單滾筒汽車發(fā)動機(jī)測功裝置自身消耗功率的測量方法研究

摘要：簡述汽車發(fā)動機(jī)動力性檢測的意義，在借鑒現(xiàn)有的檢測測功機(jī)本身損耗方法的基礎(chǔ)上，總結(jié)對單滾筒汽車發(fā)動機(jī)測功裝置自身消耗功率的幾種測量方法，重點(diǎn)介紹滑行法，并闡述測功裝置中系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的測量，給出具體計(jì)算公式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法可以較為準(zhǔn)確地測出測功裝置自身消耗的功率。

關(guān)鍵詞：底盤測功機(jī)；自身損耗；滑行法；轉(zhuǎn)動慣量

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）03-0026-04

0 引言

汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代社會人們工作、生活不可缺少的交通工具，隨著行駛里程的增加和使用時(shí)間的延續(xù)，其技術(shù)狀況將不斷變差。動力性和經(jīng)濟(jì)性是檢測汽車技術(shù)狀況的主要指標(biāo)，而汽車發(fā)動機(jī)輸出功率是汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。所以，如果不能準(zhǔn)確測量出發(fā)動機(jī)的輸出功率，就難以對車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性做出準(zhǔn)確評價(jià)。

目前對于汽車發(fā)動機(jī)輸出功率的準(zhǔn)確測量主要是采用拆卸發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)的方式，該方法操作不便，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。另外，在汽車檢測站廣泛應(yīng)用的雙滾筒底盤測功裝置，因其功能不全以及測量理論和方法不完善而無法快速地測量汽車發(fā)動機(jī)輸出功率和評定發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。

單滾筒汽車發(fā)動機(jī)測功裝置因滾筒直徑較大，車輪輪胎與滾筒的接觸更接近其與路面的實(shí)際情況，滑轉(zhuǎn)率小，滾動阻力小，因而具有較高的精度優(yōu)勢。但在測功機(jī)運(yùn)行過程中，滾筒自身轉(zhuǎn)動的損耗、軸承摩擦效應(yīng)和其他功率吸收裝置的損耗對于測量結(jié)果的影響是不能忽略的，因此，準(zhǔn)確測量出測功裝置自身消耗的功率對汽車發(fā)動機(jī)功率的準(zhǔn)確測量有著重要意義。本文簡單闡述了現(xiàn)行測功機(jī)自身功率損耗的測量方法，并簡述了國內(nèi)外對于本問題的最新研究，以期為開發(fā)研究和選擇使用新的測量方法提供參考。其中單滾筒測功裝置的示意圖如圖1所示。

1 現(xiàn)行測功裝置自身損耗功率的測量方法

1.1 國外測功裝置自身損耗功率的測量方法

以美國BAR 97關(guān)于底盤測功機(jī)的自身損耗功率測量方法為例，用的是空載滑行法。在檢測測功機(jī)自身損耗的功率時(shí)，使測功機(jī)空載轉(zhuǎn)動，計(jì)算16-32km/h和32-48km/h的實(shí)際滑行時(shí)間，然后通過式（1）計(jì)算底盤測功機(jī)24km/h和40km/h時(shí)的損耗功率計(jì)算公式為式中：——損耗功率；

DIW——底盤測功機(jī)基本慣量；

V₁，V₂——速度區(qū)間的起始與終止速度值；

△t——滑行的時(shí)間。

但是僅用零點(diǎn)與這兩個(gè)速度點(diǎn)的功率損耗，難以準(zhǔn)確擬合功率損耗曲線，所以，又對底盤測功機(jī)在速度區(qū)間12.8-19.2km/h、28.8-35.2km/h和44.8-51.2km/h進(jìn)行滑行測試，計(jì)算出16，32，48km/h這3個(gè)點(diǎn)的自身損耗功率，再通過這6點(diǎn)擬合出摩擦功率曲線。

在用該法進(jìn)行功率損耗測試時(shí)，對測功裝置除了進(jìn)行恒加載滑行測試外，還需進(jìn)行變載荷滑行測試。

1.2 國內(nèi)測功裝置自身損耗功率的測量方法

1.2.1 用能量法測量測功機(jī)的自身損耗

能量法用于檢查底盤測功機(jī)內(nèi)部磨擦損失功率（包括軸承磨擦損失等），應(yīng)在速度為8-100km/h的范圍內(nèi)，并且是在系統(tǒng)功率吸收單元完成校正之后進(jìn)行。通過求出速度與磨擦損失曲線，來修正底盤測功機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。速度低于8km/h的情況下，試驗(yàn)臺架的磨擦損失較小，不需要進(jìn)行標(biāo)定。

