王力斌

汽油發(fā)動機傾斜試驗研究

王力斌

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

發(fā)動機傾斜試驗的目的是驗證潤滑系統(tǒng)和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在前后縱傾、左右側(cè)傾及兩者相結(jié)合時的狀態(tài)是否符合要求，并對這幾種情況進行單獨分析及合成分析。文章以三缸汽油發(fā)動機為例介紹試驗?zāi)康摹⒃囼灉蕚?、儀器和設(shè)備、試驗方法、數(shù)據(jù)結(jié)果分析等。試驗通過傾斜發(fā)動機至一定角度模擬整車在加速、轉(zhuǎn)彎、剎車時油底殼液面高度及角度，評估發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在類似的整車工況下是否滿足發(fā)動機的正常工作需求，為發(fā)動機的設(shè)計及驗證提供參考。

傾斜試驗；三缸汽油發(fā)動機；機油含氣量；主油道機油壓力；曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗

引言

在發(fā)動機開發(fā)過程中，發(fā)動機的雛形出來后，需要對樣機進行詳細而準確的臺架試驗，以此來驗證整機以及零部件的性能及可靠性是否達到設(shè)計要求，并通過這個過程，來對發(fā)動機進行改進，通過不斷的改進提高產(chǎn)品性能適應(yīng)市場的需求。發(fā)動機傾斜試驗的主要目的是驗證潤滑系統(tǒng)和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在發(fā)動機前后縱傾和左右側(cè)傾及兩者相結(jié)合時的狀態(tài)是否符合要求，對這幾種情況進行單獨分析和合成分析。此試驗通過臺架將發(fā)動機傾斜至一定角度模擬整車在加速、轉(zhuǎn)彎、剎車時油底殼液面高度及角度，用于評估發(fā)動機潤滑、通風(fēng)系統(tǒng)在類似的整車工況下能否滿足發(fā)動機的正常工作需求。本文以三缸汽油發(fā)動機為例，詳細介紹在德國AVL SCHRICK公司傾斜試驗臺（圖1）進行試驗時的試驗?zāi)康?、試驗準備、儀器和設(shè)備、試驗方法、數(shù)據(jù)結(jié)果分析等。試驗主要關(guān)注在不同傾斜角度下機油含氣量情況、發(fā)動機主油道機油壓力下降程度、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗來評判發(fā)動機的試驗表現(xiàn)[1]。

圖1 德國AVL SCHRICK公司傾斜試驗臺照片

本試驗主要在發(fā)動機上模擬整車的加速、轉(zhuǎn)彎和剎車工況對于發(fā)動機工作的影響。主要關(guān)注兩個方面，其一為集濾器吸不到機油的風(fēng)險，其表現(xiàn)為機油含氣量過高以及主油道油壓波動過大，其風(fēng)險較為明顯，在極端情況下，可能會由于潤滑不足而造成發(fā)動機運動件的拉傷和損壞。其二為通風(fēng)系統(tǒng)機油耗過高的風(fēng)險：其表現(xiàn)為通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離器失效，大量機油直接進入進氣系統(tǒng)，其風(fēng)險主要在于兩方面，一方面由于機油大量損耗導(dǎo)致機油量減少，另一方面，大量機油進入進氣系統(tǒng)會直接導(dǎo)致燃燒過程中不可控的風(fēng)險。該試驗應(yīng)該在項目早中期進行：一旦潤滑通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計確定，整車加速度確定，建議著手準備進行此項試驗以確定能否滿足發(fā)動機最初設(shè)計要求。如果油底殼或潤滑、通風(fēng)系統(tǒng)重大設(shè)計更改，則有必要再重新進行該試驗[2-3]。

