李 忠 羅劍坤

（江鈴汽車股份有限公司動(dòng)力總成開發(fā)部 江西 南昌 330003）

引言

耐久性和可靠性作為發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，已受到國(guó)內(nèi)各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家的重視。臺(tái)架耐久試驗(yàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性和可靠性驗(yàn)證的主要手段，車用發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性指標(biāo)一般用B10壽命來(lái)衡量，B10壽命以車輛行駛里程為單位，乘用車B10壽命一般為24 萬(wàn)km，而臺(tái)架耐久試驗(yàn)的長(zhǎng)短以時(shí)間為單位。因此，需建立一種合理的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)間與對(duì)應(yīng)的整車行駛里程轉(zhuǎn)換方法，用于評(píng)估臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)間是否滿足可靠性指標(biāo)要求。為此，本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)間與對(duì)應(yīng)的整車行駛里程轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行了研究。

1 臺(tái)架耐久試驗(yàn)介紹

臺(tái)架耐久試驗(yàn)是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性和可靠性的主要手段，通過(guò)臺(tái)架耐久試驗(yàn)，可加快驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞、磨損等失效情況。發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久試驗(yàn)主要有：高周疲勞耐久試驗(yàn)、冷熱沖擊耐久試驗(yàn)、振動(dòng)疲勞耐久試驗(yàn)、高負(fù)荷耐久試驗(yàn)等，這些試驗(yàn)通常包括交變負(fù)荷工況、最大熱負(fù)荷工況、最大機(jī)械負(fù)荷工況[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家針對(duì)自身發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和搭載車輛的駕駛工況特點(diǎn)，開發(fā)了各自的臺(tái)架耐久試驗(yàn)工況。與此同時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19055-2013 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法規(guī)定了一些常用臺(tái)架耐久試驗(yàn)工況[2]。

2 典型整車行駛工況確定

典型的整車行駛工況主要通過(guò)該車型的實(shí)際用戶路譜分析得到，是用戶駕駛和路面條件的真實(shí)反映。我國(guó)幅員遼闊，路面情況復(fù)雜，在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)階段，通過(guò)大量采集實(shí)際用戶路譜并進(jìn)行分析得到具有代表性的整車行駛工況比較困難。

在我國(guó)的排放和油耗測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)不同的車型制定了典型的整車行駛工況循環(huán)，包括GB18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（第五階段）規(guī)定的NEDC 循環(huán)[3]、GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（第六階段）規(guī)定的WLTC 循環(huán)[4]、GB17691-2018 重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（第六階段）規(guī)定的WHTC 循環(huán)[5]等，一定程度上代表了我國(guó)車輛使用條件。本文試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為輕型車國(guó)Ⅴ排放的汽油機(jī)，故采用輕型車國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)中的NEDC 循環(huán)作為典型整車行駛工況。

3 轉(zhuǎn)換方法分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷強(qiáng)度分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是通過(guò)燃油的燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出[6]。

發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡方程為：

式中：Qf為燃油燃燒產(chǎn)生的總熱量，J；We為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效功，J；Qw為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量，J；Qair為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)（中冷器）散熱量，J；Qexh為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)散熱量，J；Qisc為殘余熱量（包括熱輻射、摩擦損失、測(cè)量誤差等），J。

從公式（1）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的機(jī)械負(fù)荷以有效功的形式輸出，而承受的熱負(fù)荷則通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、進(jìn)氣中冷器，排氣系統(tǒng)散出。發(fā)動(dòng)機(jī)在這種熱平衡狀態(tài)下，承受來(lái)自機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的耦合作用并隨時(shí)間歷程產(chǎn)生疲勞、磨損等失效而逐漸性能退化或功能喪失。但實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的精確計(jì)算比較復(fù)雜，這里只是近似地認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的總和等于燃油燃燒產(chǎn)生的熱量。

燃油單位時(shí)間燃燒放熱量公式如下：

式中：qf為單位時(shí)間燃油燃燒放熱量，J；mf為單位時(shí)間燃油消耗量，kg；Hu為燃油的燃燒熱值，J/kg；η 為燃油燃燒率，%。

從公式（2）可知，單位時(shí)間燃油燃燒放熱量qf主要取決于mf。因此，可用mf代替qf來(lái)表征單位時(shí)間燃油燃燒放熱量或發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷總和。燃油消耗的快慢主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)每2 轉(zhuǎn)噴油一次，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 可表征單位時(shí)間燃油消耗的頻率。這就意味著同等的燃油量在不同轉(zhuǎn)速下燃燒所釋放的熱量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞、磨損強(qiáng)度是不同的，轉(zhuǎn)速越高，負(fù)荷強(qiáng)度越大，發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞失效越早發(fā)生。因此，在轉(zhuǎn)速為ni、單位時(shí)間燃油消耗為mfi工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)荷強(qiáng)度可用以下公式表示：

式中：Li為單位時(shí)間的負(fù)荷強(qiáng)度；N 為發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)

1）負(fù)荷強(qiáng)度加權(quán)平均值計(jì)算

在一個(gè)完整的循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)荷強(qiáng)度加權(quán)平均值計(jì)算公式如下：

式中：Δti為循環(huán)中每個(gè)工況的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，s；T 為循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，s。

2）加速因子計(jì)算

在2 個(gè)不同的循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)載強(qiáng)度加權(quán)平均值分別為L(zhǎng)Ai和LAj，所對(duì)應(yīng)的車輛行駛里程分別為Si和Sj。根據(jù)加速因子的定義[7]，加速因子AF 為：

3）等效車輛行駛里程計(jì)算

若某特定時(shí)間內(nèi)耐久試驗(yàn)i 的總循環(huán)數(shù)為N，它所等效車輛在某特定行駛工況j 下的行駛總里程S計(jì)算如下：

4 實(shí)例計(jì)算

試驗(yàn)用汽油機(jī)為國(guó)Ⅴ排放汽油機(jī)，搭載于SUV車型，故采用NEDC 工況作為其典型車輛行駛工況，其交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)循環(huán)工況如圖1 所示。

按照上述公式計(jì)算出的負(fù)荷強(qiáng)度和加速因子如表1 所示。

搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的整車NEDC 循環(huán)中，車輛累積行駛里程為11 km，因此，交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)1 000h所對(duì)應(yīng)的車輛NEDC 工況的累積行駛里程S 可利用公式（6）進(jìn)行計(jì)算。從表1 可知，N=815，AF=51.39，Sj=11。計(jì)算結(jié)果為S=46.07 萬(wàn)km。

圖1 交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)循環(huán)

5 結(jié)論

本文從發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)所承受的負(fù)荷強(qiáng)度與整車行駛工況下所承受的負(fù)荷強(qiáng)度等效原則，推導(dǎo)了臺(tái)架耐久試驗(yàn)時(shí)間與對(duì)應(yīng)的整車行駛里程轉(zhuǎn)換公式，該轉(zhuǎn)換公式可用于車用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架壽命試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的整車行駛里程轉(zhuǎn)換。對(duì)某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)，分析計(jì)算了對(duì)應(yīng)車輛在NEDC 工況下的行駛里程。該方法已運(yùn)用于作者所在企業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)開發(fā)和可靠性評(píng)估，具有一定參考和借鑒意義。