速度為40km/h和24km/h時(shí)，附加損失試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)小于設(shè)備首次附加損失試驗(yàn)結(jié)果的200%，并且最大值不能超過2.0kW，否則測功機(jī)應(yīng)鎖止，由維修人員進(jìn)行維修檢查；附加損失試驗(yàn)時(shí)測功機(jī)的指示功率PLHP應(yīng)設(shè)為零，在某一運(yùn)轉(zhuǎn)速度下的附加損失功率PLHP（kW）的計(jì)算式為式中：DIW——測功機(jī)所有旋轉(zhuǎn)部件的慣性質(zhì)量，kg；

V₁，V₂——測試區(qū)間的起始與終止速度，m/s；

△t——該測功機(jī)在速度區(qū)間的實(shí)際滑行時(shí)間，s。

1.2.2 用空載滑行法對測功機(jī)進(jìn)行功率補(bǔ)償

汽車在平直道路上行駛時(shí)，其道路行駛阻力F與車速V的關(guān)系用式（3）表示。某一汽車的系數(shù)A、B可用道路滑行能力變化法、等速扭矩法等方法得出。

當(dāng)汽車置于測功機(jī)上時(shí)，由于汽車保持靜止而測功機(jī)滾筒在轉(zhuǎn)動，驅(qū)動軸、驅(qū)動輪也在實(shí)際轉(zhuǎn)動，且制動力等也已產(chǎn)生，這幾部分阻力無需再模擬。因此，測功機(jī)上實(shí)際設(shè)置的道路阻力為

測功機(jī)運(yùn)行過程中，為補(bǔ)償軸承摩擦效應(yīng)吸收的力和其他功率吸收裝置吸收的力，令測功機(jī)實(shí)際設(shè)置的道路阻力系數(shù)Fo=F1=F2=0，將測功機(jī)空載。用電機(jī)拖動使測功機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至120km/h以上。此時(shí)測功機(jī)由速度控制模式切換至道路阻力控制模式，然后脫開電機(jī)自由滑行。這樣，轉(zhuǎn)轂的動能被摩擦效應(yīng)及功率吸收裝置吸收。對測功機(jī)分別指定不同的總慣量值m，測出在0，10，…，110，120km/h等各速度點(diǎn)附近給定時(shí)間間隔△t（如30s）內(nèi)的速度下降值△V，如表l所示，由式（3）和式（4）分別計(jì)算摩擦損失：式子：m——指定的總慣量值，kg；

V_start——初始速度，km/h；

V_end——末速度，km/h；

△t——測試時(shí)間，s；

F_loss——摩擦損失力，N；

P_loss——摩擦損失功率，W。

在各慣量、各速度點(diǎn)下F_loss均應(yīng)小于ION，或者P_loss小于73.5W。否則，應(yīng)按實(shí)測的摩擦損失值重新修正該測功機(jī)的摩擦損失補(bǔ)償曲線。

1.2.3 用滑行法進(jìn)行功率補(bǔ)償

汽車底盤測功機(jī)作為道路模擬裝置，其臺架自身傳動部件在車輪帶動滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，由于機(jī)械摩擦阻力的存在，將消耗一定的功率，即內(nèi)部損失功率。以東風(fēng)EQ01090型車輛為例，在名義速度88km/h時(shí)，臺架內(nèi)部損失功率占發(fā)動機(jī)額定功率的4.5%；在名義速度72km/h時(shí)，臺架內(nèi)部損失功率約占驅(qū)動輪輸出功率的6%。內(nèi)部損失功率的測量通常采用滑行法。

底盤測功機(jī)內(nèi)部損失功率計(jì)算方法：式中：P_vi——名義速度為V_i時(shí)的內(nèi)部損失功率；

的速度點(diǎn)；

△t——對應(yīng)速度段的滑行時(shí)間；

DIW——基本慣量。

根據(jù)內(nèi)部損失功率滑行測試結(jié)果擬合內(nèi)部損失功率一速度曲線，并對最大測試車速范圍內(nèi)任意速度下的吸收功率進(jìn)行自動補(bǔ)償，被檢車輛驅(qū)動輪的輸出功率為吸收功率與內(nèi)部損失功率之和，即：式中：P_a——驅(qū)動輪的輸出功率；

P_i——測功機(jī)吸收功率

P_vi——V_i速度下的內(nèi)部損失功率。

文獻(xiàn)[1]中，采用反拖法與此方法進(jìn)行了對比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測試數(shù)據(jù)表明：在24，40，80kM/h的這3個(gè)速度點(diǎn)的測量結(jié)果誤差分別為0，0.03，0.2kW，說明兩種方法的測量誤差、實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，測試速度點(diǎn)越高，誤差值越大。

