发动机试验台架闭式循环水系统的研究应用
吴连伟，张世军，栾建伟，张 健，曹长顺
（潍柴动力股份有限公司一号工厂，山东潍坊 261061）
工业生产常用的闭式循环冷却设备有空冷器及闭式冷却塔，空冷器是利用空气作为冷却介质将工艺介质冷却到所需温度的设备[1]。发动机出厂试验为发动机产品质量的关键过程，其中防冻液的温度对发动机的动力性、经济性、排放性能和使用性能均有较大影响。在发动机台架试验时，控制好防冻液的温度等试验边界条件，将有效提升性能指标。本文根据发动机试验的工艺特点，对发动机试验台架冷却系统工艺进行研究及性能改造。
发动机出厂试验为发动机产品质量的关键过程，试验过程中发动机温度、冷却水水质、过滤系统、冷却系统降温方式、温度调节执行机构、自动控制系统等均为发动机出厂试验的关键设备部件。
循环冷却水系统是一项常见而且非常重要的公用工程系统[2]，传统的冷却方式为敞开式冷却系统，循环介质是自来水，通过循环管路在发动机内部循环实现发动机试验过程降温，试验结束后放出发动机内部自来水（图1）。这种作业方式存在因自来水长期循环使用，导致内部残留冷却水与杂质。
图1 敞开式冷却系统原理
冷却水水池布置在室外，为开口式露天水池，补水方式为手动补充自来水，通过水泵、管道循环到试验台架，长期使用导致水质污物，内部杂质含量增加。发动机试验台架内部，安装混合水箱，混合水箱通过室外循环水进行补水（图2）。发动机内部冷却水通过混合水箱→水管→发动机→水管→混合水箱，进行循环降温，通过手动开关补水阀门调节发动机试验过程的温度，无法实现发动机温度自动控制。冷却水在发动机循环过程中无过滤装置，导致内部杂质无法过滤，试验结束后杂质残留在发动机内部，成为发动机质量隐患。
图2 混合水箱
由于冷却系统和试验台架的控制系统缺少联动控制，为保障产品质量，提高冷却系统的准确性和自动化水平，因此研究设计发动机闭式循环水冷却系统与联动控制技术，实现发动机试验台架冷却系统与温度调节系统、过滤系统等多种载体的综合应用。本文主要阐述在发动机试验台架冷却系统相关工作原理及各组成结构的功能和特点，并结合产品性能实施整体改造。
防冻液主要用于替代自来水在发动机内部循环，对发动机试验过程进行降温，确保发动机试验过程中各项指标、参数合格，保障发动机在模拟工况下正常运转。
2.1 防冻液供液系统（图3）
图3 防冻液供给系统原理
主要由低位液箱→供液管路→水泵机组→高位防冻液箱→水表→试验台架水箱、控制系统等部件组成。高位液相设置液位显示，设置高位停泵、溢流报警控制系统。
2.2 低位防冻液箱（图4）
图4 低位防冻液箱
主要用于防冻液的补液存储，同时用于对高位水箱进行供给，采用组合式不锈钢板水箱，有效容积V=4 m3。低位防冻液箱运行重量为4500 kg，水箱侧面安装有磁翻板液位计，用于目视观察液位情况。同时安装液位变送器，用于将液位情况传输到控制系统。
2.3 水泵机组（图5）
图5 水泵机组原理
用于将低位防冻液箱内部液体供给到高位防冻液箱内部，该机组采用一备一用2 台水泵设计方式，便于日常维护与故障维修。
2.4 高位防冻液箱（图6）
图6 高位防冻液箱
主要用于试验台架防冻液供给，采用组合式不锈钢板水箱，高位水箱有效容积V=3 m3。高位防冻液箱运行重量为3500 kg，水箱侧面安装有磁翻板液位计，用于目视观察液位情况。同时安装液位变送器，用于将液位情况传输到控制系统。
