林 斌

（柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545000）

在汽車發(fā)動機的研發(fā)、測試和生產(chǎn)中，發(fā)動機動力性能是極為重要的檢測項目，測功機是實現(xiàn)此測試要求的必需儀器?？晒┻x用的測功機類型較多，而合理的測功機選型是復(fù)雜的系統(tǒng)工程與極為重要的課題。本文通過介紹交流電力測功機的優(yōu)勢，提出了在發(fā)動機實驗室建設(shè)規(guī)劃過程中，對交流電力測功機的關(guān)鍵部件、參數(shù)確定的建議，以便給發(fā)動機實驗室規(guī)劃者提供參考。

1 發(fā)動機測功機的選型方法

1.1 測功機的功能

測功機主要用于測試發(fā)動機、電動機或動力系統(tǒng)的輸出功率，也可作為齒輪箱、減速機、變速箱測試的加載設(shè)備。在發(fā)動機實驗室，測功機還可以測試發(fā)動機的性能。電力測功機還可以開展發(fā)動機排氣污染物（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)）、機械損失功率（即倒拖）等測試。

1.2 測功機選型的一般步驟

在發(fā)動機實驗室測功機選型時，應(yīng)首先定位實驗室功能和需求，結(jié)合各種類型測功機（如水力測功機、電渦流測功機、交流電力測功機等）的特點確定所選測功機類型。其次依據(jù)被測發(fā)動機性能參數(shù)值來參考確定測功機參數(shù)（如：轉(zhuǎn)速、功率、扭矩）。最后，需要對測功機關(guān)鍵部件、參數(shù)進行確定。根據(jù)交流電力測功機的功能需求，需要確定的主要關(guān)鍵部件及其參數(shù)有：電機類型、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器和轉(zhuǎn)動慣量。

2 交流電力測功機的優(yōu)勢

目前汽車行業(yè)普遍使用的測功機類型主要有水力測功機、電渦流測功機和交流電力測功機，每種類型測功機都在特定功能實驗室中有所選用。而交流電力測功機憑借其毫秒級的控制響應(yīng)、轉(zhuǎn)動慣量小、控制穩(wěn)定性高、系統(tǒng)振動小、測試重復(fù)性好，以及滿足瞬態(tài)試驗、倒拖和冷磨試驗要求，低速加載能力強、能源利用率高、運行成本低等優(yōu)點，成為當(dāng)前技術(shù)最先進、功能最完善的測功機類型。它在運行時能夠?qū)⑷加桶l(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)化為電能，供實驗室電器使用或向電網(wǎng)回饋，從而減少能源浪費、降低運行成本。交流電力測功機是目前唯一能夠滿足排放法規(guī)測試要求的設(shè)備。

同時，交流電力測功機可以方便地實現(xiàn)雙向加載，可以實現(xiàn)平滑調(diào)速，其加載特性為超低轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性（如圖1所示），符合動力機械的負(fù)載特性，滿足被測發(fā)動機多種工況測試的需求。

圖1 某品牌265kW交流電力測功機性能曲線（作為負(fù)載時）

因此，汽車與發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)、檢測機構(gòu)的發(fā)動機實驗室推薦選用交流電力測功機。

3 交流電力測功機關(guān)鍵部件、參數(shù)確定

3.1 測功機參數(shù)確定

在選擇測功機時，必須使測功機的性能曲線與發(fā)動機的性能曲線相對應(yīng)，測功機的性能曲線應(yīng)包絡(luò)全部被測發(fā)動機的性能曲線。為保證測功機既具有較高的測量精度，又獲得盡可能大的使用效率，選擇測功機的規(guī)格應(yīng)盡可能與發(fā)動機的額定參數(shù)相匹配。

對于生產(chǎn)企業(yè)，由于同一規(guī)格被測發(fā)動機數(shù)量較多，應(yīng)該是一臺測功機對應(yīng)于一種規(guī)格發(fā)動機檢測，并使測功機工作在最佳特性區(qū)域，選取被測發(fā)動機額定扭矩和額定功率約等于測功機額定扭矩和額定功率的90%較為合理。

對于被測發(fā)動機規(guī)格較多，單一規(guī)格發(fā)動機檢測工作量有限的應(yīng)用情況（如檢測/檢驗實驗室），希望獲得合理的投資效益、測功機具有相對飽和的工作量，一臺測功機通常用于檢測一定規(guī)格范圍的發(fā)動機。一方面，由于扭矩傳感器屬于非線性器件，低負(fù)載端處于非線性段；另一方面，如圖2所示，電機工作在低功率段時，效率與功率因數(shù)均較低。為確保測功機工作于合理的精度與效率、功率因數(shù)范圍，建議被測發(fā)動機額定扭矩和額定功率應(yīng)不低于測功機對應(yīng)額定值的30%.

