發(fā)動機(jī)交流電力測功機(jī)選型探討

林 斌

（柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545000）

在汽車發(fā)動機(jī)的研發(fā)、測試和生產(chǎn)中，發(fā)動機(jī)動力性能是極為重要的檢測項(xiàng)目，測功機(jī)是實(shí)現(xiàn)此測試要求的必需儀器。可供選用的測功機(jī)類型較多，而合理的測功機(jī)選型是復(fù)雜的系統(tǒng)工程與極為重要的課題。本文通過介紹交流電力測功機(jī)的優(yōu)勢，提出了在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)劃過程中，對交流電力測功機(jī)的關(guān)鍵部件、參數(shù)確定的建議，以便給發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃者提供參考。

1 發(fā)動機(jī)測功機(jī)的選型方法

1.1 測功機(jī)的功能

測功機(jī)主要用于測試發(fā)動機(jī)、電動機(jī)或動力系統(tǒng)的輸出功率，也可作為齒輪箱、減速機(jī)、變速箱測試的加載設(shè)備。在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室，測功機(jī)還可以測試發(fā)動機(jī)的性能。電力測功機(jī)還可以開展發(fā)動機(jī)排氣污染物（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)）、機(jī)械損失功率（即倒拖）等測試。

1.2 測功機(jī)選型的一般步驟

在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室測功機(jī)選型時，應(yīng)首先定位實(shí)驗(yàn)室功能和需求，結(jié)合各種類型測功機(jī)（如水力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)、交流電力測功機(jī)等）的特點(diǎn)確定所選測功機(jī)類型。其次依據(jù)被測發(fā)動機(jī)性能參數(shù)值來參考確定測功機(jī)參數(shù)（如：轉(zhuǎn)速、功率、扭矩）。最后，需要對測功機(jī)關(guān)鍵部件、參數(shù)進(jìn)行確定。根據(jù)交流電力測功機(jī)的功能需求，需要確定的主要關(guān)鍵部件及其參數(shù)有：電機(jī)類型、轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器和轉(zhuǎn)動慣量。

2 交流電力測功機(jī)的優(yōu)勢

目前汽車行業(yè)普遍使用的測功機(jī)類型主要有水力測功機(jī)、電渦流測功機(jī)和交流電力測功機(jī)，每種類型測功機(jī)都在特定功能實(shí)驗(yàn)室中有所選用。而交流電力測功機(jī)憑借其毫秒級的控制響應(yīng)、轉(zhuǎn)動慣量小、控制穩(wěn)定性高、系統(tǒng)振動小、測試重復(fù)性好，以及滿足瞬態(tài)試驗(yàn)、倒拖和冷磨試驗(yàn)要求，低速加載能力強(qiáng)、能源利用率高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前技術(shù)最先進(jìn)、功能最完善的測功機(jī)類型。它在運(yùn)行時能夠?qū)⑷加桶l(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供實(shí)驗(yàn)室電器使用或向電網(wǎng)回饋，從而減少能源浪費(fèi)、降低運(yùn)行成本。交流電力測功機(jī)是目前唯一能夠滿足排放法規(guī)測試要求的設(shè)備。

同時，交流電力測功機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)雙向加載，可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，其加載特性為超低轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性（如圖1所示），符合動力機(jī)械的負(fù)載特性，滿足被測發(fā)動機(jī)多種工況測試的需求。

圖1 某品牌265kW交流電力測功機(jī)性能曲線（作為負(fù)載時）

因此，汽車與發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、檢測機(jī)構(gòu)的發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室推薦選用交流電力測功機(jī)。

3 交流電力測功機(jī)關(guān)鍵部件、參數(shù)確定

3.1 測功機(jī)參數(shù)確定

在選擇測功機(jī)時，必須使測功機(jī)的性能曲線與發(fā)動機(jī)的性能曲線相對應(yīng)，測功機(jī)的性能曲線應(yīng)包絡(luò)全部被測發(fā)動機(jī)的性能曲線。為保證測功機(jī)既具有較高的測量精度，又獲得盡可能大的使用效率，選擇測功機(jī)的規(guī)格應(yīng)盡可能與發(fā)動機(jī)的額定參數(shù)相匹配。

對于生產(chǎn)企業(yè)，由于同一規(guī)格被測發(fā)動機(jī)數(shù)量較多，應(yīng)該是一臺測功機(jī)對應(yīng)于一種規(guī)格發(fā)動機(jī)檢測，并使測功機(jī)工作在最佳特性區(qū)域，選取被測發(fā)動機(jī)額定扭矩和額定功率約等于測功機(jī)額定扭矩和額定功率的90%較為合理。