2.5 防冻液控制系统
防冻液控制系统是一项综合技术，通过液位信号采集、主令开关、自动控制逻辑电路等实现供液系统的自动运行。
发动机防冻液温度高低对发动机动力性、经济性、排放性能和使用性能均有较大的影响。在发动机台架试验时，控制好防冻液的温度等试验边界条件，将有效提升性能指标。防冻液系统主要由防冻液加注回收单元和防冻液温控单元组成，具备发动机试验前自动加注功能、试验时自动温控功能和试验结束后防冻液自动回收功能（图7）。
图7 防冻液系统组成
3.1 加注回收单元（图8）
图8 加注回收单元
主要用于存储试验台架内部的防冻液。当试验台架内部有发动机时，加注回收单元内部防冻液供到发动机与循环管路中；
发动机试验结束后，将发动机与循环管路中的防冻液回收到回收单元中进行缓存。
3.2 冷却温控单元（图9）
图9 冷却温控单元
主要用于发动机试验过程中对循环管路中的防冻液温度进行调节，通过调节闭式循环系统中冷却水与防冻液进入板式换热器的流量，实现内外循环热量交换，带走发动机防冻液热量，达到温度调节的目的。
3.3 系统工作原理（图10）
图10 发动机防冻液温度控制系统工作原理
采用交换闭式循环原理，将发动机内部循环水的热量通过外部循环水带走，通过控制系统的PID 调节器调节电动比例三通调节阀的开度，控制冷水和热防冻液的比例流量，以控制发动机内部循环防冻液的进出温度，确保进出温度控制在设定值范围内。
当检测到发动机内部循环防冻液出水温度大于设定值时，增大阀门开度以增加冷水流量，通过热交换器带走更多的热量，从而限制内部循环防冻液温度的上升。当检测到发动机循环防冻液出水温度小于设定值时，减小阀门开度以减小冷水流量，通过减少热交换器带走的热量，发动机循环出水温度上升，在调节阀和发动机的交替作用下，确保温度控制在设定值范围内。
功能目标主要有3 个：①发动机试验前，向发动机及防冻液温控设备自动补液；
②发动机试验时，自动调节发动机防冻液的温度；
③发动机试验后，通过系统的自动抽防冻液、吹防冻液功能自动回收发动机内的防冻液。
3.4 温度控制原理
CV1 关闭，CV2 打开，CV3 打开，CV5 状态“2”，CV6 状态“1”，通过温度PID 调节器作用控制调节阀CV4，根据温度反馈情况自动控制阀的开闭和开度大小调节，调节冷水与热防冻液的流量比例，调节温控器的比例、积分、微分的值，保证控制系统的响应和控制精度。
3.5 防冻液回收原理
防冻液回收的原理包括抽防冻液和吹防冻液2 部分，试验结束后先进行抽防冻液后进行吹防冻液。连接防水快接阀QV1，CV3 关闭，CV5、CV6 切换至状态“2”，打开气动隔膜泵P1 的气路使泵运转，将发动机内及相应管路内的防冻液抽至储液箱中。随后进行吹防冻液，接通CV1 的压缩空气并打开CV1，关闭CV2，向CV1 中通入0.2 MPa 压缩空气，将发动机内未抽吸完全的防冻液吹至储液箱，完成后CV1 关闭，CV2 打开，CV3 打开，CV5 状态“2”，CV6 状态“1”。
闭式循环水系统目前的运行流程是循环�人粤髦恋臀凰兀臀凰刈粤髦帘茫锰嵫梗绽淦骼淙矗偎椭廖挥诔Х慷サ陌脖Ｋ洌缓笥砂脖Ｋ涞南滤芤觯└餮匪没褂茫痈餮匪没Ф耸褂煤蟮难啡人祷氐臀凰豙3]。
