新開發發動機的性能測試與分析

李啟杰，吳長水，姜自才，何 良

（上海工程技術大學汽車工程學院，上海 201620）

0 引 言

作為一種重要的熱能動力機械，發動機在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。由于目前乘用車型快速更新，發動機推陳出新的速度也更快，因此，對新開發發動機的性能與可靠性的評估及評價也要求更高。而這些要求必然會導致對發動機工作的測試帶來更高的要求。為了達到車用發動機設計標準，在開發新型發動機時，發動機耐久性驗證變得尤為重要。

發動機耐久性試驗是對其負荷特性、經濟特性、活塞漏氣量、缸內壓力、機油消耗量以及零部件損傷等性能的穩定性考察，以便在發動機定型量產前及時發現其在設計、加工工藝以及所用材料等方面的不足，為后續優化指明方向。目前大部分使用的標準是國標與AVL公司標準，主要試驗項目有額定功率耐久性試驗、冷熱沖擊試驗、循環負荷試驗、交變負荷試驗等[1]。本文在對某新型發動機進行耐久性試驗的基礎上，通過凈功率試驗、萬有特性試驗、機械損失試驗、活塞漏氣量試驗、缸壓測量、氣門間隙測量、機油消耗量試驗，采集數據并進行發動機性能分析，為該發動機的進一步優化及可靠性評估提供依據。

1 試驗裝置及試驗方案

發動機耐久性試驗是新發動機的必要試驗[2]。對于發動機而言，耐久性是指發動機在長時間（500 h及以上）連續運行后，對其性能的變化情況及其主要零件磨損情況的綜合性考查。

1.1 試驗裝置

試驗主要設備：發動機耐久性試驗測控臺架、AVL數據采集模塊、電渦流測功機等。

臺架試驗用機主要技術參數如表1所示。

表1 試驗用發動機主要參數

1.2 實驗方案

1.2.1 臺架布置

發動機耐久性試驗測控臺架的布置如圖1所示。

1.2.2 實驗方案

參照國家標準GB/T 18297——2001《汽車發動機性能試驗方法》[3]以及GB/T 19055——2003《汽車發動機可靠性試驗方法》[4]，依據公司自定試驗標準[5]，對該發動機進行循環負荷下的耐久性試驗，持續時間為600h。耐久性試驗的循環負荷運行圖如圖2所示。

1）油門關閉。啟動發動機，發動機怠速（750r/min）運轉并保持30s。

2）油門全開。經過10 s從怠速（750 r/min）均勻升至最低全負荷轉速（1000r/min），持續120s。此后歷經120 s均勻升至最大扭矩轉速（5 000 r/min），并穩定在該轉速180 s。最后均勻升至額定轉速（5700r/min），歷時 240s，并穩定在該轉速 480s。

3）油門關閉。用測功機反拖發動機使其穩定在額定轉速，持續60s。此后歷時60s均勻下降至怠速，并穩定在怠速60s。

圖1 臺架布置簡圖

圖2 發動機耐久性試驗示意圖

4）油門全開。快速升至額定轉速，歷時15s，之后穩定在該轉速240s。歷經120s均勻降至最大扭矩轉速。

5）通過改變油門開度來改變負荷，持續運轉發動機655s。最后歷經10s快速降至怠速。至此完成一個循環，歷時40min。

6）如上所述，運行900個循環，共用時600h。

2 實驗結果及分析

按照耐久性試驗大綱要求[6]，運行發動機，對該發動機進行定時觀測記錄，采集相關數據進行分析，并對該發動機性能加以評定。

發動機耐久性試驗中，在每一工況點記錄1次試驗數據（選取每間隔100 h的試驗數據記錄進行作圖分析）。此外，記錄試驗過程中的所有異常事件，以便進行評價分析。

2.1 發動機功率和扭矩

2.1.1 功率和扭矩隨時間的變化關系

在發動機耐久性試驗中，每間隔100h記錄1次該發動機在節氣門全開時，分別在最大轉速（5700r/min）以及最大扭矩轉速（5 000 r/min）下的功率和扭矩[7]，其隨時間的變化關系如圖3和圖4所示。

