張鵬,張志超,郭松
(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,廣東廣州 510700;2.中航工業(yè)貴航股份永紅散熱器公司,貴州貴陽(yáng) 550009 )
?
基于HORIBA臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行邊界條件對(duì)其性能影響的試驗(yàn)研究
張鵬1,張志超1,郭松2
(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,廣東廣州 510700;2.中航工業(yè)貴航股份永紅散熱器公司,貴州貴陽(yáng) 550009 )
摘要:基于HORIBA臺(tái)架系統(tǒng),以某渦輪增壓中冷柴油機(jī)為研究對(duì)象,進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)邊界條件對(duì)柴油機(jī)性能指標(biāo)影響的測(cè)試。結(jié)果表明:進(jìn)氣溫度超過(guò)40 ℃、進(jìn)氣濕度大于70%時(shí),進(jìn)氣條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響較大;扭矩對(duì)濕度的變化不敏感;提高進(jìn)氣溫度控制精度可明顯改善對(duì)扭矩的影響;隨著中冷后溫度的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值有一定程度的下降,油耗上升;中冷后溫度在50 ℃時(shí)性能出現(xiàn)明顯下降,中冷后溫度的控制精度應(yīng)高于±5 ℃;冷卻液溫度高于85 ℃時(shí),隨著冷卻液溫度的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩下降而油耗率上升;冷卻液溫度控制精度在±5 ℃以內(nèi),可保證扭矩控制精度在2%以內(nèi)。
關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī);邊界條件;臺(tái)架試驗(yàn)
0引言
近年來(lái),面對(duì)節(jié)能、環(huán)保兩大主題的日益突出,越來(lái)越嚴(yán)格的關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制等方面的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)相繼出臺(tái)。各大汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)廠商不斷進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)升級(jí),同時(shí),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)以及檢測(cè)過(guò)程中的精度要求也越來(lái)越高[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果的精確性保證對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程的生產(chǎn)一致性以及可靠性、檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性以及有效性具有重要的意義[2]。而臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的精度取決于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其邊界條件的控制情況。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行時(shí)的邊界條件包括進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、中冷后溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)邊界條件的惡化直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的下降。針對(duì)這一現(xiàn)狀,基于HORIBA臺(tái)架,以一款渦輪增壓柴油機(jī)為研究對(duì)象,通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、中冷后溫度、冷卻水溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,明確了提高邊界條件控制系統(tǒng)的精度對(duì)控制結(jié)果帶來(lái)的影響,指導(dǎo)控制系統(tǒng)精度的確定以及發(fā)動(dòng)機(jī)邊界參數(shù)的設(shè)置,提高了檢測(cè)結(jié)果精度。
1試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)及研究方法
1.1試驗(yàn)裝置及對(duì)象
試驗(yàn)用柴油機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)由試驗(yàn)柴油機(jī)、燃油控制及測(cè)量系統(tǒng)、冷卻水溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)氣溫度及濕度控制系統(tǒng)、進(jìn)氣中冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及測(cè)量系統(tǒng)等組成,主要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗率、進(jìn)氣口溫度及濕度、進(jìn)出水溫度以及中冷后溫度等參數(shù)的測(cè)量。試驗(yàn)主要設(shè)備的信息如表1所示。
試驗(yàn)對(duì)象為1臺(tái)渦輪增壓柴油機(jī),具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。
1.2試驗(yàn)方案