用于車用發(fā)動機測試的測功機的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于被測發(fā)動機標(biāo)定轉(zhuǎn)速的117%.

3.2 交流電力測功機的電機選配

電機是交流電力測功機的關(guān)鍵部件，電機的選擇直接關(guān)系到測功機的動態(tài)性能，體現(xiàn)試驗室的功能特點。異步電機與永磁同步電機是目前可供選擇的交流電力測功機專用電機，表2表示異步電機與永磁同步電機在發(fā)動機測功機方面的比較。

表2 發(fā)動機測功機用異步電機與永磁同步電機的比較

通過以上比較，兩種電機都可以有其特定的選用需求，目前在發(fā)動機測功機生產(chǎn)廠家中更多使用的是異步電機。而永磁同步電機具有低慣量、轉(zhuǎn)速高、壽命長等優(yōu)點也正受到部分用戶的重視和選用。異步電機的特性曲線（轉(zhuǎn)速n、效率η、功率因數(shù)cosφ、轉(zhuǎn)矩T與輸出功率P2之間的關(guān)系）見圖2[1]，永磁同步電機的特性曲線見圖3[2]。

圖2 異步電機的特性曲線

圖3 永磁同步電機的特性曲線

在兩種電機的選擇上，可從兩種實驗室建設(shè)角度來考慮：作為研發(fā)實驗室，要求較高的動態(tài)性能，較好的調(diào)速性能，建議選用永磁同步電機；作為檢測/檢驗實驗室，建議選用異步電機，這樣既能滿足檢測要求，又減少了設(shè)備資金投入。

3.3 傳感器準(zhǔn)確度的確定

測功機需要與轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器組合，共同完成測試。發(fā)動機實驗室規(guī)劃應(yīng)首先明確每個測試臺架的功能定位和需求，以便合理選擇轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器的精度。對于檢測/檢驗實驗室，應(yīng)以國家、行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，根據(jù)實驗室功能定位，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求確定傳感器精度（見表3）。

表3 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對測功機轉(zhuǎn)速和扭矩的準(zhǔn)確度要求[3-7]

3.4 轉(zhuǎn)動慣量

交流電力測功機的動態(tài)響應(yīng)性能是其一大突出優(yōu)點，而測功機的轉(zhuǎn)動慣量就是一個極其重要的動態(tài)響應(yīng)影響因素。需要對測功機的轉(zhuǎn)動慣量進行估算并選擇，以便在測試發(fā)動機時測功機系統(tǒng)發(fā)揮出優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)發(fā)動機實驗室臺架建設(shè)經(jīng)驗，測功機選型中可以根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量定理進行估算，以確定所選測功機慣量的參考值。

式中：M為扭轉(zhuǎn)力矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；β為角加速度；△ω為角度速度變化量；△t為變化時間。

例如：試驗被測試發(fā)動機額定功率為80 kW，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量為0.20 kg·m2.試驗工況要求發(fā)動機轉(zhuǎn)速從怠速650 r/min提升到額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min所用的時間控制在5 s以內(nèi)。試驗采用的傳動軸慣量為0.02 kg·m2.那么可以估算出測功機的轉(zhuǎn)動慣量控制值，計算如下：

慣量J包含測功機、傳動軸系和發(fā)動機等主要回旋體的轉(zhuǎn)動慣量總和，所以電力測功機轉(zhuǎn)動慣量值應(yīng)在總慣量中去除傳動軸系和發(fā)動機的轉(zhuǎn)動慣量，即測功機的轉(zhuǎn)動慣量估算值應(yīng)在≤0.917 kg·m2時能夠滿足需求。

