汽车发动机冷热冲击试验系统设计

酝葬糟澡蚤灶藻则赠阅藻泽蚤早灶驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻第10期圆园19年10月汽车发动机冷热冲击试验系统设计吴飞1袁詹洁1袁李培杰1袁张希2

渊1.武汉理工大学机电工程学院袁湖北武汉430070曰2.武汉东测科技有限责任公司袁湖北武汉430056冤

摘要：发动机是汽车的核心组成部分袁其可靠性直接影响整车的安全性能遥冷热冲击试验作为衡量发动机可靠性的一

个重要方面袁历来受到各大汽车产商的重视遥为了缩短汽车发动机的开发周期尧降低开发成本袁设计了一套冷热冲击试验系统可用于快速检测发动机重要零部件的热疲劳特性遥该系统利用PLC实现了对不同标准和控制策略的灵活选择袁并且通过在管道上设立切换阀组来满足不同冷热冲击实验标准情况下液体流向和功能性选择的匹配遥最后对系统进行实物验证袁实验结果与理论相符袁证明了该冷热冲击试验系统的合理性和实用性遥关键词：发动机；冷热冲击；可靠性中图分类号：TH16

文献标识码院A

文章编号院员园园员-3997渊圆园19冤10-0162-04

TheDesignofThermalShockTestSystemforAutomobileEngine

渊1.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering袁WuhanUniversityofTechnology袁HubeiWuhan430070袁China曰

2.WuhanEastMeasuringTechnologyCo.袁Ltd袁HubeiWuhan430056袁China冤

粤遭泽贼则葬糟贼：Engineisthecorecomponentofautomobile袁whichreliabilitydirectlyaffectsthesafetyperformanceofthevehicle.Thethermalshocktestasanimportantaspecttomeasurethereliabilityofengine袁hasalwaysbeenthemajorattentionforcarmanufacturers.Inordertoshortenthedevelopmentcycleoftheengineandreducethedevelopmentcost袁asetofthermalshocktestsystemhasbeendesignedtoquicklydetectthethermalfatiguecharacteristicsforengineimportantparts.ThesystemusesPLCtoachieveaflexiblechoiceofdifferentstandardsandcontrolstrategies袁andtomeetthematchingofliquidflowandfunctionalselectionindifferentthermalshocktestconditionsbysettingupaswitchingvalvegrouponthepipeline.Conductphysicaltestafterthecompletionofsystemdesign袁theexperimentalresultsareinagreementwiththetheory袁whichprovestherationalityandpracticabilityofthesystemdesign.KeyWords院Engine曰ThermalShock曰Reliability

WUFei1袁ZHANJie1袁LIPei-jie1袁ZHANGXi2

1引言

质量考核标准要求越来越严格袁对发动机进行冷热冲击试验也显得越来越重要袁所以需要尽早开发和研制相应的试验系统遥汽车发动机冷热冲击试验系统用于测试在极端温度工况下发动机零部件的强度袁以评估发动机主要零部件的可靠性遥试验系统的成功设计在国内获得多项发明专利并且已经投产使用遥

发动机是汽车的核心单元袁温度冲击破坏是发动机零部件

热变形失效的主要形式遥而影响发动机开发周期和效率的主要因素是发动机热疲劳的考核方式遥为了缩短汽车发动机的开发周期尧降低成本袁设计一套用于快速检测发动机重要零部件热疲劳特性的冷热冲击试验系统就显得非常重要遥该冷热冲击系统可以用于发动机的研发设计阶段袁通过加速热疲劳的方式快速考核发动机缸体缸盖变形尧活塞拉缸尧汽缸垫开裂等[1]特性遥

国外袁发动机冷热冲击试验系统的开发和试验技术水平目前已经非常成熟袁以美国福特尧康明斯袁德国大众袁英国帕金斯袁日本东风本田为代表遥我国对发动机的研究仍然落后于国外先进水平遥但是随着与国外企业的技术合作交流袁并结合我国自身的行业特点袁形成了适合我国国情的试验标准规范遥随着国产发动机

2系统设计原理

个方面的设计遥

冷热冲击试验系统的设计要满足国标GBT19055-2003渊图

1冤的要求遥主要分为机械部分尧阀组切换部分和PLC控制部分3

2.1机械能力部分设计

热储能灌通过外循环热水加热发动机机体到一定温度袁满足发动机升温需求遥根据热冲击需要袁通过设计加热器可以在热冲击前将热储能灌内防冻液温度提升到需求温度遥发动机在进入