1 發(fā)動機參數(shù)、試驗前準備

發(fā)動機小型化是目前內(nèi)燃機發(fā)展的趨勢，隨著國家對乘用車燃油平均油耗限值規(guī)定及汽車尾氣排放控制強度的加大，小排量增壓發(fā)動機成為各大車企未來發(fā)展的方向。三缸渦輪增壓發(fā)動機具備以下優(yōu)點：（1）體積更小、重量更輕，對于小型車來說空間和車重都有一定優(yōu)勢。（2）配備渦輪增壓的三缸發(fā)動機動力輸出并不輸于四缸自然吸氣發(fā)動機。（3）更加節(jié)油，用車成本更低。搭載三缸渦輪增壓發(fā)動機的車型逐漸被消費者和汽車廠商所關(guān)注。本次試驗采用1.3 T三缸渦輪增壓發(fā)動機，該試驗樣機基本參數(shù)如表1所列。在進行傾斜試驗前發(fā)動機需在開發(fā)臺架上完成磨合，確保發(fā)動機扭矩、功率符合設(shè)計要求。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗確認活塞漏氣量處于正常水平。還需進行油尺標定試驗，確定機油尺上刻度和下刻度標志位所對應(yīng)的機油加注量。

表1 試驗樣機基本參數(shù)表

參數(shù)名稱數(shù)據(jù) 排量/ml1 349 缸數(shù)/個3 汽油型號RON 92# 壓縮比9.5 缸徑/mm80 沖程/mm89.4 點火順序1-2-3 發(fā)動機排列方式直列

2 發(fā)動機樣件準備

為了能觀察到機油在油底殼中的液位情況和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗，發(fā)動機需安裝特殊加工的透明油底殼及透明油氣分離器總成，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路使用透明管路，油氣分離器出口處的機油需要用收集罐進行采集。在試驗開始之前需要針對透明油底殼以及產(chǎn)品油底殼進行殘油標定，在進行油位加注時，需要將此差值考慮在內(nèi)，使機油加注量準確。

油氣分離器：油氣分離器外殼為透明材質(zhì)，內(nèi)部零件如單向閥等使用產(chǎn)品件。油氣分離器管路采用透明材質(zhì)且內(nèi)徑與產(chǎn)品件保持一致。

油底殼：透明材質(zhì)且按產(chǎn)品油底殼圖紙尺寸進行加工。

3 臺架布置、儀器和相關(guān)設(shè)備

本試驗需要在一個能夠調(diào)節(jié)進氣溫度、壓力、濕度及帶測功機的發(fā)動機傾斜臺架進行（圖2），該傾斜臺架的傾斜要求至少能滿足5°/s，在8個方向上能夠傾斜到50°，除所有正常測功機臺架記錄的參數(shù)要求及ECU記錄參數(shù)要求外，該臺架需要能夠滿足以下三個條件：其一同時記錄瞬態(tài)機油含氣量，其二可配備2～3個攝像頭并同時進行影像記錄，如圖3所示，其三能夠進行機油消耗量收集稱重，精確到0.1 g。臺架配備臺架油冷器，能夠控制機油溫度。測功機臺架必須能夠控制穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，在負荷波動的情況下，轉(zhuǎn)速波動要求為50 rpm，一般地，傾斜臺架由兩個旋轉(zhuǎn)架構(gòu)成，根據(jù)當(dāng)前試驗的要求，其傾斜角度范圍需要能夠到50°，傾斜角度精度必須能夠控制在±0.5°。測功機驅(qū)動軸、各傳感器測量通道、臺架冷凝系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)能夠適應(yīng)發(fā)動機旋轉(zhuǎn)。

圖2 發(fā)動機傾斜臺架示意圖

圖3 記錄瞬態(tài)機油含氣量攝像頭示意圖

4 試驗工況及機油加注量

試驗轉(zhuǎn)速：在傾斜試驗中一般進行3個試驗工況，低速、中速、高速。本次試驗轉(zhuǎn)速為1 500 rpm、4000 rpm、5 800 rpm，見表2。

