现代发动机试验室规划设计思路

张龙兵，陈文杰（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

现代发动机试验室规划设计思路

张龙兵，陈文杰
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

随着国家排放法规的逐步升级，对发动机开发试验室设备的精度、响应性和控制手段的要求随之提高。良好的试验手段、稳定的环境控制，为发动机的进一步研发奠定了坚实的基础，为开发数据的重现提供了条件；但是往往这样规划的试验室，投资不菲，这就带来如何提高这些试验室利用率的问题。所以现代试验室设计规划时，应需从试验室边界条件控制和利用率这两方面进行考虑，否则或导致试验室利用率不高，让高投入的试验室得不到有效利用，或试验室设计起点不高，不能有效控制试验室边界条件，加上未充分考虑发动机未来发展的需求，一旦建成就处于淘汰状态。

排放法规发动机试验室边界条件利用率

1　　引言

随着国家排放法规的逐步升级，从国Ⅲ到国Ⅵ，排放限值逐步降低，这要求排放测试精度相应提高。由于控制的参数越来越多，对发动机开发试验室设备的精度、响应性和控制手段的要求随之提高。建造新试验室或改造旧试验室，使之满足新法规要求，并且利用率高、成本合理已成为发动机制造商必须面对的问题。本文从试验室的边界条件控制和利用率这两个方面来阐述现代发动机试验室的规划设计思路。

2　　试验边界条件控制设计

众所周知，发动机研发技术的发展在很大程度上取决于试验技术的发展。随着国家法规和试验标准对边界条件的要求越来越高，大气参数对发动机性能的影响和对各类试验标准的功率校正系数的局限性也越来越大；加之各项试验需要在人工模拟的标准大气状态下进行，以保证试验结果的准确性、同一性和可比性，越来越多的试验也对发动机进气温度、湿度和压力，环境温度、湿度和气压，以及进排气阻力等参数提出要求。因此，试验室边界条件的控制就成为试验开发技术不断发展和提高的关键因素之一，也是发动机试验室现代化的标志之一。

其中，发动机试验室的环境控制主要是通过通风系统和进/排气系统来控制整个试验室工作区域的空气温度、湿度、压力等环境参数，保证试验数据的准确性和重复性。

2.1通风系统

2.1.1试验室散热量确定

试验室通风系统的作用，是把发动机的辐射热量和泄漏废气排出室外，使试验室的温度和废气浓度保持在规定的范围内。发动机试验室的主要热源为发动机散热，而散热量随发动机试验工况变化而变化，准确计算比较困难。另一方面发动机排出的有害气体对环境和人体都有不良影响，对发动机台架试验室的通风设计提出了更高的要求。发动机散热量计算，一般以发动机的最大功率工况为依据。确定发动机散热量时，必须考虑发动机循环水系统带走的热量和测功器吸收的能量而间接带走的热量，故发动机散发到台架试验室的热量占燃料燃烧热量的40%～50%。在夏季时，还必须考虑环境温度的影响，这些都是进行通风系统设计的重要依据。

2.1.2通风量的确定

通风量的设计一般按照以最少换气次数所带走室内热量来确定风量的。按常规的设计标准，通风换气次数为每小时10次～15次，但实际上这个频次远远不能满足散热量的要求，尤其是在夏天。所以现在通风设计时，一般原则上根据下列关系进行设计计算：