来稿日期：2019-05-27

作者简介：吴飞袁渊1973-冤袁男袁湖北武汉人袁博士研究生袁硕士生导师袁副教授袁主要研究方向院数控技术袁运动控制分析袁CAD/CAM

第10期吴飞等院汽车发动机冷热冲击试验系统设计

163

冷冲击工况时袁大量低温防冻液将已经是高温机体的发动机从30110益益需左要右带降走至的能30益量左袁从而右遥设通过定冷计储算能发罐动机内的温温度度从遥110现场益不能降能提供低到

低温冷冻水的情况下通过热交换器进行降温袁如果现场提供冷冻水袁则在系统中加入冷水机组进行降温遥冷冲击降温过程中考虑到流回冷循环的高温冷冻液直接进入到储能罐内会影响低温冷冻液温度袁因此在冷循环中加入一个混合罐将回水先进行一次混合降温后再送入冲击罐内遥

nhinpnpnptp1515ni0

360

时间渊s冤

机械能力Fig.1部Schematic图1冷分根据公Diagram热冲击规式Q=Cmof范驻Thermal示意图

T袁q=AKShock驻T等计Test

算袁包括缓存水罐容积尧系统热交换能力等核心内容袁特别是热量尧制冷平衡能力的设立遥设计条件袁如表1所示遥

表1相关参数

Tab.1RelatedParameters

600kW1kW/h耗油量

连续工时缸体重量/

材料/比热燃油低热值柴油机

165g/h1h43.kJ/g冷却液

冷冲前/后温度比热0.5443kJ/kg500g/HT200/种类

窑k密度

1150板式益/-350益2.6kJ/kg窑k

68%传乙3

热二系数

醇水溶液1118.6kg/m换热器

3000w/m2

窑k

渊1冤冷冲前发动机本体热负载渊冷却液冤容积22L袁管路热负载20L遥故发动机本体产生热量院Q40822.5kJ30%曰根据发动机全速全负1=CM驻T=19195.176曰Q2=却液被带冷却走热量液带冤院走Q袁冷冲时发动机全荷速时全燃负烧荷燃产油生的产生的能热负荷量渊约冷渊2冤储液箱作3抑用为365.8kW冷却发遥

动机冷冲前管路和缸体的热负荷

使之达到要求温度袁由于冲击实验要求温度最低达到-35益袁故储水箱储液温度为-45益遥水箱容积院LQ/K/驻T1=8.73m=渊Q1+Q2

2冤/驻T/C/籽=2060L

渊3冤系统热交换能力院A=渊4冤冷水机组中设置的缓存水罐供能能力为365.8kW袁为了避免冷水机组频繁启停造成设备损坏袁其储能能力需要满足一次试验中需要的热量袁故发热时间设定为300s渊福特标准中产生热量的时间为230s冤曰缓存水罐中的温度一般低于储液箱10益渊即缓存水罐中温度为-60益冤遥因此袁缓存水罐容积院L组切换部分设计

2=Q/驻T/C/籽=3.77m

2

2.2阀主要通过在管路上设立切换阀组袁建立系统满足不同标准时液体流向和功能性选择的匹配遥冷热冲击阀门切换设有两路循

环系统袁分别是热循环和冷循环系统遥冷热循环的实现方式袁如图

2所示遥阀组切换热冲击工况冷冲击工况冷却加液冷却冷却环热系统循制液环冷系统循加液冷却环热系统循制液环冷系统循大循环小循环小循环大循环Fig.2Realization图2冷热循高温加热循环系统及低温of环制Hot的实冷循and现方环Cold式

系统均Cycle

可由此设备实现自循环袁分别完成在高尧低温储能罐体内高低温冷却液的储存遥通过控制高尧低温切换阀组及自然升温旁通阀组中的不同气动阀门

的开闭来切换冷热循环模式遥实验标准中要求在高温和低温时有恒定温度控制袁在系统中加入比例阀控制发动机循环与热交换器的交换水量以实现恒温控制的要求遥

2.3PLC控制部分设计

控制部分采用PLC内置的PID功能精确控制冷却液温度遥传感器和比例调节阀的模拟信号输入PLC袁经RS485通讯口与控制软件联接袁通过PLC编程软件进行PID调节等遥通过对控制软件的操作可以调节防冻液温度值袁由PLC自动控制加热器的工作状态和调节接收PLC指令控制冷热循环开关比例袁达到调节控制温度的作用遥控制流程图袁如图3所示遥

