基于HORIBA臺架的發動機運行邊界條件對其性能影響的試驗研究

張鵬，張志超，郭松

(1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700；2.中航工業貴航股份永紅散熱器公司，貴州貴陽 550009 )

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基于HORIBA臺架的發動機運行邊界條件對其性能影響的試驗研究

張鵬1，張志超1，郭松2

(1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510700；2.中航工業貴航股份永紅散熱器公司，貴州貴陽 550009 )

摘要：基于HORIBA臺架系統，以某渦輪增壓中冷柴油機為研究對象，進行了發動機臺架試驗邊界條件對柴油機性能指標影響的測試。結果表明：進氣溫度超過40 ℃、進氣濕度大于70%時，進氣條件對發動機扭矩的影響較大；扭矩對濕度的變化不敏感；提高進氣溫度控制精度可明顯改善對扭矩的影響；隨著中冷后溫度的升高，發動機扭矩值有一定程度的下降，油耗上升；中冷后溫度在50 ℃時性能出現明顯下降，中冷后溫度的控制精度應高于±5 ℃；冷卻液溫度高于85 ℃時，隨著冷卻液溫度的升高，發動機的扭矩下降而油耗率上升；冷卻液溫度控制精度在±5 ℃以內，可保證扭矩控制精度在2%以內。

關鍵詞：發動機；邊界條件；臺架試驗

0引言

近年來，面對節能、環保兩大主題的日益突出，越來越嚴格的關于發動機排放控制等方面的標準、法規相繼出臺。各大汽車和發動機廠商不斷進行發動機的技術升級，同時，對發動機開發設計以及檢測過程中的精度要求也越來越高[1]。發動機臺架測試結果的精確性保證對發動機開發過程的生產一致性以及可靠性、檢測結果的可重復性以及有效性具有重要的意義[2]。而臺架試驗結果的精度取決于試驗過程中對其邊界條件的控制情況。渦輪增壓發動機臺架運行時的邊界條件包括進氣溫度、進氣濕度、中冷后溫度和發動機水溫等，發動機運行時邊界條件的惡化直接導致發動機性能的下降。針對這一現狀，基于HORIBA臺架，以一款渦輪增壓柴油機為研究對象，通過分析發動機進氣溫度、進氣濕度、中冷后溫度、冷卻水溫度對發動機性能的影響，明確了提高邊界條件控制系統的精度對控制結果帶來的影響，指導控制系統精度的確定以及發動機邊界參數的設置，提高了檢測結果精度。

1試驗臺架系統及研究方法

1.1試驗裝置及對象

試驗用柴油機臺架系統由試驗柴油機、燃油控制及測量系統、冷卻水溫度控制系統、進氣溫度及濕度控制系統、進氣中冷系統、數據采集及測量系統等組成，主要進行發動機的轉速、扭矩、油耗率、進氣口溫度及濕度、進出水溫度以及中冷后溫度等參數的測量。試驗主要設備的信息如表1所示。

試驗對象為1臺渦輪增壓柴油機，具體技術參數如表2所示。

1.2試驗方案

發動機在臺架上進行開發測試以及檢測試驗時，外特性運行指標是評價其性能的主要依據。所以試驗在全負荷下、發動機轉速從2 250 r/min以250 r/min為步長上升至4 000 r/min的工況范圍內進行。在保持其他邊界參數穩定的情況下，分別通過進氣溫度和濕度控制系統控制進氣口溫度分別為20、30、40 ℃，記錄發動機扭矩、增壓壓力等參數。設置冷卻水溫控制系統參數,使發動機冷卻液出口溫度分別控制在85、95、105、115 ℃，穩定后記錄扭矩、油耗率、機油溫度等參數。調節進氣中冷系統使中冷后溫度，以5 ℃步長。依次由40 ℃升至80 ℃，觀察記錄發動機性能參數變化情況。

2研究結果與分析

發動機開發后，其主要性能指標就已經確定，但在實際運行時,臺架邊界條件會對發動機的實際運行參數產生影響，造成試驗結果的差異，影響試驗分析。以下分別對上述邊界條件進行試驗分析。

2.1進氣口條件的試驗分析

發動機進行臺架試驗時，空濾進口處的溫度、濕度和壓力對發動機運行時的進氣量直接產生影響，雖然渦輪增壓發動機能夠在進氣口條件變化時，通過調整增壓器的控制參數對進氣量進行保證，從而保持發動機的原有性能，但是對增壓控制參數的調整存在一定的限度[3]。因此對空濾進口處進氣條件的精確控制是發動機性能穩定的前提保障。