發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上進(jìn)行開發(fā)測(cè)試以及檢測(cè)試驗(yàn)時(shí),外特性運(yùn)行指標(biāo)是評(píng)價(jià)其性能的主要依據(jù)。所以試驗(yàn)在全負(fù)荷下、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 250 r/min以250 r/min為步長(zhǎng)上升至4 000 r/min的工況范圍內(nèi)進(jìn)行。在保持其他邊界參數(shù)穩(wěn)定的情況下,分別通過(guò)進(jìn)氣溫度和濕度控制系統(tǒng)控制進(jìn)氣口溫度分別為20、30、40 ℃,記錄發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、增壓壓力等參數(shù)。設(shè)置冷卻水溫控制系統(tǒng)參數(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口溫度分別控制在85、95、105、115 ℃,穩(wěn)定后記錄扭矩、油耗率、機(jī)油溫度等參數(shù)。調(diào)節(jié)進(jìn)氣中冷系統(tǒng)使中冷后溫度,以5 ℃步長(zhǎng)。依次由40 ℃升至80 ℃,觀察記錄發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)變化情況。
2研究結(jié)果與分析
發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)后,其主要性能指標(biāo)就已經(jīng)確定,但在實(shí)際運(yùn)行時(shí),臺(tái)架邊界條件會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生影響,造成試驗(yàn)結(jié)果的差異,影響試驗(yàn)分析。以下分別對(duì)上述邊界條件進(jìn)行試驗(yàn)分析。
2.1進(jìn)氣口條件的試驗(yàn)分析
發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí),空濾進(jìn)口處的溫度、濕度和壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的進(jìn)氣量直接產(chǎn)生影響,雖然渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在進(jìn)氣口條件變化時(shí),通過(guò)調(diào)整增壓器的控制參數(shù)對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行保證,從而保持發(fā)動(dòng)機(jī)的原有性能,但是對(duì)增壓控制參數(shù)的調(diào)整存在一定的限度[3]。因此對(duì)空濾進(jìn)口處進(jìn)氣條件的精確控制是發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定的前提保障。
圖1 是在發(fā)動(dòng)機(jī)不同進(jìn)氣狀態(tài)、不同轉(zhuǎn)速工況下,控制發(fā)動(dòng)機(jī)使其保持相同扭矩值時(shí),記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力以及增壓所控制的參數(shù)值。條件1的進(jìn)氣溫度為24.9 ℃、濕度45.5%、大氣壓力101 kPa、修正系數(shù)為0.999。在條件1下,發(fā)動(dòng)機(jī)接近標(biāo)準(zhǔn)值運(yùn)行。條件2為進(jìn)氣溫度40 ℃、濕度55%、大氣壓力99 kPa、修正系數(shù)為1.102,運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較差。圖1顯示了發(fā)動(dòng)機(jī)在不同進(jìn)氣條件下運(yùn)行時(shí)增壓壓力以及表示增壓器葉片開度的占空比的控制結(jié)果,表明了不同進(jìn)氣條件下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制參數(shù)的差異,這種控制參數(shù)的變化將直接反應(yīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)的性能上。
上述結(jié)果顯示:當(dāng)進(jìn)氣條件變差時(shí),要想達(dá)到相同的增壓壓力,需要增大增壓器葉片開度。發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定是在進(jìn)氣條件一定的情況下完成的,如果標(biāo)定在進(jìn)氣條件較好時(shí)進(jìn)行,控制參數(shù)將被標(biāo)定得較小[4]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的進(jìn)氣條件變差時(shí),即使增壓控制參數(shù)調(diào)節(jié)到極限值,也仍然達(dá)不到目標(biāo)增壓壓力值,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量不足,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
如圖2所示為幾種不同進(jìn)氣條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)在各轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)扭矩變化的情況。
結(jié)果顯示:在同一轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩值由于進(jìn)氣環(huán)境的影響會(huì)發(fā)生變化;隨著進(jìn)氣條件不斷惡化,在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩值均有一定程度的下降,當(dāng)溫度為40 ℃、濕度為76%時(shí),降幅達(dá)到19 N·m。這是因?yàn)檫M(jìn)氣溫度升高、濕度增大時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣量減少,并且水含量增加,引起燃燒不良,動(dòng)力性下降。當(dāng)濕度降低20%左右時(shí),扭矩幾乎不變,說(shuō)明扭矩對(duì)濕度變化不敏感。與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣條件溫度25 ℃、濕度31%相比,進(jìn)氣溫度在30℃、濕度在40%時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響較小,最大降幅為7 N·m。溫度偏差縮小至1 ℃,進(jìn)氣溫度為26 ℃時(shí),扭矩變化減小至2 N·m。
2.2中冷后溫度的試驗(yàn)分析