冷水循环阀组切换热水循环减速显制PLC尧测控量号示输出及信阀减延载时袁水关发启动机动阀加延载时袁水开阀全开载最袁水大怠速加速高速循时环到计钥NY试验结束进行热冲击时袁根据Fig.3图PT100Control3控制流采Flow程图集温Chart

度反馈给PLC袁通过PID调节冷热阀的开度遥通过运算后袁根据设定的温度袁调节高温与冷却后防冻液温混流比例开度达到控制温度目的遥同时冷循环比例阀袁根据设定冷水罐温度调节控制冷水罐温度遥进行冷冲击时袁根据PT100采集温度反馈给PLC袁PLC跟PID运算后袁根据设定温度调节低温与冷却后防冻液温混流比例开度来达到控制温度目的遥同时热循环阀门全关闭袁PLC根据设定温度控制加热器加热遥

1

机械设计与制造

No.10Oct.2019

2.4系统总体设计

发动机冷热冲击系统原理图袁如图4所示遥包括冷却液升温循环系统尧冷却液制冷循环系统和温度控制系统尧加压泄压装置遥发动机进出水口处分别连接冷却液制冷尧升温循环系统气动切换球阀袁以及加压泄压装置遥冷却液制冷循环系统包含院气动切换球阀尧循环水泵尧储能罐体尧热交换器遥外部制冷水通过热交换器的外循环水连接口球阀进行连接遥当冷冲试验工况运行开始时袁控制器渊西门子PLC控制系统冤输出指令袁冷却液制冷循环系统运行遥冷却液将由循环水泵将储能罐体内液体输送经过热交换器尧气动切换球阀尧热交换器尧储能罐体袁完成降温循环遥冷却液升温循环系统包含院气动切换球阀尧电动比例阀门尧热交换器遥冷却液经由发动机水泵输出至气动切换球阀袁返回至发动机袁依靠发动机自身热负荷完成升温过程至限定高温值遥外部热交换能力由热交换器提供袁电动比例阀门的开度参与混合冷却后的冷却液通过将温度进行控制遥

循环水

加泄压

装压置

热冲

冷冲

循环水

西控门制系统

子PLC循环水

PC

加压泄压Fig.4装置顶Schematic图4试验系统部安装有Diagram原理加压装of图

置Test尧泄压System

装置尧压力保护装置尧液位探测装置遥加压泄压装置参与试验过程中的各个工况袁具有发动机液位保护尧报警尧压力补充尧泄放等功能遥加压泄压装置为100L左右的容器袁其顶部安装有加压装置尧泄压装置尧压力保护装置和液位探测装置遥液位探测装置用于检测加压泄压装置内部冷却液液位袁防止液位过高或过低遥加压装置将系统外压力输送至加压泄压装置内袁在不同工况下根据控制器的指示开启和关闭遥上述所有部件均安装于系统顶部遥压力保护装置时刻监控系统内部压力变化并传输信号至控制器袁控制泄压装置的工作状态来实现系统内部的压力平衡遥

冷热循环中各自都带有循环泵袁循环泵都带有一定扬程以克服管路中的阻力遥如果直接将冷热水送入发动机将影响到发动机内部循环压力袁不能真实的反映发动机内部因冷热冲击造成的影响遥在循环中加入换热器可以隔断冷热冲击对发动机的影响袁同时也可以模拟发动机在整车上的自循环的情况遥热循环在加热过程中罐体内部压力会升高袁导致热罐中冷却液因升温导致体积膨胀袁冷罐内因降温导致体积缩小遥冷热交替时袁热膨胀后的冷冻液会进入到冷罐内袁长时间交替后热罐的液位会慢慢降低袁冷罐内的液位会慢慢升高遥因此在冷热罐顶端加入平衡罐可以平衡两个罐体的压力袁使冷罐内液位升高后回到热罐内遥