對于被測發(fā)動機(jī)規(guī)格較多，單一規(guī)格發(fā)動機(jī)檢測工作量有限的應(yīng)用情況（如檢測/檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室），希望獲得合理的投資效益、測功機(jī)具有相對飽和的工作量，一臺測功機(jī)通常用于檢測一定規(guī)格范圍的發(fā)動機(jī)。一方面，由于扭矩傳感器屬于非線性器件，低負(fù)載端處于非線性段；另一方面，如圖2所示，電機(jī)工作在低功率段時，效率與功率因數(shù)均較低。為確保測功機(jī)工作于合理的精度與效率、功率因數(shù)范圍，建議被測發(fā)動機(jī)額定扭矩和額定功率應(yīng)不低于測功機(jī)對應(yīng)額定值的30%.

用于車用發(fā)動機(jī)測試的測功機(jī)的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于被測發(fā)動機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速的117%.

3.2 交流電力測功機(jī)的電機(jī)選配

電機(jī)是交流電力測功機(jī)的關(guān)鍵部件，電機(jī)的選擇直接關(guān)系到測功機(jī)的動態(tài)性能，體現(xiàn)試驗(yàn)室的功能特點(diǎn)。異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)是目前可供選擇的交流電力測功機(jī)專用電機(jī)，表2表示異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)在發(fā)動機(jī)測功機(jī)方面的比較。

表2 發(fā)動機(jī)測功機(jī)用異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)的比較

通過以上比較，兩種電機(jī)都可以有其特定的選用需求，目前在發(fā)動機(jī)測功機(jī)生產(chǎn)廠家中更多使用的是異步電機(jī)。而永磁同步電機(jī)具有低慣量、轉(zhuǎn)速高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)也正受到部分用戶的重視和選用。異步電機(jī)的特性曲線（轉(zhuǎn)速n、效率η、功率因數(shù)cosφ、轉(zhuǎn)矩T與輸出功率P2之間的關(guān)系）見圖2[1]，永磁同步電機(jī)的特性曲線見圖3[2]。

圖2 異步電機(jī)的特性曲線

圖3 永磁同步電機(jī)的特性曲線

在兩種電機(jī)的選擇上，可從兩種實(shí)驗(yàn)室建設(shè)角度來考慮：作為研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，要求較高的動態(tài)性能，較好的調(diào)速性能，建議選用永磁同步電機(jī)；作為檢測/檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，建議選用異步電機(jī)，這樣既能滿足檢測要求，又減少了設(shè)備資金投入。

3.3 傳感器準(zhǔn)確度的確定

測功機(jī)需要與轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器組合，共同完成測試。發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室規(guī)劃應(yīng)首先明確每個測試臺架的功能定位和需求，以便合理選擇轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器的精度。對于檢測/檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)以國家、行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室功能定位，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求確定傳感器精度（見表3）。

表3 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對測功機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的準(zhǔn)確度要求[3-7]

3.4 轉(zhuǎn)動慣量

交流電力測功機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能是其一大突出優(yōu)點(diǎn)，而測功機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量就是一個極其重要的動態(tài)響應(yīng)影響因素。需要對測功機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行估算并選擇，以便在測試發(fā)動機(jī)時測功機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮出優(yōu)越的瞬態(tài)響應(yīng)。根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室臺架建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，測功機(jī)選型中可以根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量定理進(jìn)行估算，以確定所選測功機(jī)慣量的參考值。

式中：M為扭轉(zhuǎn)力矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；β為角加速度；△ω為角度速度變化量；△t為變化時間。

例如：試驗(yàn)被測試發(fā)動機(jī)額定功率為80 kW，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量為0.20 kg·m2.試驗(yàn)工況要求發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從怠速650 r/min提升到額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min所用的時間控制在5 s以內(nèi)。試驗(yàn)采用的傳動軸慣量為0.02 kg·m2.那么可以估算出測功機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量控制值，計算如下：

慣量J包含測功機(jī)、傳動軸系和發(fā)動機(jī)等主要回旋體的轉(zhuǎn)動慣量總和，所以電力測功機(jī)轉(zhuǎn)動慣量值應(yīng)在總慣量中去除傳動軸系和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，即測功機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量估算值應(yīng)在≤0.917 kg·m2時能夠滿足需求。

