車用汽油機冷熱沖擊可靠性試驗研究

（南京汽車集團有限公司汽車工程研究院江蘇南京210028）

車用汽油機冷熱沖擊可靠性試驗研究

董淼 劉國盛

（南京汽車集團有限公司汽車工程研究院江蘇南京210028）

冷熱沖擊試驗用于考核在冷熱交變工況下，受熱應力及交變應力的發動機零部件的可靠性，如缸蓋缸體的變形量、缸墊的密封性等。通過對某汽油機進行50循環的冷熱沖擊試驗，驗證了所采用的試驗規范能夠模擬零部件疲勞受損情況。試驗期間，發動機功率、油耗、排氣溫度等參數變化較小，氣缸壓縮壓力數值穩定，發動機未出現明顯故障；試驗前后，發動機動力性、經濟性參數變化較小，發動機可靠性能夠滿足要求。

汽油機冷熱沖擊可靠性

引言

現代發動機產品的開發必須經歷各種試驗才能定型生產，為保證質量，發動機在設計、改進和生產過程中均需要進行可靠性試驗，產品開發成功與否與可靠性試驗密切相關[1]。

GB/T 19055-2003《汽車發動機可靠性試驗方法》[2]規定了發動機交變負荷試驗、混合負荷試驗、冷熱沖擊試驗等可靠性試驗的方法。其中，冷熱沖擊試驗用于考核在冷熱交變工況下，受熱應力及交變應力的發動機零部件的可靠性，如缸蓋缸體的變形量、缸墊的密封性等[3]。本文對某汽油機進行了50循環的冷熱沖擊試驗，驗證了所采用的試驗規范能夠模擬零部件疲勞受損情況，考核了發動機零部件的可靠性及發動機性能的變化情況。

1試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗用發動機為某國Ⅳ汽油機，其主要技術參數如表1所示。試驗主要設備有Froude Hofmann EC38電渦流測功機、AVL 7131-06R動態油耗儀等。以上設備在試驗前均經過校驗，符合GB/T 19055-2003規定。

表1 試驗用汽油機主要參數

1.2 試驗規范

試驗采用的冷熱沖擊規范見表2，發動機需按規范運行40次，接著運行1 h額定功率工況，以此為一個完整的循環。可靠性試驗前，按指定的磨合工況進行磨合。磨合的目的在于減少初始階段的磨損量，延長發動機的使用壽命，并檢查發動機機械件與電氣件的可靠性[4]。磨合結束后進行了性能初試并記錄數據，再進行50個完整的冷熱沖擊循環，最后完成性能復試。

表2 冷熱沖擊循環工況

對比該冷熱沖擊試驗規范與國標可知，無論是冷工況還是熱工況，冷卻水出口溫度均達到或超過國標要求，整個冷熱沖擊可靠性試驗的持續時間也超過國標要求。文獻[5]指出，發動機累計轉動次數可以反映運動件的疲勞情況。由表1可知，工況1、2下發動機保持在6 000 r/min時的累計時間超過2 min，一個完整循環發動機轉動次數大于8.4×105，整個可靠性試驗，發動機轉動次數至少達到4.2×107，對應到曲軸系統的轉動次數為4.2×107，凸輪軸系統的轉動次數也達到2.1×107，超過了金屬的疲勞極限2×107。因此，采用的試驗規范能夠模擬零部件疲勞受損情況。

2試驗結果與分析

2.1 冷熱沖擊試驗期間參數對比

2.1.1 功率

圖1為冷熱沖擊試驗期間，該汽油機在額定工況下的功率測試結果。由圖1可知，整個可靠性試驗期間，該汽油機的功率較為穩定，未出現功率突然下降等故障，功率隨時間的增長略有下降，降幅約為3.8%，符合GB/T 19055-2003中規定的功率下降不超過5%的要求。這說明試驗期間，發動機每循環放熱量基本相等，輸出功穩定。

圖1 發動機功率隨時間的變化

2.1.2 油耗

圖2為冷熱沖擊試驗期間，該汽油機在額定工況下的油耗測試結果。由圖2可知，從40個循環以后，發動機的燃油消耗明顯有所增加，但功率反而下降，可能的原因有：1）冷熱沖擊試驗使發動機零部件磨損增大，曲軸箱等處竄入的未燃HC濃度增加，發動機的熱效率有所降低；2）隨著試驗的進行，缸內可能存在一定的積炭，這會使發動機的燃燒有所惡化，導致燃油消耗增加，輸出功率降低。