在发动机试验过程中残留杂质带入防冻液中，因循环使用造成杂质含量越来越多，为解决防冻液内部杂质问题，对闭式循环水系统增加过滤系统，主要由Y 形过滤器、HT-80AMP 型过滤器、篮形过滤器、磁性过滤器等组成（图11）。其中，Y 形过滤器主要用于发动机试验前，向发动机及防冻液温控设备补液时对防冻进行过滤；
HT-80AMP 型过滤器主要用于发动机试验过程中对防冻液的循环过滤，采用过滤袋进行过滤；
篮形过滤器、磁性过滤器主要用于发动机试验后，通过系统的自动抽防冻液、吹防冻液功能，自动回收发动机内的防冻液时对防冻液进行过滤。
图11 过滤系统组成
冷却水循环系统主要用于对闭式循环系统中防冻液进行冷却降温，由储水池、循环水泵组、管路、过滤系统、冷却塔、液位检测系统、控制系统等部分组成（图12）。
图12 冷却水循环系统原理
5.1 工作原理
冷却水循环系统采用开放式风冷技术，水池容量为1785 m3，循环水量为1120 m3/h，冷却设备为板式换热器，工作过程为：储水池→水泵机组→循环管路→发动机防冻液温度控制系统→板式换热器→冷却塔→储水池。
5.2 冷却塔降温
冷却塔用于对冷却水进行降温，确保温度在工艺要求范围。设计改造冷却塔自动控制系统，通过在冷却塔回水管路上加装温度监测传感器，在控制系统中增加温度控制仪，实现冷却水温度实施检测，根据设定温度自动开、关换热风扇，实现冷却塔4个换热风扇的三级自动控制（图13）。
图13 冷却塔工作原理
5.3 液位检测系统
闭式循环水系统冷却水储水池位于厂房外，储水池位于地下且为封闭式，因此在冷却水池安装液位传感器，实现液位测量功能。在控制室与车间内部分别安装智能单光柱测控仪，实现液位显示与报警液位设定功能。内部安装声光报警器，当储水池液位达到设定值时进行声光报警，提醒操作人员进行相应处理，实现实时监控储水池液位情况，水池液位自动控制。
发动机试验台架是为各类发动机台架试验设计的专用设备，与各种型号的测功器配套使用，自动测量发动机的转速、扭矩、油耗和多路温度、压力等参数，采用计算机技术，实现发动机各种试验工况的自动控制（图14）。因闭式循环水系统与发动机试验台架是2 套独立系统，信号互通方面缺少相应的防错措施，存在一定的隐患，针对该问题对试验台架改造如下。
图14 发动机试验台架模拟
（1）硬件改造：①将闭式循环水系统膨胀水箱液位指示装置更换为磁翻板液位计；
②将液位上、下限位检查开关更换为感应式磁性开关；
③将液位上、下限信号连接到闭式循环水系统，同时连接到PGD 电柜内部PLC。
（2）软件改造（图15）：修改PGD 电柜PLC 控制程序：①实现闭式循环水系统供液开关打开→膨胀水箱下限位无信号→膨胀水箱上限位有信号→满足发动机启动条件；
②发动机试验过程中，如果膨胀水箱上限位无信号→膨胀水箱下限位有信号持续10 s（持续时间可以根据实际情况进行调整）→PLC 输出发动机停机信号→执行机构执行发动机停机。
图15 PLC 防错程序（局部截图）
闭式循环水系统在发动机出厂试验过程中发挥重要作用，该技术复杂、难度大、创新性强，利用PLC 编程、液位检测、温度监测、数据采集、变频器等技术，对系统进行性能改造，为提升发动机的试验过程提供了重要的监控手段，实现防冻液供给系统、温度控制系统、过滤系统、冷却水循环系统、发动机试验台架的数据传输和信号交互，提高发动机性能指标。
此项目的研究和改造，提高生产效率40%，各项参数更加精确，性能更加可靠；
且防冻液循环顺畅，防冻液温度自动控制，杜绝了水温过高导致的安全隐患与质量隐患。