1.2.4 電機(jī)反拖功率法測量系統(tǒng)消耗功率

文獻(xiàn)[2-3]中利用反拖法對底盤測功機(jī)系統(tǒng)消耗功率進(jìn)行了測試，首先測試底盤測功機(jī)在不同速度下阻力及損耗的功率。系統(tǒng)損耗功率的測取方法是利用變頻調(diào)速器控制反拖電機(jī)驅(qū)動測試系統(tǒng)空轉(zhuǎn)，記錄反拖力及反拖功率大小，測試結(jié)果表明：系統(tǒng)阻力隨著速度的增加而減小，相反，功率損耗隨著速度的增加而增大。

2 底盤測功機(jī)轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的測定

在測功裝置運(yùn)行的過程中，底盤測功機(jī)的滾筒及傳動系轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確測出，是精確模擬汽車行駛阻力的前提。文獻(xiàn)[4]中提出通過“加速一制動”實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的方法，并建立了測試系統(tǒng)，測試原理如下：

對于一個(gè)簡單的兩端支撐的回轉(zhuǎn)件：設(shè)其轉(zhuǎn)動慣量為，，當(dāng)它以某一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸上反向施加一恒定的制動扭矩M1，則：式中：M1——制動轉(zhuǎn)矩，N·m；

Mz——系統(tǒng)阻力轉(zhuǎn)矩，N·m；

ε1——回轉(zhuǎn)件的減速度，rad/s2；

W2——開始時(shí)轉(zhuǎn)速，rad/s；

Wl——結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)速，rad/s；

△tl——從W1到W2的時(shí)間間隔，s。

得到下式：

由于Mz難以測量，且是W的函數(shù)，為了取消M對慣量測試的影響，在同一轉(zhuǎn)速下另外施加一制動扭矩M2，則：式中：M2——制動轉(zhuǎn)矩，N·m；

Mz——系統(tǒng)阻力轉(zhuǎn)矩，N·m；

ε2——回轉(zhuǎn)件的減速度，rad/s2；

W2——開始時(shí)轉(zhuǎn)速，rad/s；

Wl——結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)速，rad/s；

△t2——從W1到W2的時(shí)間間隔，s。

式（9）、式（12）相減得到：

所以得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算公式：

實(shí)測結(jié)果表明，這種方法有效可靠、測試精度高，是一種實(shí)用的確定大型復(fù)雜傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的方法。

3 國內(nèi)外對底盤測功機(jī)自身功率損耗測量的最新進(jìn)展

隨著科技發(fā)展，測功機(jī)自身損耗功率的檢測也趨于簡便、穩(wěn)定、精確。吉林大學(xué)王建強(qiáng)等對驅(qū)動和反拖兩種狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析，建立了基于雙滾筒底盤測功裝置的汽車動力性測量模型；馬強(qiáng)駿應(yīng)用相似理論分析和室內(nèi)臺架模擬汽車性能測量實(shí)驗(yàn)及道路實(shí)驗(yàn)，建立了加速、滑行等主要測量數(shù)據(jù)修正模型；李曉波等自行研發(fā)出一套單滾筒測功機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)與測控系統(tǒng)，可以快速準(zhǔn)確地測出測功裝置的寄生損失，數(shù)據(jù)表明，他們研發(fā)的測功機(jī)已達(dá)到GB 18352.3-2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）》標(biāo)準(zhǔn)和美國EPA技術(shù)規(guī)范的要求。

4 結(jié)束語

目前，對于底盤測功機(jī)自身損耗的測量存在至少5種方法：電機(jī)反拖功率法、電機(jī)反拖反力法、自由和加載兩次滑行法、增減慣量兩次滑行法和慣量統(tǒng)計(jì)法，各種檢測方法均有其優(yōu)劣。為了跟上科技發(fā)展的腳步，適應(yīng)功率檢測快速、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)，現(xiàn)行使用的測功機(jī)自身功率損耗測量的方法仍存在許多問題。

1）測功裝置在運(yùn)行過程中的會產(chǎn)生大量熱量，這部分功率的損失仍沒有找到有效的測量方法。

2）要探索新技術(shù)、新方法，使用新型傳感器，減少摩擦損失，更加精確地測量計(jì)算中的各個(gè)參數(shù)，使參數(shù)的測量更加有效、簡便，使系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定。

3）引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，開發(fā)高精度的檢測設(shè)備，為完善國家和行業(yè)汽車性能測量標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一，規(guī)范發(fā)動機(jī)功率測量和確保產(chǎn)品質(zhì)量安全提供技術(shù)支持，為汽車檢測部門快速準(zhǔn)確評價(jià)汽車動力性提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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