4 交流電力測功機(jī)的應(yīng)用實(shí)例與擴(kuò)展

4.1 實(shí)例分析

某檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室需要建設(shè)一套發(fā)動機(jī)測試臺架，要求該臺架具備以下功能：

（1）滿足GB 17691-2005和GB 14762-2008法規(guī)要求的發(fā)動機(jī)排氣污染物測試；

（2）最大測試發(fā)動機(jī)（參考）某品牌225 kW汽油發(fā)動機(jī)，其額定功率為225 kW，額定扭矩為370 N·m，額定轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，發(fā)動機(jī)慣量為0.34 kg·m2，怠速轉(zhuǎn)速為845 r/min；

（3）采用某品牌的高彈性聯(lián)軸器，其傳動軸慣量為 0.26 kg·m2；

（4）要求瞬態(tài)測試時發(fā)動機(jī)能夠在3 s內(nèi)從怠速提高到額定轉(zhuǎn)速。

實(shí)驗(yàn)室從現(xiàn)有市場上產(chǎn)品應(yīng)用的成熟度，減少設(shè)備采購資金等方面考慮，決定采用目前應(yīng)用廣泛，價格較為便宜的異步電機(jī)。

根據(jù)規(guī)劃要求，該實(shí)驗(yàn)室應(yīng)選用交流電力測功機(jī)，以滿足排放測試需要。

通過3.1提出的使用建議估算，測功機(jī)規(guī)格的選擇方向?yàn)椋侯~定功率≥250 kW，額定扭矩≥412 N·m，最大轉(zhuǎn)速≥7 605 r/min.

標(biāo)準(zhǔn)通過3.4介紹的估算方法，測功機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量在≤0.517 kg·m2時能夠滿足瞬態(tài)測試需求。

綜合上述估算，對市場上現(xiàn)有測功機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行篩選，優(yōu)先從現(xiàn)有量產(chǎn)型號中選擇，最終選用了以下某品牌的250 kW交流電力測功機(jī)，其參數(shù)如表4所示。

表4 某品牌的250 kW測功機(jī)參數(shù)

經(jīng)驗(yàn)算，以上測功機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器精度滿足17691-2005和GB 14762-2008的測量準(zhǔn)確度要求。

依據(jù)3.1的建議，在使用該測功機(jī)時，被測試發(fā)動機(jī)規(guī)格控制在以下要求內(nèi)：額定功率為75～225 kW，額定扭矩為180～540 N·m，最高空載轉(zhuǎn)速≤10 000 r/min.

4.2 應(yīng)用擴(kuò)展

發(fā)動機(jī)總成或動力鏈系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是發(fā)動機(jī)本體以及整車設(shè)計的重要參數(shù)。在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行整車的道路模態(tài)、飛輪設(shè)計或發(fā)動機(jī)逆向設(shè)計等工程中，轉(zhuǎn)動慣量也是很重要的參數(shù)。目前可以采用CAE運(yùn)動分析來模擬計算，但是工作量比較大[8]。這時，交流電力測功機(jī)就提供了一個簡單、便捷、直觀的近似測量方案。依據(jù)牛頓第二定律，利用交流電力測功機(jī)特有的倒拖功能，將發(fā)動機(jī)控制在勻速運(yùn)轉(zhuǎn)或加速運(yùn)轉(zhuǎn)下，通過傳感器測量扭矩，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便可獲得被測物的轉(zhuǎn)動慣量值。

5 結(jié)束語

本文介紹了發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室測功機(jī)選型及關(guān)鍵部件優(yōu)化選擇的方法，供大家參考使用，以便在發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計規(guī)劃中對測功機(jī)綜合評價、準(zhǔn)確定位、優(yōu)化組合，以達(dá)到理想的建設(shè)方案。隨著電機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和變頻技術(shù)的不斷進(jìn)步，交流電力測功機(jī)的性能也一定還會走上一個新的臺階。

[1]王秀和.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2]張漢允.永磁同步電機(jī)設(shè)計與分析[D]焦作：河南理工大學(xué)2010.

[3]GB/T21404-2008.內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)功率的確定和測量方法一般要求[S].

[4]GB17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）[S].

[5]GB14762-2008.重型車用汽油發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].

[6]GB/T17692-1999.汽車用發(fā)動機(jī)凈功率測試方法[S].

[7]GB/T18297-2001.汽車發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].

[8]張衛(wèi)鋒.發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的測量方法[C]//2010年APC學(xué)會年會論文集，2010：160-161.