李啟杰，吳長(zhǎng)水，姜自才，何 良

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

作為一種重要的熱能動(dòng)力機(jī)械，發(fā)動(dòng)機(jī)在人們的日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色。由于目前乘用車(chē)型快速更新，發(fā)動(dòng)機(jī)推陳出新的速度也更快，因此，對(duì)新開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與可靠性的評(píng)估及評(píng)價(jià)也要求更高。而這些要求必然會(huì)導(dǎo)致對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的測(cè)試帶來(lái)更高的要求。為了達(dá)到車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在開(kāi)發(fā)新型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性驗(yàn)證變得尤為重要。

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)是對(duì)其負(fù)荷特性、經(jīng)濟(jì)特性、活塞漏氣量、缸內(nèi)壓力、機(jī)油消耗量以及零部件損傷等性能的穩(wěn)定性考察，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)定型量產(chǎn)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)其在設(shè)計(jì)、加工工藝以及所用材料等方面的不足，為后續(xù)優(yōu)化指明方向。目前大部分使用的標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)標(biāo)與AVL公司標(biāo)準(zhǔn)，主要試驗(yàn)項(xiàng)目有額定功率耐久性試驗(yàn)、冷熱沖擊試驗(yàn)、循環(huán)負(fù)荷試驗(yàn)、交變負(fù)荷試驗(yàn)等[1]。本文在對(duì)某新型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)凈功率試驗(yàn)、萬(wàn)有特性試驗(yàn)、機(jī)械損失試驗(yàn)、活塞漏氣量試驗(yàn)、缸壓測(cè)量、氣門(mén)間隙測(cè)量、機(jī)油消耗量試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能分析，為該發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化及可靠性評(píng)估提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)是新發(fā)動(dòng)機(jī)的必要試驗(yàn)[2]。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言，耐久性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間（500 h及以上）連續(xù)運(yùn)行后，對(duì)其性能的變化情況及其主要零件磨損情況的綜合性考查。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要設(shè)備：發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)測(cè)控臺(tái)架、AVL數(shù)據(jù)采集模塊、電渦流測(cè)功機(jī)等。

臺(tái)架試驗(yàn)用機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 臺(tái)架布置

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)測(cè)控臺(tái)架的布置如圖1所示。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18297——2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[3]以及GB/T 19055——2003《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》[4]，依據(jù)公司自定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5]，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)負(fù)荷下的耐久性試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間為600h。耐久性試驗(yàn)的循環(huán)負(fù)荷運(yùn)行圖如圖2所示。

1）油門(mén)關(guān)閉。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速（750r/min）運(yùn)轉(zhuǎn)并保持30s。

2）油門(mén)全開(kāi)。經(jīng)過(guò)10 s從怠速（750 r/min）均勻升至最低全負(fù)荷轉(zhuǎn)速（1000r/min），持續(xù)120s。此后歷經(jīng)120 s均勻升至最大扭矩轉(zhuǎn)速（5 000 r/min），并穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速180 s。最后均勻升至額定轉(zhuǎn)速（5700r/min），歷時(shí) 240s，并穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速 480s。

3）油門(mén)關(guān)閉。用測(cè)功機(jī)反拖發(fā)動(dòng)機(jī)使其穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速，持續(xù)60s。此后歷時(shí)60s均勻下降至怠速，并穩(wěn)定在怠速60s。

圖1 臺(tái)架布置簡(jiǎn)圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)示意圖

4）油門(mén)全開(kāi)?？焖偕令~定轉(zhuǎn)速，歷時(shí)15s，之后穩(wěn)定在該轉(zhuǎn)速240s。歷經(jīng)120s均勻降至最大扭矩轉(zhuǎn)速。

5）通過(guò)改變油門(mén)開(kāi)度來(lái)改變負(fù)荷，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)655s。最后歷經(jīng)10s快速降至怠速。至此完成一個(gè)循環(huán)，歷時(shí)40min。

6）如上所述，運(yùn)行900個(gè)循環(huán)，共用時(shí)600h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照耐久性試驗(yàn)大綱要求[6]，運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定時(shí)觀測(cè)記錄，采集相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)性能加以評(píng)定。