渦輪增壓技術(shù)是強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的有效手段,但增壓后發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度的升高,增加了進(jìn)入燃燒室的氣溫,提高了燃燒溫度[5],導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷增加,進(jìn)氣密度下降,過(guò)量空氣系數(shù)變大,在一定程度上削弱了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,并增加了NOx的排放[6]。增壓中冷技術(shù)由于能夠有效解決上述問(wèn)題,并進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能而得到普遍應(yīng)用。而中冷后溫度也成為增壓發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架運(yùn)行必須控制的邊界條件之一。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的穩(wěn)定性、性能的可比性,對(duì)中冷后溫度的精確控制尤為重要。
圖3所示為通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到的中冷后溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出的影響曲線。扭矩值隨著中冷后溫度的升高整體呈下降趨勢(shì)。因?yàn)橹欣浜鬁囟鹊纳呤惯M(jìn)氣管內(nèi)的空氣密度降低,進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣質(zhì)量減少,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩?fù)p失。
測(cè)試的增壓柴油機(jī)中冷后溫度一般設(shè)定為45 ℃。溫度升至47 ℃時(shí)開始出現(xiàn)變化趨勢(shì),當(dāng)中冷后溫度升高到50 ℃時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值下降6 N·m左右。當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出損失達(dá)到15%~18%。尤其在2 500 r/min全負(fù)荷工況,此時(shí)渦輪增壓器處于全面增壓狀態(tài),進(jìn)氣流量減少,使得燃燒后的廢氣能量也隨之減小,增壓器的增壓壓力出現(xiàn)明顯降低,扭矩?fù)p失嚴(yán)重。
圖4為中冷后溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響曲線??梢钥闯?隨著中冷后溫度的不斷升高,由于缸內(nèi)空氣不足導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化,油耗率上升;當(dāng)中冷后溫度高達(dá)80 ℃時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率相對(duì)于45 ℃時(shí)惡化8~15 g/kWh。
2.3冷卻水溫度的試驗(yàn)分析
發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水溫代表了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的燃燒室以及缸體的溫度環(huán)境。柴油機(jī)工作時(shí)最適宜的冷卻液溫度應(yīng)控制在83~93 ℃之間,一般設(shè)置為90 ℃。此時(shí)柴油機(jī)的功率、油耗以及排放性能會(huì)處在一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)。冷卻液溫度的過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低甚至喪失冷卻系統(tǒng)的功能。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)時(shí),主要控制冷卻液溫度防止其過(guò)高。水溫過(guò)高,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度隨之升高,導(dǎo)致充氣系數(shù)下降,增加了燃燒時(shí)爆震的概率[7],同時(shí)會(huì)使機(jī)油的性能變差,零部件磨損加速。因此,冷卻液溫度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的又一重要條件。
修正后扭矩及燃油消耗率受冷卻液溫度影響而表現(xiàn)出的變化情況如圖5和圖6所示??梢钥闯觯涸谕晦D(zhuǎn)速下冷卻液溫度從85 ℃升高到115 ℃時(shí),扭矩表現(xiàn)為下降趨勢(shì);在85~95 ℃時(shí)整體下降不明顯,但在低速全負(fù)荷工況時(shí)下降幅度相對(duì)高轉(zhuǎn)速時(shí)較高,最大降幅為2%左右,燃油消耗率基本保持穩(wěn)定;在105 ℃時(shí)扭矩開始出現(xiàn)明顯下降,在低轉(zhuǎn)速工況變化的幅度高達(dá)5.3%,而燃油消耗率增加了約1.8%。
這是因?yàn)橐环矫胬鋮s液溫度直接影響機(jī)油溫度。機(jī)油溫度隨冷卻液溫度變化的情況如圖7所示,可以看出:機(jī)油溫度隨著冷卻液溫度的升高逐漸升高。而機(jī)油溫度在適當(dāng)值下發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械損失功率是最小的[8]。較大的機(jī)油溫度由于黏度過(guò)低而導(dǎo)致潤(rùn)滑不良,機(jī)械損失增加;另一方面,缸內(nèi)溫度的增加使得參與燃燒的空氣量減少,燃燒變差。最終的結(jié)果使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降,油耗增加。
3結(jié)論
(1)進(jìn)氣溫度超過(guò)40 ℃、進(jìn)氣濕度大于70%時(shí)進(jìn)氣條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的影響較大。扭矩對(duì)濕度的變化不敏感。進(jìn)氣溫度的控制精度由±5°提高至±1°時(shí),扭矩下降可由7 N·m縮小至2 N·m。
(2)隨著中冷后溫度的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩值有一定程度的下降,油耗上升。中冷后溫度在50 ℃時(shí)性能出現(xiàn)明顯下降,所以中冷后溫度的控制精度應(yīng)高于±5 ℃。某實(shí)驗(yàn)室中冷后溫度的精度控制在±2 ℃,發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和油耗率基本不受中冷后溫度的影響,可保證測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定可控。
