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摘 要：发动机冷水机组台架[1]主要用于进行内燃机深度冷热冲击试验，因能耗高、冷却能力有限导致效率低下一直是行业痛点。文对内燃机典型深度冷热冲击试验工况及试验过程中存在的发动机冷浸时间过长问题进行研究，对设备进行微小改进，通过试验验证发现效率有显著提升。
关键词：台架 深度冷热冲击试验 试验工况 冷浸时间 试验验证
Research and practice on efficiency improvement method of chiller dyno equipment
Luo Fusheng Zou Shichen
Abstract：Engine chiller dyno is mainly used for deep thermal shock test of internal combustion engine. Low efficiency has always been a pain point in the industry due to high energy consumption and limited cooling capacity. This paper analysis the typical deep thermal shock test profile of internal combustion engine and the challenge of long cold soak time in the test process， and makes small improvements to the equipment. Through test verification， it is found that the efficiency is significantly improved.
Key words：Dyno ， Deep thermal shock test ， Test profile， Cold soak time， Test verification
1 前言
发动机台架耐久试验是发动机开发的最主要手段，主要包括高周疲劳试验、深度冷热冲击试验[2]和模拟顾客道路使用循环试验。试验目的是在冷冻使用环境下考核发动机的冷热交替条件下产生的低周疲劳，重点考核发动机缸体、缸盖、气缸垫及发动机相关的密封系统（润滑及冷却系统）在以上条件产生的交变应力可能产生的失效[2-4]。台架借助冷水机组对发动机进行冷冻，见图1。冷水机组依靠消耗以电能为主的其它形式的能量进行制冷，发动机需要冷冻到试验要求的温度进行试验，消耗尽可能少的能量使发动机尽快冷冻到目标温度是努力的方向。
2 典型试验工况
该试验包含冷冻阶段、冷启动运行至最大扭矩点、功率点和热浸4个阶段。工况如图2。
冷冻阶段：发动机停机，将冷却管路回路切换到冷水机组设备回路。使用外部冷却液泵，用规定温度的冷却液冲洗发动机。冷却系统压力可能在0转/分钟（rpm）期间下降。打开外部油冷却器。油底壳温度应达到要求温度-25℃±5℃（-13°F±9°F）。浸泡15分鐘左右，以发动机达到目标冷冻温度为准。记录冷却液温度、油底壳机油温度等数据。
冷启动运行至最大扭矩点：继续制冷回路。启动发动机。发动机运行至最大扭矩转速和满负荷。按此速度运行1分钟记录数据，切换到旁路回路40秒（大约）进入这个工况。
功率点：30秒（大约）过渡工况，发动机从最大扭矩切换到最大功率转速满负荷运行发动机，直到冷却液温度达到基础冷却塔回路的温度，然后切换到基础冷却塔回路。在满负荷最大功率下继续运行，直到冷却液温度达到110℃（230°F）的目标温度（该温度仅供参考，以产品最高设计温度为准），不超过10分钟。然后保持负载和速度3分钟，当冷却剂温度稳定在110±2℃（230±4°F）。油温应稳定在132±3℃（270±5°F）。记录数据。
热浸阶段：测试循环完毕后，应立即关闭发动机和试验室台架风扇。让发动机在没有冷却液流动的情况下浸泡6分钟。按程序记录数据，试验工况如表1。
通过试验工况[5]的分析，不难发现，该试验有1/3的时间是在冷冻，如何降低冷水机组能耗、缩短发动机冷冻时间成为提高试验效率，缩短试验开发周期的关键。
3 冷水机组台架设备及存在问题
冷冻阶段发动机停机时冷浸时，水泵1和水泵4开启、电磁阀2和电磁阀5开启，超低温罐里的防冻液进入发动机冷浸;发动机冷启动后电磁阀2关闭、电磁阀1和水泵1开启，发动机启动、怠速、扭矩点并运行至功率点，发动机出水口和进水口短接，借助发动机自身热量暖机至最高设计温度;热冲击及热浸时发动机稳定在功率点，水泵3和水泵1开启、电磁阀2和电磁阀4开启，发动机和热罐相连接，此时稳定在最高设计温度运行。此外当完成一个循环进入到下一个耐久循环时需要热冲击切换冷浸控制进出水罐由热罐切换到超低温温罐，关闭电磁阀4，并同时开启电磁阀5。台架冷水机组设备管路连接如图3。