3系统冷热冲击台试架验组装置采成用分离式结构袁如图5所示遥具体分为

三大部件院高温循环加热控制组件尧超低温冷循环控制组件/常温水循环控制组件尧控制转换阀门组件遥

高温控制单元Fig.5图可以Engine5发动机长期Thermal冷热冲击持续提供Shock设备90益Device

以上加热后防冻防锈液袁并对输出温度进行精度温控遥超低温冷循环包括院超低温冷水机组尧超低温水循环储水罐循环系统尧超低温控制单元和低温水循环储水罐遥可长期提供超低温水-40益袁并对输出温度进行精度温控遥高温循环尧常温循环和超低温循环可以通过切换阀门至对应的工况遥可以选择冷热冲击设备在超低温尧常温尧热冲3种状态下工作遥系统采用高压电柜和低压控制箱的分离式电柜控制袁避

免高压供电袁对低电压控制产生干扰遥

4实通过物严试控发验

动机冷却液的出水温度进行发动机冷热冲击试

验袁PLC内置的PID功能可以精确控制冷却液的温度遥采用图6的工况对某汽油机进行试验遥其中热冲及冷冲阶段分别为285秒袁怠速阶段30s袁如图6所示遥

怠速

热冲击

冷冲击

11020

100200300400500600

时间t/s

Fig.6Thermal图6冷Shock热冲击Test试验规Specification

范

发动机冷却液入口和出口布置了温度传感器袁传感器将测量的结果传至上位机控制软件袁实时监控界面袁如图7所示遥试验中发动机出尧入口冷却液温度变化曲线袁如图8所示遥

Fig.7Real-Time图7实时Monitoring监控界面

Interface

No.10Oct.2019

120100806040200

0.2

0.4

0.6

0.811.2时间咱50ms札

1.4

1.6

1.8

冷却液出入口温度

机械设计与制造

engine咱J暂.InternalCombustionEngine袁2013渊1冤院37-40.冤38.

渊ZhangHai-feng.Designofthermalshocktestbenchforvehiclediesel

入口温度出口温度

165咱2暂万青.AVL553冷热冲击试验装置改进咱J暂.轻型汽车技术袁2012渊3冤院35-渊WanQing.TheimprovementofAVL553thermalshocktestdevice咱J暂.咱3暂陶建国.PLC在发动机热冲击试验台的应用咱J暂.装备制造技术袁2001

渊2冤院16-19.

渊TaoJian-guo.TheapplicationforPLCintheenginethermalshocktestbe-咱4暂刘裕源袁霍树君.汽车可靠性试验渊一冤咱J暂.汽车技术袁2000渊4冤院40-42.

nch咱J暂.EquipmentManufacturingTechnology袁2001渊2冤院16-19.冤tiveTechnology袁2000渊4冤院40-42.冤LightVehicleTechnology袁2012渊3冤院35-38.冤

2

伊106渊LiuYu-yuan袁HuoShu-jun.Vehiclereliabilitytest渊one冤咱J暂.Automo原

试验结果表明袁发动机冷却液出尧入口温度成正相关关系袁且冷却液实际出水温度基本符合理论试验预期遥后来2年又利用该实验装置陆续进行了一些发动机的性能和可靠性验证试验袁试验结果表明前期的预想功能和效果基本可以通过本试验系统实现遥

图8冷却液出入口温度变化

Fig.8CoolantInletandOutletTemperatureChange

咱5暂田茂军袁朱红国袁黄德军.车用柴油机深度冷热冲击可靠性试验研究

咱J暂.内燃机与配件袁2015渊7冤院31-34.

渊TianMao-jun袁ZhuHong-guo袁HuangDe-jun.Experimentalstudyonthereliabilityofdeepthermalshockofdieselengine咱J暂.InternalCombu-stionEnginesandAccessories袁2015渊7冤院31-34.冤

咱6暂AlexanderTeverovsky.Thermal-shocktestingandfracturingofMLCCs

MaterialsReliability袁2012袁12渊2冤院413-419.jing院TsinghuaUniversity袁2014.冤制造袁2012渊4冤院279-281.

渊HeBo-lin袁WangBin.Researchstatusanddevelopmenttrendoffatiguefailureprediction咱J暂.MechanicalDesignandManufacture袁2012渊4冤院279-281.冤2010.

undermanual-solderingconditions咱J暂.IEEETransactionsonDeviceand

5结论

咱7暂尹伟.发动机台架系统研究开发咱D暂.北京院清华大学袁2014.