圖3 發動機功率隨時間的變化關系

圖4 發動機扭矩隨時間的變化關系

由以上兩圖可知：在整個發動機耐久性試驗過程中，在最大轉速和最大扭矩轉速下運行時，該新型發動機的功率和扭矩在節氣門全開時隨時間的變化曲線都較為平穩，兩者波動率均在2%之內。這說明該新型發動機的功率和扭矩均具有良好的穩定性，達到穩定性要求[8]。

2.1.2 發動機耐久試驗前后的動力性能變化

根據試驗記錄的數據，做出發動機性能在耐久性試驗前后的變化關系圖，如圖5、圖6所示。

由以上兩圖可知，耐久性試驗前后，在外特性下，發動機的扭矩和功率的變化幅度均小于5%，且發動機功率和扭矩的各項指標均達到設計要求，說明該發動機動力性能滿足設計要求，且較為穩定。

圖5 發動機試驗前后功率的變化關系

圖6 發動機試驗前后扭矩的變化關系

2.2 發動機油耗

2.2.1 油耗隨時間變化關系

試驗中保持發動機節氣門全開，記錄下其在5700r/min和5000r/min下的燃油消耗率，繪制該發動機燃油消耗率與時間的關系，如圖7所示。

圖7 發動機燃油消耗率隨時間的變化關系

由上圖可知，實驗過程中，該發動機在兩種轉速下的燃油消耗率隨時間的變化曲線較為平穩，變化幅度均小于2%。此外，在最大扭矩轉速下的燃油消耗率曲線在試驗后期小幅度下降，最大轉速下的消耗率曲線隨時間上升幅度減小，說明該發動機經濟性能較為穩定，符合設計以及使用要求。

2.2.2 發動機耐久性試驗前后的經濟性變化

根據發動機外特性試驗數據，做出發動機耐久性試驗在100 h和600 h時燃油消耗率隨轉速的變化關系如圖8所示，由圖可知，試驗前后發動機的燃油消耗率變化較小，均在4%以內，說明該型發動機在經過連續長時間的運行后，經濟性能穩定，符合設計要求。

圖8 發動機燃油消耗率與轉速的關系

2.3 發動機漏氣量與缸壓

2.3.1 發動機漏氣量

活塞漏氣量通常指發動機在工作過程中，從曲軸箱通風管中逃逸出的氣體的流量[9]。活塞漏氣量直接反映出氣缸的密閉性，影響氣缸壓縮終止壓力，從而制約發動機的動力性以及經濟性的提高[10]。在耐久性試驗中，通過測定分析發動機漏氣量，可以判斷出發動機組件中活塞、活塞環和氣缸壁的設計及其相互之間的配合是否合理，以此來判別發動機密閉性的好壞[11]。由汽車發動機可靠性試驗方法GBT 19055——2003可知，四沖程發動機在全負荷時最大活塞漏氣量限值由下式給出：

式中：BL——全負荷最大活塞漏氣量限值，L/min；

VH——發動機排量，L；

nr——額定轉速，r/min；

rr——額定轉速、全負荷時增壓機的壓比，非增壓機rr=1；

Tm——進氣歧管內進氣溫度，K；非增壓機Tm=298K[12]。

根據發動機性能參數計算該發動機全負荷最大活塞漏氣量限值為：BL=40.6638L/min。

耐久性試驗中，每隔一段時間，在發動機外特性下測量其活塞漏氣量，并作出發動機耐久性試驗前后漏氣量隨轉速的變化關系圖，如圖9所示。

圖9 發動機漏氣量與轉速的關系

由于發動機活塞與氣缸壁之間存在間隙，且活塞環有開口，所以燃燒室中的高壓高溫氣體不可避免地泄漏到曲軸箱，而隨著發動機轉速的增加，單位時間內活塞循環次數增加，致使間隙漏氣增多，漏氣量增加。此外，耐久性試驗前后，由于發動機經過長時間的連續磨損，活塞、活塞環和氣缸壁之間的間隙增大，致使漏氣量增多。由圖可知，經過600h耐久性試驗，發動機漏氣量雖增加明顯，但均未超過40L/min，即均未達到漏氣量最大限值，總體上滿足設計要求。