通过试验经验及台架设备管路连接情况发现热冲击切换冷浸工况会使得电磁阀和发动机间管路内以及发动机水套里的大量高温防冻液进入到超低温罐，由于超低温罐的容积较小、冷水机组制冷速率有限，使得超低温罐里的防冻液温度急剧上升并需要很长时间才能再次冷却下来，同时冷水机组由于一直处于满负荷工作状态，经常出现冷水机组故障维修导致试验中断。
4 改进方案
常温防冻液通过环境温或者自来水度进行热交换即可获得，不需要加热丝加热，也不需要冷水机组冷却，成本低廉。热冲击工况完成进入冷浸工况时，先用常温罐里的冷却液将发动机冷却至接近常温，带走大部分热量，再用超低温罐进行冷却，大大提高超低温罐里防冻液的冷却效率，节省了冷浸时间。此外，研究发现防冻液从电磁阀4出来经过水泵1、流量计、发动机等再回到电磁阀5需要15s左右。由热罐切换到常温罐时，先关闭电磁阀4，打开电磁阀7，过15s再关闭电磁阀5，管道和发动机内的高温防冻液能大部分回到热罐。当冷却液温度接近常温时，在切换到超低温罐进行冷浸。设备改进台架冷水机组设备管路连接如图4。
5 改进效果验证
通过台架传感器（热电偶温度传感器）通道采集记录发动机冷却液温度随时间变化的关系并绘制图表。通过图表分析发现在其它条件（发动机机型、冷却液管路长度及管径、冷水机组加热丝状态等）相同的情况下，架数据发现改造后每个循环的冷冻至目标温度所需时间可以节省约850秒，如图5。效果显著。
冷冻时间的缩短节省了冷水机组的制冷量，冷水机组“负担”减轻后不易出故障，台架设备能持续工作、试验能够顺利进行;同时还缩短了每个循环冷浸阶段的时间，使整个耐久时间缩短，提高了试验开发效率，降低试验成本。
参考文献：
[1]曹琦，张华 计算部分负荷性能参数正确选择冷水机组[J]，1996，（6）：58—60.
[2]苏圣，胡景彦，吴丰凯，等.缸盖冷热冲击低周疲劳的研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2014（01）：40-42.
[3]刘裕源，霍树君.汽车可靠性试验[M]. 汽车技术，2000，（2），38-40.
[4]胡君，魏厚敏，蒋习军，等.发动机可靠性试验方法及研究[J]，内燃机，2009（1）：43-45.
[5]任宇翔，徐璐. 发动机性能试验的概论与分析[J]. 装备制造技术，2013（08）：179-182.
关键词：台架 深度冷热冲击试验 试验工况 冷浸时间 试验验证
Research and practice on efficiency improvement method of chiller dyno equipment
Luo Fusheng Zou Shichen
Abstract：Engine chiller dyno is mainly used for deep thermal shock test of internal combustion engine. Low efficiency has always been a pain point in the industry due to high energy consumption and limited cooling capacity. This paper analysis the typical deep thermal shock test profile of internal combustion engine and the challenge of long cold soak time in the test process， and makes small improvements to the equipment. Through test verification， it is found that the efficiency is significantly improved.
Key words：Dyno ， Deep thermal shock test ， Test profile， Cold soak time， Test verification
1 前言
发动机台架耐久试验是发动机开发的最主要手段，主要包括高周疲劳试验、深度冷热冲击试验[2]和模拟顾客道路使用循环试验。试验目的是在冷冻使用环境下考核发动机的冷热交替条件下产生的低周疲劳，重点考核发动机缸体、缸盖、气缸垫及发动机相关的密封系统（润滑及冷却系统）在以上条件产生的交变应力可能产生的失效[2-4]。台架借助冷水机组对发动机进行冷冻，见图1。冷水机组依靠消耗以电能为主的其它形式的能量进行制冷，发动机需要冷冻到试验要求的温度进行试验，消耗尽可能少的能量使发动机尽快冷冻到目标温度是努力的方向。