渊YinWei.Researchanddevelopmentofenginebenchsystem咱D暂.Bei原咱8暂何柏林袁王斌.疲劳失效预测的研究现状和发展趋势咱J暂.机械设计与

冷热冲击试验系统用于快速检测发动机零部件的热疲劳特

性袁通过优化设计使发动机产品达到高可靠性开发要求袁从而能够更快的投产使用遥

渊1冤该系统既可以选择国家标准也可以选择企业标准进行发动机冷热冲击试验曰可以选择冷热冲击设备在超低温尧常温尧热冲3种状态下工作遥

渊2冤通过PLC控制策略以及阀组布局实现了部件灵活尧柔性的使用袁满足了更广泛的应用袁能适应于更多的试验标准要求遥

渊3冤实物试验结果符合理论预期袁说明所设计的实验装置具有良好的实用性遥

咱9暂赵福堂.汽车发动机原理构造及电控咱M暂.北京院北京理工大学出版社袁

渊ZhaoFu-tang.AutomobileEnginePrincipleConstructionandElectri-ess袁2010.冤

calControl咱M暂.Beijing院BeijingUniversityofScienceandTechnologyPr-malshockbehaviorofaluminaceramicsforenginecomponents咱J暂.Am-ericanInstituteofPhysicsInc袁2004袁95渊3冤院1042-1049.

咱10暂Li袁Bin-cheng袁Mandelis袁Andreas.Photothermalinvestigationofthether-

参考文献

咱1暂章海峰.车用柴油机热冲击试验台的设计咱J暂.内燃机袁2013渊1冤院37-40.

（上接第161页）

咱5暂刘昊知.基于人工智能的注塑成型不良分析软件研发咱D暂.广州院华南

理工大学袁2010.

渊LiuHao-zhi.Asoftwarebasedonartificialintelligenceforanalysisofinjection-moldedfaults咱D暂.Guangzhou院SouthChinaUniversityofTec-hnology袁2010.冤

咱6暂YinF袁MaoHJ袁HuaL.Backpropagationneuralnetworkmodelingfor

warpagepredictionandoptimizationofplasticproductsduringinjectionmolding咱J暂.Materials&Design袁2011袁32渊4冤院1844-1850.

咱7暂WcChen袁GlFu袁PhTai袁WjDeng.Anintegratedparameteroptimization

systemforMIMOplasticinjectionmoldingusingsoftcomputing咱J暂.InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology袁2014袁73渊9-12冤院1465-1474.

咱8暂ChenWC袁KurniawanD.Processparametersoptimizationformultiple

qualitycharacteristicsinplasticinjectionmoldingusingtaguchimethod袁BPNN袁GA袁andhybridPSO-GA咱J暂.InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing袁2014袁15渊8冤院1583-1593.咱9暂ZhaoJ袁ChengG.Aninnovativesurrogate-basedsearchingmethodfor

reducingwarpageandcycletimeininjectionmolding咱J暂.Advancesin

咱

PolymerTechnology袁2016袁35渊3冤院288-297.

10暂欧志华.硅胶快速模具真空注型过程CAE分析咱D暂.天津院天津大学袁

2008.

渊OuZhi-hua.CAEAnalysisoftheProcessingofVacuumCastingforRapidTooling咱D暂.Tianjin院TianjinUniversity袁2008.冤

11暂张海光袁胡庆夕袁刘媛媛.差压式真空注型过程仿真及工艺参数优化咱J暂.制造业自动化袁2012袁34渊2冤院51-52.

渊ZhangHai-guang袁HuQing-xi袁LiuYuan-yuan.SimulationandprocessparameteroptimizationofdifferentiaIpressurevacuumcasting咱J暂.ManufacturingAutomation袁2012袁34渊2冤院51-52.冤

12暂HilderbrandT袁RuegseggerP.Anewmethodforthemodel-independent

assessmentofthicknessinthree-dimensionalimages咱J暂.Journalofmic-roscopy袁1997袁185渊1冤院67-75.

13暂张海光袁张壮雅袁万福平.基于熵权与响应面模型的DPVC工艺多目

标优化研究咱J暂.计算机集成制造系统袁2014袁8渊20冤院1887-15.

渊ZhangHai-guang袁ZhangZhuang-ya袁WanFu-ping.Multi-objectiveoptimizationforDPVCprocessonentropy-weightandRSM咱J暂.Compu-terIntegratedManufacturingSystems袁2014袁8渊20冤院1887-15.冤

咱

咱

咱