4 交流電力測功機的應(yīng)用實例與擴展

4.1 實例分析

某檢驗機構(gòu)發(fā)動機實驗室需要建設(shè)一套發(fā)動機測試臺架，要求該臺架具備以下功能：

（1）滿足GB 17691-2005和GB 14762-2008法規(guī)要求的發(fā)動機排氣污染物測試；

（2）最大測試發(fā)動機（參考）某品牌225 kW汽油發(fā)動機，其額定功率為225 kW，額定扭矩為370 N·m，額定轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，發(fā)動機慣量為0.34 kg·m2，怠速轉(zhuǎn)速為845 r/min；

（3）采用某品牌的高彈性聯(lián)軸器，其傳動軸慣量為 0.26 kg·m2；

（4）要求瞬態(tài)測試時發(fā)動機能夠在3 s內(nèi)從怠速提高到額定轉(zhuǎn)速。

實驗室從現(xiàn)有市場上產(chǎn)品應(yīng)用的成熟度，減少設(shè)備采購資金等方面考慮，決定采用目前應(yīng)用廣泛，價格較為便宜的異步電機。

根據(jù)規(guī)劃要求，該實驗室應(yīng)選用交流電力測功機，以滿足排放測試需要。

通過3.1提出的使用建議估算，測功機規(guī)格的選擇方向為：額定功率≥250 kW，額定扭矩≥412 N·m，最大轉(zhuǎn)速≥7 605 r/min.

標(biāo)準(zhǔn)通過3.4介紹的估算方法，測功機的轉(zhuǎn)動慣量在≤0.517 kg·m2時能夠滿足瞬態(tài)測試需求。

綜合上述估算，對市場上現(xiàn)有測功機產(chǎn)品進行篩選，優(yōu)先從現(xiàn)有量產(chǎn)型號中選擇，最終選用了以下某品牌的250 kW交流電力測功機，其參數(shù)如表4所示。

表4 某品牌的250 kW測功機參數(shù)

經(jīng)驗算，以上測功機的轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器精度滿足17691-2005和GB 14762-2008的測量準(zhǔn)確度要求。

依據(jù)3.1的建議，在使用該測功機時，被測試發(fā)動機規(guī)格控制在以下要求內(nèi)：額定功率為75～225 kW，額定扭矩為180～540 N·m，最高空載轉(zhuǎn)速≤10 000 r/min.

4.2 應(yīng)用擴展

發(fā)動機總成或動力鏈系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是發(fā)動機本體以及整車設(shè)計的重要參數(shù)。在發(fā)動機臺架上進行整車的道路模態(tài)、飛輪設(shè)計或發(fā)動機逆向設(shè)計等工程中，轉(zhuǎn)動慣量也是很重要的參數(shù)。目前可以采用CAE運動分析來模擬計算，但是工作量比較大[8]。這時，交流電力測功機就提供了一個簡單、便捷、直觀的近似測量方案。依據(jù)牛頓第二定律，利用交流電力測功機特有的倒拖功能，將發(fā)動機控制在勻速運轉(zhuǎn)或加速運轉(zhuǎn)下，通過傳感器測量扭矩，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便可獲得被測物的轉(zhuǎn)動慣量值。

5 結(jié)束語

本文介紹了發(fā)動機實驗室測功機選型及關(guān)鍵部件優(yōu)化選擇的方法，供大家參考使用，以便在發(fā)動機實驗室設(shè)計規(guī)劃中對測功機綜合評價、準(zhǔn)確定位、優(yōu)化組合，以達(dá)到理想的建設(shè)方案。隨著電機技術(shù)、控制技術(shù)和變頻技術(shù)的不斷進步，交流電力測功機的性能也一定還會走上一個新的臺階。

[1]王秀和.電機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.

[2]張漢允.永磁同步電機設(shè)計與分析[D]焦作：河南理工大學(xué)2010.

[3]GB/T21404-2008.內(nèi)燃機發(fā)動機功率的確定和測量方法一般要求[S].

[4]GB17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）[S].

[5]GB14762-2008.重型車用汽油發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].

[6]GB/T17692-1999.汽車用發(fā)動機凈功率測試方法[S].

[7]GB/T18297-2001.汽車發(fā)動機性能試驗方法[S].

[8]張衛(wèi)鋒.發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量的測量方法[C]//2010年APC學(xué)會年會論文集，2010：160-161.