發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)中，在每一工況點(diǎn)記錄1次試驗(yàn)數(shù)據(jù)（選取每間隔100 h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行作圖分析）。此外，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的所有異常事件，以便進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩

2.1.1 功率和扭矩隨時(shí)間的變化關(guān)系

在發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)中，每間隔100h記錄1次該發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)，分別在最大轉(zhuǎn)速（5700r/min）以及最大扭矩轉(zhuǎn)速（5 000 r/min）下的功率和扭矩[7]，其隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨時(shí)間的變化關(guān)系

由以上兩圖可知：在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，在最大轉(zhuǎn)速和最大扭矩轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，該新型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩在節(jié)氣門(mén)全開(kāi)時(shí)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)都較為平穩(wěn)，兩者波動(dòng)率均在2%之內(nèi)。這說(shuō)明該新型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩均具有良好的穩(wěn)定性，達(dá)到穩(wěn)定性要求[8]。

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)前后的動(dòng)力性能變化

根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，做出發(fā)動(dòng)機(jī)性能在耐久性試驗(yàn)前后的變化關(guān)系圖，如圖5、圖6所示。

由以上兩圖可知，耐久性試驗(yàn)前后，在外特性下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率的變化幅度均小于5%，且發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明該發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且較為穩(wěn)定。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后功率的變化關(guān)系

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前后扭矩的變化關(guān)系

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)油耗

2.2.1 油耗隨時(shí)間變化關(guān)系

試驗(yàn)中保持發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，記錄下其在5700r/min和5000r/min下的燃油消耗率，繪制該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與時(shí)間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨時(shí)間的變化關(guān)系

由上圖可知，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該發(fā)動(dòng)機(jī)在兩種轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)較為平穩(wěn)，變化幅度均小于2%。此外，在最大扭矩轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率曲線(xiàn)在試驗(yàn)后期小幅度下降，最大轉(zhuǎn)速下的消耗率曲線(xiàn)隨時(shí)間上升幅度減小，說(shuō)明該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能較為穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)以及使用要求。

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)前后的經(jīng)濟(jì)性變化

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，做出發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)在100 h和600 h時(shí)燃油消耗率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖8所示，由圖可知，試驗(yàn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率變化較小，均在4%以?xún)?nèi)，說(shuō)明該型發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)過(guò)連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，經(jīng)濟(jì)性能穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量與缸壓

2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量

活塞漏氣量通常指發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，從曲軸箱通風(fēng)管中逃逸出的氣體的流量[9]。活塞漏氣量直接反映出氣缸的密閉性，影響氣缸壓縮終止壓力，從而制約發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性的提高[10]。在耐久性試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)定分析發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量，可以判斷出發(fā)動(dòng)機(jī)組件中活塞、活塞環(huán)和氣缸壁的設(shè)計(jì)及其相互之間的配合是否合理，以此來(lái)判別發(fā)動(dòng)機(jī)密閉性的好壞[11]。由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法GBT 19055——2003可知，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷時(shí)最大活塞漏氣量限值由下式給出：

式中：BL——全負(fù)荷最大活塞漏氣量限值，L/min；

VH——發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；

nr——額定轉(zhuǎn)速，r/min；

rr——額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時(shí)增壓機(jī)的壓比，非增壓機(jī)rr=1；

Tm——進(jìn)氣歧管內(nèi)進(jìn)氣溫度，K；非增壓機(jī)Tm=298K[12]。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)計(jì)算該發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷最大活塞漏氣量限值為：BL=40.6638L/min。

耐久性試驗(yàn)中，每隔一段時(shí)間，在發(fā)動(dòng)機(jī)外特性下測(cè)量其活塞漏氣量，并作出發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)前后漏氣量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系圖，如圖9所示。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與氣缸壁之間存在間隙，且活塞環(huán)有開(kāi)口，所以燃燒室中的高壓高溫氣體不可避免地泄漏到曲軸箱，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)活塞循環(huán)次數(shù)增加，致使間隙漏氣增多，漏氣量增加。此外，耐久性試驗(yàn)前后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)磨損，活塞、活塞環(huán)和氣缸壁之間的間隙增大，致使漏氣量增多。由圖可知，經(jīng)過(guò)600h耐久性試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量雖增加明顯，但均未超過(guò)40L/min，即均未達(dá)到漏氣量最大限值，總體上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓

在發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)指標(biāo)中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓最能綜合體現(xiàn)出其動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。缸壓的高低直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)有效壓力的大小。缸壓高、有效壓力大、燃燒迅速充分、熱損失小，但易出現(xiàn)爆震；缸壓低，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降、油耗增加、排放超標(biāo)、甚至啟動(dòng)困難等故障。

本次試驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為（250±20）r/min，節(jié)氣門(mén)保持全開(kāi)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，采集數(shù)據(jù)并作出各氣缸缸壓隨試驗(yàn)時(shí)間的變化關(guān)系圖，如圖10所示。

一般情況下，損害發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓的影響因素有氣門(mén)密封不良、活塞或活塞環(huán)磨損、缸筒磨損、火花塞密封不良、缸墊損壞、活塞達(dá)不到設(shè)計(jì)上止點(diǎn)等。由圖可知，耐久性試驗(yàn)前后，發(fā)動(dòng)機(jī)各缸壓最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤7%，各缸缸壓減少量均小于22%。由此可知，該型發(fā)動(dòng)機(jī)密閉性能良好，符合設(shè)計(jì)和使用要求。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量檢查

機(jī)油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作有著決定性的影響，具有密封、潤(rùn)滑、清潔以及冷卻作用。在新型發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)中，測(cè)量其機(jī)油消耗量可以直觀的評(píng)價(jià)出一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的好壞。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓隨時(shí)間的變化關(guān)系

本文采用放油稱(chēng)重法來(lái)測(cè)量該發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時(shí)的機(jī)油消耗量，并計(jì)算出其機(jī)油/燃料消耗比均小于0.25%，符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件分析

經(jīng)過(guò)600 h耐久性試驗(yàn)，除更換一個(gè)火花塞外，無(wú)其他部件損毀更換。試驗(yàn)完成后，按照規(guī)定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆檢，對(duì)其主要零部件的磨損和損壞狀況進(jìn)行記錄分析。

經(jīng)過(guò)拆檢分析，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和支架存在由機(jī)械交變應(yīng)力引起的輕微裂紋，但裂紋只有通過(guò)探傷儀才可發(fā)現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命影響不大；缸套和活塞環(huán)摩擦副勉強(qiáng)可測(cè)量出輕度磨損，且局部光亮，有輕微擦傷；凸輪和挺桿有輕微磨損及劃痕，分析為材料疲勞所致；活塞環(huán)槽與環(huán)表面有少量沉積物，火花塞有少量積碳，分析原因?yàn)槟途眯栽囼?yàn)后期，活塞、活塞環(huán)和缸壁磨損致使間隙變大，少量機(jī)油進(jìn)入燃燒室所致，需在以后的新型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某新型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行600 h耐久性試驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

1）該發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩與耐久性試驗(yàn)時(shí)間的變化曲線(xiàn)變化穩(wěn)定，波動(dòng)≤2%，另外，耐久性試驗(yàn)前后，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性下的扭矩和功率變化幅度均小于5%，表明該發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的穩(wěn)定性。

2）該發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)平穩(wěn)，變化幅度均小于2%，且實(shí)驗(yàn)前后其燃油消耗率變化較小，均在4%以?xún)?nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。表明該發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能良好且較為穩(wěn)定。

3）經(jīng)過(guò)600h耐久性試驗(yàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量雖增加明顯，但均未超過(guò)40L/min，即均未達(dá)到漏氣量最大限值（40.663 8 L/min），此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為（250±20）r/min，節(jié)氣門(mén)保持全開(kāi)狀態(tài)下的缸壓在耐久性試驗(yàn)前后，各缸壓差最大時(shí)≤7%，各缸缸壓減少量均小于22%，額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時(shí)的機(jī)油/燃料消耗比小于0.25%，表明該發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸進(jìn)氣均勻，穩(wěn)定性和密閉性能良好。

4）耐久性試驗(yàn)后拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)只有個(gè)別主要部件有輕微磨損、劃痕或沉積物，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作和使用壽命影響不大；此外，在試驗(yàn)過(guò)程中除更換一個(gè)火花塞外，無(wú)其他部件損毀，表明該發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的耐久性能，工作穩(wěn)定可靠。

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