冷热冲击装置在发动机可靠性试验中的应用

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冷热冲击装置在发动机可靠性试验中的应用
东风汽车工程研究院---张晓林老师

—GB/T19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》标准的实现
一、概述
发动机冷热冲击试验装置是根据GB/T19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》中冷热冲击试验项目要求而设计的。它与发动机自动试验系统配套，通过对发动机的出水温度、转速、油门、负荷、点火回路、起动回路、温控阀等参数的控制，从而完成：额定工况®低怠速®停机®起动®高怠速各工况间的转换，实现了发动机冷热冲击试验的全部过程。

二、技术条件和技术要求
冷热冲击试验规范见图1及表1，表中工况1到2、2到3的转换在5 s以内完成；工况3到4、4到1的转换在15 s以内完成，均匀地改变转速及负荷。每循环历时6 min，不同最大总质量汽车用发动机运行时间见表2。
   n   r/min                             nhi
                nP                                 nP              nP                                            
  发                                                                     
  动                                                                           
  机                                                                           
  转                                                                          
  速              
1　                   tp              15    15                                                         
                 
                                  ni   
                                      n=0                                    t           
    0                                                                                                                     
                          360                              时   间   s   
                                                                        
                                                                                      
图6  冷热冲击试验规范示意图（实线表示油门全开）


表4 冷热冲击试验规范
工况序号 转  速 负   荷 冷却水出口温度(K) 工况时间(s)
1（热） 最大净功率的转速(nP) 油门全开 378±2 a/385±2 b tP c
2 怠   速(ni) 0 自然上升 15  
3 0 0 自然上升 15  
4（冷） 最大净功率的转速(nP)或高怠速(nhi) 0 降至311  360-tP-15-15
a 散热器盖在绝对压力150 kPa放气时，冷却水温升至378 K ± 2 K，或按发动机制造厂的规定；
b 散热器盖在绝对压力190 kPa放气时，冷却水温升至385 K ± 2 K，或按发动机制造厂的规定；
c tP系发动机自行加热至规定温度所需的时间，应在120 s至210 s之间 。


三、基本原理
1、热循环试验装置采用半封闭形式。热循环工况时系统是封闭的，水套内部可随温度的升高建立起压力， 如选用的是190Kpa的水箱盖，水温可以达到125℃；冷循环工况系统是开放的，水套与大气连通，水套内的热水全部排出，冷水大量冲入，快速降温。
2、热循环工况时EV1电磁阀开启，其它电磁阀、水泵全部关闭，发动机水系统形成小循环，水套内的温度快速上升，达到工况水温要求。
3、冷循环工况时EV2电磁阀开启，水泵运转，EV1和其他电磁阀关闭，水箱内冷水充进发动机水套，发动机水系统形成大循环，水套内的温度快速下降，此时发动机水系统还是封闭状态。当水套内的温度下降到100℃以下时（约3～8秒钟），EV3、EV4开启，大量外循环冷水充入发动机水套，形成开放式水循环，发动机水温按试验标准要求降至38℃。
4、发动机水系统在怠速和停机工况时，水温上升很快，此时不用担心。当水温超过工况规定值时，水箱盖会自动打开，一部分水在高温下转化为蒸汽带走热量，水温会稳定在允许的温度下。
5、因为试验工况要涉及到测功机、油门的控制，如果另外设计控制设备将增加试验成本和复杂程度。因此在我们的台架控制系统中不仅具有转速、油门等一般试验参数的控制、测量及条件控制设置，同时具有冷热冲击试验的程序控制和参数设置（也包括其他混合、交变负荷试验程序的设置）。
6、冷热冲击试验的每一工况循环都有停机再起动，频繁的起动工况对起动机的损坏很严重。因此冷热冲击试验配有大功率点火起动电源，点火起动电源与台架的连接只有两对触点（点火、起动），电源本身带有冷热冲击试验要求的保护功能。
7、冷热冲击装置原理图
系统组成包括：  高温电磁阀， 连接软管， 高温循环水泵，手动球阀，镀锌水管，支架，电路控制盒，
四、注意事项:
1、  热循环试验中的满负荷工况是通过台架工况控制器上的设定电位器来进行调节。
2、  油门控制器和工况控制器均设置在内控状态。
3、  试验中，停机工况后，发动机出水温度可达到121℃，此时由于特殊原因，温度不能达到该值，这时可以按试验标准停满15秒，即可进入下一工况。
4、  热循环试验在六分钟内完成一个循环，实现此过程是通过4个电磁阀EV1、EV2、EV3、EV4来实现对水温的控制。
5、  升温时: EV2、.EV3 、EV4关闭，EV1打开，实现发动机内小循环，温升较快。
6、  降温时：EV2、EV3、EV4打开，EV1关闭，使得发动机内的水经过冷却水箱进行强制冷却，实现发动机冷却水的大循环，这样可使水温迅速下降。为了减少内循环水高温气化，EV3、EV4电磁阀滞后EV2电磁阀3～8秒开启。
7、  注意：热循环工况时严禁人员进入发动机工作区！！
8、  热循环工况的升温是靠发动机运转产生的热量，不需要外部提供加热。
9、  发动机工况从全速全负荷变化到怠速和停机，发动机自身的热量仍可以将发动机冷却水温升高至121℃（水套内压≥150kpa）。
10、对于半封闭的冷热冲击装置，在冷循环工况开始时，应先靠闭式内循环水箱的水量将水温降至98℃以下，然后开启外管路供水冷却，使水温降至38－45℃。此时外管路供水水温应低于30℃，调节外管路水量可以调整整个试验工况的运行时间，以保证整个工况时间在6分钟。
11、对于全封闭的冷热冲击装置，外管路冷却循环水水温应低于10 ℃。
12、在试验过程中发动机内循环的冷却水有所损失，冷热冲击装置上装有液位报警器，当液位低于液位时控制箱出现声光报警，按下补水按钮（台架设有自动补水程序），补水电磁阀打开，补足冷却水（补水水压≥200kPa）。

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冷热冲击装置在发动机可靠性试验中扮演着至关重要的角色。该装置主要用于模拟发动机在不同温度环境下的运行状态，以测试其在极端条件下的性能表现及可靠性。通过冷热冲击，可以检验发动机材料的热稳定性、机械部件的耐久性以及控制系统的稳定性。此外，冷热冲击装置还能帮助发现潜在的设计缺陷，为优化发动机性能提供有力支持。因此，在发动机研发过程中，冷热冲击试验是不可或缺的重要环节。