張鵬，張志超，郭松

(1.廣州機械科學(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 550009 )

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基于HORIBA臺架的發(fā)動機運行邊界條件對其性能影響的試驗研究

張鵬1，張志超1，郭松2

(1.廣州機械科學(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 550009 )

摘要：基于HORIBA臺架系統(tǒng)，以某渦輪增壓中冷柴油機為研究對象，進行了發(fā)動機臺架試驗邊界條件對柴油機性能指標影響的測試。結(jié)果表明：進氣溫度超過40 ℃、進氣濕度大于70%時，進氣條件對發(fā)動機扭矩的影響較大；扭矩對濕度的變化不敏感；提高進氣溫度控制精度可明顯改善對扭矩的影響；隨著中冷后溫度的升高，發(fā)動機扭矩值有一定程度的下降，油耗上升；中冷后溫度在50 ℃時性能出現(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，隨著冷卻液溫度的升高，發(fā)動機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)動機；邊界條件；臺架試驗

0引言

近年來，面對節(jié)能、環(huán)保兩大主題的日益突出，越來越嚴格的關(guān)于發(fā)動機排放控制等方面的標準、法規(guī)相繼出臺。各大汽車和發(fā)動機廠商不斷進行發(fā)動機的技術(shù)升級，同時，對發(fā)動機開發(fā)設(shè)計以及檢測過程中的精度要求也越來越高[1]。發(fā)動機臺架測試結(jié)果的精確性保證對發(fā)動機開發(fā)過程的生產(chǎn)一致性以及可靠性、檢測結(jié)果的可重復(fù)性以及有效性具有重要的意義[2]。而臺架試驗結(jié)果的精度取決于試驗過程中對其邊界條件的控制情況。渦輪增壓發(fā)動機臺架運行時的邊界條件包括進氣溫度、進氣濕度、中冷后溫度和發(fā)動機水溫等，發(fā)動機運行時邊界條件的惡化直接導(dǎo)致發(fā)動機性能的下降。針對這一現(xiàn)狀，基于HORIBA臺架，以一款渦輪增壓柴油機為研究對象，通過分析發(fā)動機進氣溫度、進氣濕度、中冷后溫度、冷卻水溫度對發(fā)動機性能的影響，明確了提高邊界條件控制系統(tǒng)的精度對控制結(jié)果帶來的影響，指導(dǎo)控制系統(tǒng)精度的確定以及發(fā)動機邊界參數(shù)的設(shè)置，提高了檢測結(jié)果精度。

1試驗臺架系統(tǒng)及研究方法

1.1試驗裝置及對象

試驗用柴油機臺架系統(tǒng)由試驗柴油機、燃油控制及測量系統(tǒng)、冷卻水溫度控制系統(tǒng)、進氣溫度及濕度控制系統(tǒng)、進氣中冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及測量系統(tǒng)等組成，主要進行發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗率、進氣口溫度及濕度、進出水溫度以及中冷后溫度等參數(shù)的測量。試驗主要設(shè)備的信息如表1所示。

試驗對象為1臺渦輪增壓柴油機，具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.2試驗方案

發(fā)動機在臺架上進行開發(fā)測試以及檢測試驗時，外特性運行指標是評價其性能的主要依據(jù)。所以試驗在全負荷下、發(fā)動機轉(zhuǎn)速從2 250 r/min以250 r/min為步長上升至4 000 r/min的工況范圍內(nèi)進行。在保持其他邊界參數(shù)穩(wěn)定的情況下，分別通過進氣溫度和濕度控制系統(tǒng)控制進氣口溫度分別為20、30、40 ℃，記錄發(fā)動機扭矩、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)動機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、機油溫度等參數(shù)。調(diào)節(jié)進氣中冷系統(tǒng)使中冷后溫度，以5 ℃步長。依次由40 ℃升至80 ℃，觀察記錄發(fā)動機性能參數(shù)變化情況。