圖2 發動機油耗隨時間的變化

2.1.3 排氣溫度

圖3為冷熱沖擊試驗期間，該汽油機在額定工況下，催化劑前排氣溫度的測試結果。由圖3可知，發動機排氣溫度隨時間的變化規律與油耗相反，隨時間的增長有所降低，尤其是40個循環以后，排氣溫度降低的幅度更大，說明此時缸內燃燒有所惡化，導致發動機熱效率降低。

2.1.4 氣缸壓縮壓力

氣缸壓縮壓力可用于檢測氣缸和缸墊的密封性。冷熱沖擊試驗期間，氣缸壓縮壓力如表3所示。由表3可知，整個試驗期間，各缸壓縮壓力數值穩定，未出現明顯的漏氣現象，氣缸和缸墊的密封性較好。

圖3 發動機排氣溫度隨時間的變化

表3 氣缸壓縮壓力對比

2.2 冷熱沖擊試驗前后參數變化

2.2.1 動力性

圖4為汽油機冷熱沖擊試驗前后功率的對比。由圖4可知，冷熱沖擊試驗后，試驗用汽油機動力性略有降低，沒有出現明顯的功率下降情況，在高轉速區間，功率的下降幅度較低速時略大。

圖4 冷熱沖擊試驗前后動力性對比

2.2.2 經濟性

圖5為汽油機冷熱沖擊試驗前后油耗的對比。由圖5可知，冷熱沖擊試驗后，除去2 000 r/min、 100%負荷這點，可靠性試驗前后油耗的變化較小。總體而言，冷熱沖擊試驗前后，該汽油機的動力性、經濟性參數較為穩定，發動機的可靠性能夠滿足要求。

圖5 冷熱沖擊試驗前后經濟性對比

3結論

1）整個冷熱沖擊可靠性試驗，曲軸系統及凸輪軸系統的轉動次數分別為4.2×107、2.1×107，超過了金屬的疲勞極限。采用的試驗規范能夠模擬零部件疲勞受損情況。

2）冷熱沖擊試驗期間，該汽油機的功率較為穩定，未出現功率突然下降等故障，功率隨時間的增長略有下降，降幅約為3.8%。從40個循環以后，發動機的燃油消耗有所增加，排氣溫度下降；各缸壓縮壓力數值穩定，未出現明顯的漏氣現象，氣缸和缸墊的密封性較好。

3）冷熱沖擊試驗后，試驗用汽油機動力性略有降低，出現明顯的功率下降情況，在高轉速區間，功率的下降幅度較低速時略大。除去2 000 r/min、100%負荷這點，試驗前后油耗的變化較小，發動機的可靠性能夠滿足要求。

1方達淳，吳新潮，饒如麟，等.論“汽車發動機可靠性試驗方法”[J].汽車科技，2002（2）：19-22

2全國汽車標準化技術委員會.GB/T 19055-2003汽車發動機可靠性試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2003

3章海峰.車用柴油機熱沖擊試驗臺的設計[J].內燃機，2013（1）：37-40

4王華僑，耿巍麟，吳軍軍.某高速鋁合金發動機裝配測試關鍵技術應用研究[J].CAD/CAM與制造業信息化，2008（9）：76-80

5殷海庭.汽油發動機可靠性試驗方法研究[J].柴油機設計與制造，2014，20（2）：36-39，48

Research of Thermal Shock Reliability Tests for Gasoline Engine

Dong Miao,Liu Guosheng
Research Institute of Nanjing Automobile Group Corporation(Nanjing,Jiangsu,210028,China)

Thermal shock tests are used to research the reliability of engine parts such as the deformation of cylinder head and cylinder and the tightness of cylinder pad by thermal stress and alternating stress in alternating hot and cold conditions.In this paper,50 cycles of thermal shock test was carried out on a gasoline engine and the test specification was verified to be able to simulate the fatigue damage of engine parts.During the test,parameters of engine power,fuel consumption and exhaust temperature etc changed few,with the stability of cylinder compression pressure,and there were no obvious faults for the engine; there were few changes in dynamic and economic parameters before and after the test,meeting the requirements of engine reliability.

Gasoline engine,Thermal shock,Reliability

TK417+.13

A

2095-8234（2016）06-0027-03

2016-08-31）

董淼（1988-），男，碩士，主要研究方向為發動機性能和可靠性試驗分析。