制程序：①實現(xiàn)閉式循環(huán)水系統(tǒng)供液開關(guān)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(fā)動機啟動條件；②發(fā)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(xù)10 s（持續(xù)時間可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整）→PLC 輸出發(fā)動機停機信號→執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行發(fā)動機停機。

圖15 PLC 防錯程序（局部截圖）

7 總結(jié)

閉式循環(huán)水系統(tǒng)在發(fā)動機出廠試驗過程中發(fā)揮重要作用，該技術(shù)復雜、難度大、創(chuàng)新性強，利用PLC 編程、液位檢測、溫度監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、變頻器等技術(shù)，對系統(tǒng)進行性能改造，為提升發(fā)動機的試驗過程提供了重要的監(jiān)控手段，實現(xiàn)防凍液供給系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、發(fā)動機試驗臺架的數(shù)據(jù)傳輸和信號交互，提高發(fā)動機性能指標。

此項目的研究和改造，提高生產(chǎn)效率40%，各項參數(shù)更加精確，性能更加可靠；且防凍液循環(huán)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(zhì)量隱患。