2研究結(jié)果與分析

發(fā)動機開發(fā)后，其主要性能指標就已經(jīng)確定，但在實際運行時,臺架邊界條件會對發(fā)動機的實際運行參數(shù)產(chǎn)生影響，造成試驗結(jié)果的差異，影響試驗分析。以下分別對上述邊界條件進行試驗分析。

2.1進氣口條件的試驗分析

發(fā)動機進行臺架試驗時，空濾進口處的溫度、濕度和壓力對發(fā)動機運行時的進氣量直接產(chǎn)生影響，雖然渦輪增壓發(fā)動機能夠在進氣口條件變化時，通過調(diào)整增壓器的控制參數(shù)對進氣量進行保證，從而保持發(fā)動機的原有性能，但是對增壓控制參數(shù)的調(diào)整存在一定的限度[3]。因此對空濾進口處進氣條件的精確控制是發(fā)動機性能穩(wěn)定的前提保障。

圖1 是在發(fā)動機不同進氣狀態(tài)、不同轉(zhuǎn)速工況下，控制發(fā)動機使其保持相同扭矩值時，記錄的發(fā)動機增壓壓力以及增壓所控制的參數(shù)值。條件1的進氣溫度為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)動機接近標準值運行。條件2為進氣溫度40 ℃、濕度55%、大氣壓力99 kPa、修正系數(shù)為1.102，運行環(huán)境相對較差。圖1顯示了發(fā)動機在不同進氣條件下運行時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，表明了不同進氣條件下發(fā)動機運行控制參數(shù)的差異，這種控制參數(shù)的變化將直接反應(yīng)在發(fā)動機的性能上。

上述結(jié)果顯示：當(dāng)進氣條件變差時，要想達到相同的增壓壓力，需要增大增壓器葉片開度。發(fā)動機的標定是在進氣條件一定的情況下完成的，如果標定在進氣條件較好時進行，控制參數(shù)將被標定得較小[4]。當(dāng)發(fā)動機運行的進氣條件變差時，即使增壓控制參數(shù)調(diào)節(jié)到極限值，也仍然達不到目標增壓壓力值，進而導(dǎo)致發(fā)動機的進氣量不足，影響發(fā)動機的性能。

如圖2所示為幾種不同進氣條件下，發(fā)動機在各轉(zhuǎn)速下運行時扭矩變化的情況。

結(jié)果顯示：在同一轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的扭矩值由于進氣環(huán)境的影響會發(fā)生變化；隨著進氣條件不斷惡化，在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的扭矩值均有一定程度的下降，當(dāng)溫度為40 ℃、濕度為76%時，降幅達到19 N·m。這是因為進氣溫度升高、濕度增大時，發(fā)動機燃燒室內(nèi)的空氣量減少，并且水含量增加，引起燃燒不良，動力性下降。當(dāng)濕度降低20%左右時，扭矩幾乎不變，說明扭矩對濕度變化不敏感。與標準進氣條件溫度25 ℃、濕度31%相比，進氣溫度在30℃、濕度在40%時對發(fā)動機的性能影響較小，最大降幅為7 N·m。溫度偏差縮小至1 ℃，進氣溫度為26 ℃時，扭矩變化減小至2 N·m。

2.2中冷后溫度的試驗分析

渦輪增壓技術(shù)是強化發(fā)動機的有效手段，但增壓后發(fā)動機進氣溫度的升高，增加了進入燃燒室的氣溫，提高了燃燒溫度[5]，導(dǎo)致發(fā)動機的熱負荷增加，進氣密度下降，過量空氣系數(shù)變大，在一定程度上削弱了發(fā)動機的動力性，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題，并進一步提高發(fā)動機的性能而得到普遍應(yīng)用。而中冷后溫度也成為增壓發(fā)動機臺架運行必須控制的邊界條件之一。為保證發(fā)動機燃燒的穩(wěn)定性、性能的可比性，對中冷后溫度的精確控制尤為重要。