圖1 是在發動機不同進氣狀態、不同轉速工況下，控制發動機使其保持相同扭矩值時，記錄的發動機增壓壓力以及增壓所控制的參數值。條件1的進氣溫度為24.9 ℃、濕度45.5%、大氣壓力101 kPa、修正系數為0.999。在條件1下，發動機接近標準值運行。條件2為進氣溫度40 ℃、濕度55%、大氣壓力99 kPa、修正系數為1.102，運行環境相對較差。圖1顯示了發動機在不同進氣條件下運行時增壓壓力以及表示增壓器葉片開度的占空比的控制結果，表明了不同進氣條件下發動機運行控制參數的差異，這種控制參數的變化將直接反應在發動機的性能上。

上述結果顯示：當進氣條件變差時，要想達到相同的增壓壓力，需要增大增壓器葉片開度。發動機的標定是在進氣條件一定的情況下完成的，如果標定在進氣條件較好時進行，控制參數將被標定得較小[4]。當發動機運行的進氣條件變差時，即使增壓控制參數調節到極限值，也仍然達不到目標增壓壓力值，進而導致發動機的進氣量不足，影響發動機的性能。

如圖2所示為幾種不同進氣條件下，發動機在各轉速下運行時扭矩變化的情況。

結果顯示：在同一轉速下發動機的扭矩值由于進氣環境的影響會發生變化；隨著進氣條件不斷惡化，在不同轉速下發動機的扭矩值均有一定程度的下降，當溫度為40 ℃、濕度為76%時，降幅達到19 N·m。這是因為進氣溫度升高、濕度增大時，發動機燃燒室內的空氣量減少，并且水含量增加，引起燃燒不良，動力性下降。當濕度降低20%左右時，扭矩幾乎不變，說明扭矩對濕度變化不敏感。與標準進氣條件溫度25 ℃、濕度31%相比，進氣溫度在30℃、濕度在40%時對發動機的性能影響較小，最大降幅為7 N·m。溫度偏差縮小至1 ℃，進氣溫度為26 ℃時，扭矩變化減小至2 N·m。

2.2中冷后溫度的試驗分析

渦輪增壓技術是強化發動機的有效手段，但增壓后發動機進氣溫度的升高，增加了進入燃燒室的氣溫，提高了燃燒溫度[5]，導致發動機的熱負荷增加，進氣密度下降，過量空氣系數變大，在一定程度上削弱了發動機的動力性，并增加了NOx的排放[6]。增壓中冷技術由于能夠有效解決上述問題，并進一步提高發動機的性能而得到普遍應用。而中冷后溫度也成為增壓發動機臺架運行必須控制的邊界條件之一。為保證發動機燃燒的穩定性、性能的可比性，對中冷后溫度的精確控制尤為重要。

圖3所示為通過臺架試驗得到的中冷后溫度對發動機扭矩輸出的影響曲線。扭矩值隨著中冷后溫度的升高整體呈下降趨勢。因為中冷后溫度的升高使進氣管內的空氣密度降低，進而導致進入發動機的空氣質量減少，導致發動機的扭矩損失。

測試的增壓柴油機中冷后溫度一般設定為45 ℃。溫度升至47 ℃時開始出現變化趨勢，當中冷后溫度升高到50 ℃時，發動機扭矩值下降6 N·m左右。當溫度達到80 ℃時，發動機的扭矩輸出損失達到15%～18%。尤其在2 500 r/min全負荷工況，此時渦輪增壓器處于全面增壓狀態，進氣流量減少，使得燃燒后的廢氣能量也隨之減小，增壓器的增壓壓力出現明顯降低，扭矩損失嚴重。

圖4為中冷后溫度對發動機經濟性的影響曲線?？梢钥闯?隨著中冷后溫度的不斷升高，由于缸內空氣不足導致發動機燃燒惡化，油耗率上升；當中冷后溫度高達80 ℃時，發動機的油耗率相對于45 ℃時惡化8～15 g/kWh。

2.3冷卻水溫度的試驗分析

發動機的冷卻水溫代表了發動機工作時的燃燒室以及缸體的溫度環境。柴油機工作時最適宜的冷卻液溫度應控制在83～93 ℃之間，一般設置為90 ℃。此時柴油機的功率、油耗以及排放性能會處在一個相對平衡狀態。冷卻液溫度的過高或過低都會降低甚至喪失冷卻系統的功能。在實驗室實際臺架試驗時，主要控制冷卻液溫度防止其過高。水溫過高，發動機燃燒室內溫度隨之升高，導致充氣系數下降，增加了燃燒時爆震的概率[7]，同時會使機油的性能變差，零部件磨損加速。因此，冷卻液溫度是影響發動機臺架試驗結果的又一重要條件。