傾斜方向：考察8個方向，分為4個主方向以及4個組合方向。主方向主要是傾向進氣側(cè)、傾向排氣側(cè)、傾向前端、傾向后端；4個組合方向主要是傾向進氣側(cè)前端、傾向進氣側(cè)后端、傾向排氣側(cè)前端、傾向排氣側(cè)后端，如圖4。

表2 試驗轉(zhuǎn)速工況表

發(fā)動機轉(zhuǎn)速/ rpm發(fā)動機負荷傾斜方向前后縱傾、左右側(cè)傾角度（主方向）/°前后縱傾與左右側(cè)傾相結(jié)合角度（組合方向）/° 1 500全負荷1—80～50(1,3,5,7方向)0～40(2,4,6,8方向) 4 000全負荷1—80～50 (1,3,5,7方向)0～40(2,4,6,8方向) 5 800全負荷1—80～50°(1,3,5,7方向)0～40(2,4,6,8方向)

圖4 發(fā)動機傾斜方向示意圖

機油加注量：（1）（Max+0.5）油尺上刻度加注量加0.5 L；（2）（Max）油尺上刻度加注量；（3）（Min）油尺下刻度加注量；（4）（Min-0.5L）油尺下刻度加注量減0.5 L。

5 試驗方法

將發(fā)動機以整車安裝角度安裝到傾斜試驗臺上，安裝調(diào)試機油含氣量儀至發(fā)動機主油道中以測量機油含氣量，按試驗機油加注量加入機油，發(fā)動機運轉(zhuǎn)在設(shè)定轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門全開，冷卻液溫度控制在（90±3）℃，油底殼機油溫度穩(wěn)定在（100±5）℃。

調(diào)整傾斜試驗臺不同傾斜方向傾角，由0°開始，以5°為步長逐次增大至最大角度，每個調(diào)整的工況點下，待機油含氣量穩(wěn)定后開始測量。直到出現(xiàn)以下三種情況中的任意一個：（1）機油含氣量大于25% ；（2）發(fā)動機主油道機油壓力比在整車安裝角度運行時下降超過70 kPa（需提前測量發(fā)動機在非傾斜狀態(tài)每個試驗轉(zhuǎn)速下主油道的油壓，作為判斷基準）；（3）曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗嚴重（機油從油氣分離器中流出）。停止試驗并迅速返回上一工況，以1°為步長繼續(xù)增大角度，直到準確找到含氣量大于25%、主油道壓力下降超過70 kPa、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗嚴重的角度位置。改變試驗轉(zhuǎn)速及機油加注量并重復(fù)以上步驟直至全部試驗完成[4]。

6 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析

表3 加速度對應(yīng)傾斜角度表

傾斜角度/°加速度g 00.0 50.1 100.2 150.3 200.4 250.5 300.6 350.7 400.8 451.0 501.2

圖5 傾斜角度計算圖

表4 試驗數(shù)據(jù)表

油位機油加注量/L轉(zhuǎn)速/rpm最大傾斜角度/° 12345678 Max+0.54.151 5005040504050405038 Max3.651 5005040504050354538 Min2.751 5005040504050323829 Min-0.52.251 5005040504050283424 Max+0.54.154 0005040504050304338 Max3.654 0005040504050304236 Min2.754 0005040504050243424 Min-0.52.254 0004038504048212820 Max+0.54.155 8005040504050254033 Max3.655 8005040504050254031 Min2.755 8004637504050233425 Min-0.52.255 8003634504043202720

油尺上刻度加注量加0.5 L（4.15 L），轉(zhuǎn)速為1 500 rpm與4 000 rpm時8個方向均能達到試驗規(guī)范要求傾斜角度。轉(zhuǎn)速為5 800 rpm時6方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度因有機油從油氣分離器中流出，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗高。

油尺上刻度加注量（3.65 L），轉(zhuǎn)速為1 500 rpm與4 000 rpm時8個方向均能達到試驗規(guī)范要求傾斜角度。轉(zhuǎn)速為5 800 rpm時6方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度因有機油從油氣分離器中流出，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機油耗高。