圖3所示為通過臺架試驗得到的中冷后溫度對發(fā)動機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。因為中冷后溫度的升高使進氣管內(nèi)的空氣密度降低，進而導(dǎo)致進入發(fā)動機的空氣質(zhì)量減少，導(dǎo)致發(fā)動機的扭矩損失。

測試的增壓柴油機中冷后溫度一般設(shè)定為45 ℃。溫度升至47 ℃時開始出現(xiàn)變化趨勢，當(dāng)中冷后溫度升高到50 ℃時，發(fā)動機扭矩值下降6 N·m左右。當(dāng)溫度達到80 ℃時，發(fā)動機的扭矩輸出損失達到15%～18%。尤其在2 500 r/min全負荷工況，此時渦輪增壓器處于全面增壓狀態(tài)，進氣流量減少，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，扭矩損失嚴重。

圖4為中冷后溫度對發(fā)動機經(jīng)濟性的影響曲線?？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)動機燃燒惡化，油耗率上升；當(dāng)中冷后溫度高達80 ℃時，發(fā)動機的油耗率相對于45 ℃時惡化8～15 g/kWh。

2.3冷卻水溫度的試驗分析

發(fā)動機的冷卻水溫代表了發(fā)動機工作時的燃燒室以及缸體的溫度環(huán)境。柴油機工作時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 ℃。此時柴油機的功率、油耗以及排放性能會處在一個相對平衡狀態(tài)。冷卻液溫度的過高或過低都會降低甚至喪失冷卻系統(tǒng)的功能。在實驗室實際臺架試驗時，主要控制冷卻液溫度防止其過高。水溫過高，發(fā)動機燃燒室內(nèi)溫度隨之升高，導(dǎo)致充氣系數(shù)下降，增加了燃燒時爆震的概率[7]，同時會使機油的性能變差，零部件磨損加速。因此，冷卻液溫度是影響發(fā)動機臺架試驗結(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，扭矩表現(xiàn)為下降趨勢；在85～95 ℃時整體下降不明顯，但在低速全負荷工況時下降幅度相對高轉(zhuǎn)速時較高，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5.3%，而燃油消耗率增加了約1.8%。

這是因為一方面冷卻液溫度直接影響機油溫度。機油溫度隨冷卻液溫度變化的情況如圖7所示，可以看出：機油溫度隨著冷卻液溫度的升高逐漸升高。而機油溫度在適當(dāng)值下發(fā)動機的機械損失功率是最小的[8]。較大的機油溫度由于黏度過低而導(dǎo)致潤滑不良，機械損失增加;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)動機動力性下降，油耗增加。

3結(jié)論

(1)進氣溫度超過40 ℃、進氣濕度大于70%時進氣條件對發(fā)動機扭矩的影響較大。扭矩對濕度的變化不敏感。進氣溫度的控制精度由±5°提高至±1°時，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)動機扭矩值有一定程度的下降，油耗上升。中冷后溫度在50 ℃時性能出現(xiàn)明顯下降，所以中冷后溫度的控制精度應(yīng)高于±5 ℃。某實驗室中冷后溫度的精度控制在±2 ℃，發(fā)動機扭矩和油耗率基本不受中冷后溫度的影響，可保證測試結(jié)果的穩(wěn)定可控。

(3)冷卻液溫度高于85 ℃時，隨著冷卻液溫度的升高，發(fā)動機的扭矩下降而油耗率上升。當(dāng)冷卻液溫度達到95 ℃時，低速滿負荷時扭矩變化率約為2.1%。在冷卻液溫度升至105 ℃時扭矩、油耗開始出現(xiàn)明顯惡化。因此，為保證測試時扭矩控制精度在2%以內(nèi)，應(yīng)將冷卻液溫度精度控制在±5 ℃以內(nèi)。

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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

作者簡介：張鵬(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車及零部件測試工作。E-mail：18665663171@163.com。

中圖分類號:U467.21

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)04-029-04