2.3.2 發動機缸壓

在發動機耐久性試驗指標中，發動機缸壓最能綜合體現出其動力性以及經濟性能指標。缸壓的高低直接影響到發動機有效壓力的大小。缸壓高、有效壓力大、燃燒迅速充分、熱損失小，但易出現爆震；缸壓低，直接影響到發動機的動力性和經濟性，造成發動機動力下降、油耗增加、排放超標、甚至啟動困難等故障。

本次試驗在發動機轉速為（250±20）r/min，節氣門保持全開狀態下進行測量，采集數據并作出各氣缸缸壓隨試驗時間的變化關系圖，如圖10所示。

一般情況下，損害發動機缸壓的影響因素有氣門密封不良、活塞或活塞環磨損、缸筒磨損、火花塞密封不良、缸墊損壞、活塞達不到設計上止點等。由圖可知，耐久性試驗前后，發動機各缸壓最大相對標準偏差≤7%，各缸缸壓減少量均小于22%。由此可知，該型發動機密閉性能良好，符合設計和使用要求。

2.4 發動機機油消耗量檢查

機油對發動機的正常工作有著決定性的影響，具有密封、潤滑、清潔以及冷卻作用。在新型發動機耐久性試驗中，測量其機油消耗量可以直觀的評價出一臺發動機的好壞。

圖10 發動機缸壓隨時間的變化關系

本文采用放油稱重法來測量該發動機額定轉速、全負荷時的機油消耗量，并計算出其機油/燃料消耗比均小于0.25%，符合規定標準。

2.5 發動機主要零部件分析

經過600 h耐久性試驗，除更換一個火花塞外，無其他部件損毀更換。試驗完成后，按照規定對發動機進行拆檢，對其主要零部件的磨損和損壞狀況進行記錄分析。

經過拆檢分析，發動機曲軸和支架存在由機械交變應力引起的輕微裂紋，但裂紋只有通過探傷儀才可發現，對發動機壽命影響不大；缸套和活塞環摩擦副勉強可測量出輕度磨損，且局部光亮，有輕微擦傷；凸輪和挺桿有輕微磨損及劃痕，分析為材料疲勞所致；活塞環槽與環表面有少量沉積物，火花塞有少量積碳，分析原因為耐久性試驗后期，活塞、活塞環和缸壁磨損致使間隙變大，少量機油進入燃燒室所致，需在以后的新型發動機設計時進行優化改進。

3 結束語

本文通過對某新型發動機進行600 h耐久性試驗，采集數據進行分析，得出結論如下：

1）該發動機功率和扭矩與耐久性試驗時間的變化曲線變化穩定，波動≤2%，另外，耐久性試驗前后，發動機外特性下的扭矩和功率變化幅度均小于5%，表明該發動機有較好的穩定性。

2）該發動機燃油消耗率隨時間的變化曲線平穩，變化幅度均小于2%，且實驗前后其燃油消耗率變化較小，均在4%以內，符合設計要求。表明該發動機經濟性能良好且較為穩定。

3）經過600h耐久性試驗，該發動機漏氣量雖增加明顯，但均未超過40L/min，即均未達到漏氣量最大限值（40.663 8 L/min），此外，該發動機在轉速為（250±20）r/min，節氣門保持全開狀態下的缸壓在耐久性試驗前后，各缸壓差最大時≤7%，各缸缸壓減少量均小于22%，額定轉速、全負荷時的機油/燃料消耗比小于0.25%，表明該發動機各氣缸進氣均勻，穩定性和密閉性能良好。

4）耐久性試驗后拆檢發動機，發現該發動機只有個別主要部件有輕微磨損、劃痕或沉積物，對該發動機的正常工作和使用壽命影響不大；此外，在試驗過程中除更換一個火花塞外，無其他部件損毀，表明該發動機具有良好的耐久性能，工作穩定可靠。

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