油尺下刻度加注量（2.75 L），轉(zhuǎn)速為1 500 rpm時8個方向均能達到試驗規(guī)范要求傾斜角度。轉(zhuǎn)速為4 000 rpm時6、7、8方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度，因為含氣量高。轉(zhuǎn)速為5 800 rpm時6、7、8方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度，因為含氣量高。

油尺下刻度加注量減0.5 L（2.25 L），轉(zhuǎn)速為1 500 rpm時7、8方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度，因為因含氣量高與機油壓力下降。轉(zhuǎn)速為4 000 rpm時6、8方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度，因為含氣量高。轉(zhuǎn)速為5 800 rpm時6、7、8方向未達到試驗規(guī)范要求傾斜角度，因機油壓力下降。

7 結(jié)論

（1）同一轉(zhuǎn)速工況下隨著機油液位的降低，發(fā)動機所能達到的傾斜角度變小。因為當(dāng)發(fā)動機油底殼內(nèi)機油傾斜到一定角度時，對發(fā)動機機油泵泵油效果產(chǎn)生影響，容易產(chǎn)生發(fā)動機機油含氣量高與機油壓力低的情況。

（2）在相同機油液位的情況下隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機各方向的最大傾斜角度變小。

（3）高轉(zhuǎn)速、低油位時容易出現(xiàn)機油壓力急劇下降。

（4）出現(xiàn)發(fā)動機傾斜角度未達到試驗規(guī)范要求的情況可以從兩方面改進：1）曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)：油氣分離器內(nèi)部設(shè)計改進。2）潤滑系統(tǒng)：缸蓋回油孔位置及回油孔徑的設(shè)計改進、油底殼設(shè)計、機油泵設(shè)計改進等。

8 結(jié)束語

本文對在德國AVL SCHRICK公司發(fā)動機傾斜試驗臺進行的三缸汽油發(fā)動機傾斜試驗進行了研究。結(jié)合試驗?zāi)康?、試驗準備、儀器和設(shè)備、試驗方法、數(shù)據(jù)結(jié)果分析，驗證了不同傾斜角度、不同轉(zhuǎn)速、不同機油加注量條件下的試驗表現(xiàn)。通過試驗得到了此發(fā)動機在不同傾斜方向所能達到的傾斜角度的最大值，為潤滑系統(tǒng)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

[1] Heino Beermann.SCHRICK test procedure-Tilt test 2:PREBFDEI- 2010-125[S].Austria: Christof Peters,2010.

[2] 高進軍.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,1998.

[3] 楊杰民.現(xiàn)代汽車發(fā)動機構(gòu)造[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1999.

[4] 孫博,曲函師,李春旺,等.汽油發(fā)動機傾斜試驗技術(shù)研究[C].2019中國汽車工程學(xué)會年會,2019.

Gasoline Engine Tilt Test Research

WANG Libin

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201 )

The purpose of engine tilt test is to verify whether the state of lubrication system and crankcase ventilation system in front and rear tilt, left and right tilt and the combination of them meet the require- ments, and analyze these cases separately and synthetically. Taking a three cylinder gasoline engine as an example, this paper introduces the test purpose, test preparation, instrument and equipment, test method, data result analysis, etc. By tilting the engine to a certain angle to simulate the oil level and angle of the oil pan when the vehicle is accelerating, turning and braking, the test evaluates whether the engine lubrication system and crankcase ventilation system can meet the normal working requirements of the engine under similar vehicle conditions, so as to provide reference for the design and verification of the engine.Keywords: Tilt test; Three cylinder gasoline engine;Oil aeration;Oil pressure; Ventilation system oil consumption

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1671-7988(2022)01-136-05

U464

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1671-7988(2022)01-136-05

CLC NO.:U464

王力斌，中級工程師，就職于泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，研究方向：汽油發(fā)動機臺架試驗。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.031