修正后扭矩及燃油消耗率受冷卻液溫度影響而表現出的變化情況如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯涸谕晦D速下冷卻液溫度從85 ℃升高到115 ℃時，扭矩表現為下降趨勢；在85～95 ℃時整體下降不明顯，但在低速全負荷工況時下降幅度相對高轉速時較高，最大降幅為2%左右，燃油消耗率基本保持穩定；在105 ℃時扭矩開始出現明顯下降，在低轉速工況變化的幅度高達5.3%，而燃油消耗率增加了約1.8%。

這是因為一方面冷卻液溫度直接影響機油溫度。機油溫度隨冷卻液溫度變化的情況如圖7所示，可以看出：機油溫度隨著冷卻液溫度的升高逐漸升高。而機油溫度在適當值下發動機的機械損失功率是最小的[8]。較大的機油溫度由于黏度過低而導致潤滑不良，機械損失增加;另一方面，缸內溫度的增加使得參與燃燒的空氣量減少，燃燒變差。最終的結果使發動機動力性下降，油耗增加。

3結論

(1)進氣溫度超過40 ℃、進氣濕度大于70%時進氣條件對發動機扭矩的影響較大。扭矩對濕度的變化不敏感。進氣溫度的控制精度由±5°提高至±1°時，扭矩下降可由7 N·m縮小至2 N·m。

(2)隨著中冷后溫度的升高，發動機扭矩值有一定程度的下降，油耗上升。中冷后溫度在50 ℃時性能出現明顯下降，所以中冷后溫度的控制精度應高于±5 ℃。某實驗室中冷后溫度的精度控制在±2 ℃，發動機扭矩和油耗率基本不受中冷后溫度的影響，可保證測試結果的穩定可控。

(3)冷卻液溫度高于85 ℃時，隨著冷卻液溫度的升高，發動機的扭矩下降而油耗率上升。當冷卻液溫度達到95 ℃時，低速滿負荷時扭矩變化率約為2.1%。在冷卻液溫度升至105 ℃時扭矩、油耗開始出現明顯惡化。因此，為保證測試時扭矩控制精度在2%以內，應將冷卻液溫度精度控制在±5 ℃以內。

參考文獻:

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【4】彭成成.高壓共軌柴油機可變渦輪增壓器匹配及控制策略研究[D].長春:吉林大學,2015.

【5】邢居真.測試系統參數對車用發動機排放的影響研究[D].武漢:武漢理工大學,2009.

【6】熊毅,蔡強.中冷后溫度對CNG發動機性能影響的試驗研究[C]//中國內燃機學會燃燒凈化節能分會學術年會,2013.

【7】呂猛,姜波,王振平.基于冷卻液溫度的發動機性能優化研究[J].交通節能與環保,2015(3):28-31.

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Experimental Study on the Effect of Engine Operating Boundary Conditions on Its Performance Based on HORIBA Test-bed

ZHANG Peng1, ZHANG Zhichao1, GUO Song2

(1.Guangzhou Mechanical Engineering Research Institute Co., Ltd.,Guangzhou Guangdong 510700, China；2.Yonghong Radiator Company of Guizhou Guihang Auto motive Components Co.,LTD of China Aviation Industry Corporation, Guiyang Guizhou 550009,China)

Keywords:Engine; Boundary condition; Bench test

Abstract:Based on the HORIBA test-bed system, the test of the influence of boundary conditions on performance of diesel engine was carried out by using a certain turbocharged diesel engine as research object. The results show that: air intake conditions have great influence on engine torque when air temperature exceeds 40 ℃ and air humidity is greater than 70%;torque is not sensitive to the changes in humidity; the effect on torque can be obviously reduced by improving air temperature control precision; with the increase of the air temperature at the intake intercooler outlet, the engine torque is reduced and fuel consumption is increased; engine performance is decreased significantly when the air temperature at the intake intercooler outlet reaches 50 ℃; the control precision of the air temperature at the intake intercooler outlet should be higher than 5 ℃; the engine torque is decreased and the fuel consumption rate is increased with the increase of the coolant temperature under the circumstances of the coolant temperature is higher than 85 ℃; the variation of torque is less than 2% at the condition of the coolant temperature control accuracy is within 5 ℃.

收稿日期：2016-03-29

作者簡介：張鵬(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車及零部件測試工作。E-mail：18665663171@163.com。

中圖分類號:U467.21

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1986(2016)04-029-04