2 典型试验工况
该试验包含冷冻阶段、冷启动运行至最大扭矩点、功率点和热浸4个阶段。工况如图2。
冷冻阶段：发动机停机，将冷却管路回路切换到冷水机组设备回路。使用外部冷却液泵，用规定温度的冷却液冲洗发动机。冷却系统压力可能在0转/分钟（rpm）期间下降。打开外部油冷却器。油底壳温度应达到要求温度-25℃±5℃（-13°F±9°F）。浸泡15分鐘左右，以发动机达到目标冷冻温度为准。记录冷却液温度、油底壳机油温度等数据。
冷启动运行至最大扭矩点：继续制冷回路。启动发动机。发动机运行至最大扭矩转速和满负荷。按此速度运行1分钟记录数据，切换到旁路回路40秒（大约）进入这个工况。
功率点：30秒（大约）过渡工况，发动机从最大扭矩切换到最大功率转速满负荷运行发动机，直到冷却液温度达到基础冷却塔回路的温度，然后切换到基础冷却塔回路。在满负荷最大功率下继续运行，直到冷却液温度达到110℃（230°F）的目标温度（该温度仅供参考，以产品最高设计温度为准），不超过10分钟。然后保持负载和速度3分钟，当冷却剂温度稳定在110±2℃（230±4°F）。油温应稳定在132±3℃（270±5°F）。记录数据。
热浸阶段：测试循环完毕后，应立即关闭发动机和试验室台架风扇。让发动机在没有冷却液流动的情况下浸泡6分钟。按程序记录数据，试验工况如表1。
通过试验工况[5]的分析，不难发现，该试验有1/3的时间是在冷冻，如何降低冷水机组能耗、缩短发动机冷冻时间成为提高试验效率，缩短试验开发周期的关键。
3 冷水机组台架设备及存在问题
冷冻阶段发动机停机时冷浸时，水泵1和水泵4开启、电磁阀2和电磁阀5开启，超低温罐里的防冻液进入发动机冷浸;发动机冷启动后电磁阀2关闭、电磁阀1和水泵1开启，发动机启动、怠速、扭矩点并运行至功率点，发动机出水口和进水口短接，借助发动机自身热量暖机至最高设计温度;热冲击及热浸时发动机稳定在功率点，水泵3和水泵1开启、电磁阀2和电磁阀4开启，发动机和热罐相连接，此时稳定在最高设计温度运行。此外当完成一个循环进入到下一个耐久循环时需要热冲击切换冷浸控制进出水罐由热罐切换到超低温温罐，关闭电磁阀4，并同时开启电磁阀5。台架冷水机组设备管路连接如图3。
通过试验经验及台架设备管路连接情况发现热冲击切换冷浸工况会使得电磁阀和发动机间管路内以及发动机水套里的大量高温防冻液进入到超低温罐，由于超低温罐的容积较小、冷水机组制冷速率有限，使得超低温罐里的防冻液温度急剧上升并需要很长时间才能再次冷却下来，同时冷水机组由于一直处于满负荷工作状态，经常出现冷水机组故障维修导致试验中断。
4 改进方案
常温防冻液通过环境温或者自来水度进行热交换即可获得，不需要加热丝加热，也不需要冷水机组冷却，成本低廉。热冲击工况完成进入冷浸工况时，先用常温罐里的冷却液将发动机冷却至接近常温，带走大部分热量，再用超低温罐进行冷却，大大提高超低温罐里防冻液的冷却效率，节省了冷浸时间。此外，研究发现防冻液从电磁阀4出来经过水泵1、流量计、发动机等再回到电磁阀5需要15s左右。由热罐切换到常温罐时，先关闭电磁阀4，打开电磁阀7，过15s再关闭电磁阀5，管道和发动机内的高温防冻液能大部分回到热罐。当冷却液温度接近常温时，在切换到超低温罐进行冷浸。设备改进台架冷水机组设备管路连接如图4。
5 改进效果验证
通过台架传感器（热电偶温度传感器）通道采集记录发动机冷却液温度随时间变化的关系并绘制图表。通过图表分析发现在其它条件（发动机机型、冷却液管路长度及管径、冷水机组加热丝状态等）相同的情况下，架数据发现改造后每个循环的冷冻至目标温度所需时间可以节省约850秒，如图5。效果显著。
冷冻时间的缩短节省了冷水机组的制冷量，冷水机组“负担”减轻后不易出故障，台架设备能持续工作、试验能够顺利进行;同时还缩短了每个循环冷浸阶段的时间，使整个耐久时间缩短，提高了试验开发效率，降低试验成本。
参考文献：
[1]曹琦，张华 计算部分负荷性能参数正确选择冷水机组[J]，1996，（6）：58—60.
[2]苏圣，胡景彦，吴丰凯，等.缸盖冷热冲击低周疲劳的研究[J]. 拖拉机与农用运输车，2014（01）：40-42.
[3]刘裕源，霍树君.汽车可靠性试验[M]. 汽车技术，2000，（2），38-40.
[4]胡君，魏厚敏，蒋习军，等.发动机可靠性试验方法及研究[J]，内燃机，2009（1）：43-45.
[5]任宇翔，徐璐. 发动机性能试验的概论与分析[J]. 装备制造技术，2013（08）：179-182.