(3)冷卻液溫度高于85 ℃時(shí),隨著冷卻液溫度的升高,發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩下降而油耗率上升。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到95 ℃時(shí),低速滿負(fù)荷時(shí)扭矩變化率約為2.1%。在冷卻液溫度升至105 ℃時(shí)扭矩、油耗開始出現(xiàn)明顯惡化。因此,為保證測(cè)試時(shí)扭矩控制精度在2%以內(nèi),應(yīng)將冷卻液溫度精度控制在±5 ℃以內(nèi)。
參考文獻(xiàn):
【1】尹偉.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)研究開發(fā)[D].北京:清華大學(xué),2014.
【2】李梅,王君萍.發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的測(cè)試技術(shù)[J].鐵道機(jī)車車輛,2011,31(S1):260-262.
【3】左洪衛(wèi),王召冰.增壓汽油機(jī)外特性影響因素分析及試驗(yàn)研究[J].輕型汽車技術(shù),2014(3):32-37.
【4】彭成成.高壓共軌柴油機(jī)可變渦輪增壓器匹配及控制策略研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2015.
【5】邢居真.測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)對(duì)車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.
【6】熊毅,蔡強(qiáng).中冷后溫度對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究[C]//中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)燃燒凈化節(jié)能分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2013.
【7】呂猛,姜波,王振平.基于冷卻液溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2015(3):28-31.
【8】盧廣鋒,郭新民,孫運(yùn)柱,等.汽車?yán)鋮s系統(tǒng)水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].山東內(nèi)燃機(jī),2002(1):29-33.
Experimental Study on the Effect of Engine Operating Boundary Conditions on Its Performance Based on HORIBA Test-bed
ZHANG Peng1, ZHANG Zhichao1, GUO Song2
(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700, China;2.Yonghong Radiator Company of Guizhou Guihang Auto motive Components Co.,LTD of China Aviation Industry Corporation, Guiyang Guizhou 550009,China)
Keywords:Engine; Boundary condition; Bench test
Abstract:Based on the HORIBA test-bed system, the test of the influence of boundary conditions on performance of diesel engine was carried out by using a certain turbocharged diesel engine as research object. The results show that: air intake conditions have great influence on engine torque when air temperature exceeds 40 ℃ and air humidity is greater than 70%;torque is not sensitive to the changes in humidity; the effect on torque can be obviously reduced by improving air temperature control precision; with the increase of the air temperature at the intake intercooler outlet, the engine torque is reduced and fuel consumption is increased; engine performance is decreased significantly when the air temperature at the intake intercooler outlet reaches 50 ℃; the control precision of the air temperature at the intake intercooler outlet should be higher than 5 ℃; the engine torque is decreased and the fuel consumption rate is increased with the increase of the coolant temperature under the circumstances of the coolant temperature is higher than 85 ℃; the variation of torque is less than 2% at the condition of the coolant temperature control accuracy is within 5 ℃.
收稿日期:2016-03-29
作者簡(jiǎn)介:張鵬(1983—),男,碩士,工程師,主要從事汽車及零部件測(cè)試工作。E-mail:18665663171@163.com。
中圖分類號(hào):U467.21
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B
文章編號(hào):1674-1986(2016)04-029-04