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 )

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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)。

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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(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