图1　　发动机试验室通风系统布置示意图

式中，

G——体积流量，m3/s；N——换气次数，次/h；q——热流量，W；

T2——当地夏季最高温度，K；

T1——国家和有关标准确定的发动机试验室内的温度，K；

V——试验室的空间容积，m3。

2.1.3通风方式的选择

现代发动机试验室通风一般采用每个台架试验室配置独立的通风系统，互不干扰，见图1。这样容易实现控制和调节，同时也比较节约能源。即便通风控制系统出现故障或存在安全性问题时，也不会影响到其他试验室的正常使用。试验时，发动机产生有害气体和不洁气体，建议采用直流通风比较合适，有利于室内空气的清洁。在设计时，要注意直流空气尽可能直接导向发动机的轴线，这有利于发动机的冷却。目前，发动机试验室的常用通风方式有2种：（1）非空调系统——自然风直送直排；（2）空调系统——根据室内温度要求，进行调节，并补充必要的新鲜风量，即全室空调系统。以上2种通风方式在试验标准上并没有严格要求。采用全室空调系统，对改善环境温度和提高数据的一致性是有一定裨益的。但一些大型汽车公司发动机试验室的资料表明，全室空调系统也并非完全必要。如果采用全室空调系统，则必须根据房间大小、发动机功率及环境温度要求，将室内空气进行内循环；如果烟道采用强排风式的，则通风设计时必须考虑此因素。

3　　进气调节系统

以前由于试验室条件所限，一般采用修正发动机性能参数的方法来应对环境参数的变化，但是修正公式的适用性以及准确度是建立在一定的前提条件之上。通常假定某一参数固定不变来进行修正，如空燃比、燃料喷射量或燃烧过程不变等，而且各种功率修正公式都规定了使用范围。如汽油机功率校正系数仅用于汽油机全负荷的工况。根据有关资料介绍，1台6缸柴油机，置于温度、压力可调的封闭台架试验室内，在发动机功率不变的条件下，调节温度、压力，大气参数对发动机性能的影响如下：当进气温度在0℃～40℃范围内变化，每上升20℃，发动机功率下降3%～6%，燃油消耗上升2%～3%，最大气缸压力下降7%～9%，空燃比下降1%～2%，排气温度上升5%～10%。所以现在新建的试验室都安装具备进气压力可控、且带温度、湿度显示的进气控制系统，以减少因环境变化导致进气量和进气温度、湿度变化而对试验结果的影响。

发动机试验室进气空调系统一般采取形式主要有理想方式和模拟方式2种。

3.1理想方式

将发动机整机连同燃油供应系统、冷却系统置于密闭的绝热台架试验室内，台架试验室内的环境温度、压力、湿度有专门的空调系统保证，使整个台架试验室置于标准状态。这种方式需要投入大量的设备资金，而且试验时需要消耗大量的能源。这种方式一般适合于专业研发发动机的部门和特种试验的需要，一般的发动机企业和研发机构不采用此方式。

3.2模拟方式

在模拟方式中，仅仅对发动机的进气（燃烧空气）温度、压力、湿度和排气压力进行调节控制，使其置于标准状态，而发动机则置于非标状态的台架试验室中。采取模拟方式理由如下：

（1）除进排气系统和燃油供应系统外，发动机工作时，其他系统与大气不相通；

（2）燃油供应系统温度，可由燃油温控装置进行控制；

（3）现代发动机均采用强制曲轴箱通风，是闭环的，与大气环境无关；

（4）发动机冷却液及润滑油温度，可由冷却液温控和机油温控装置进行控制；

（5）台架试验室内通风系统已经充分考虑到发动机散热，室内大气状态本身也不会对发动机性能造成影响。而事实上，任何车辆上的发动机状态与台架试验室内的发动机相比，其散热条件均没有在台架试验室里的容易实现。

目前无论是国外BOSCH或AVL的试验室，还是国内检测中心的试验室都是采用模拟的进气空调系统。

4　　其它边界条件控制

众所周知，发动机是在一定的冷却条件和一定压差下工作的，因此试验室的建造要尽可能模拟实际工况。不同排量、不同用途（包括不同细分市场）的发动机工作时，其边界条件有所不同，所以试验室边界条件的设定必须满足可调、可控的要求。在这样的边界条件下开发出来的发动机才具有竞争力，才能满足用户的实际需求。具备边界条件可调、可控的试验室有较强的适应性和较高的利用率。

4.1排气背压控制

在排气管路中安装蝶阀，以控制排气背压，见图2。蝶阀可采用手动或自动方式，调节范围通常在0～50 kPa。从安全、高效的角度看，具有自动控制功能的排气背压蝶阀是首选。这种蝶阀含有一个PID自动控制器，通过软件设定值与实际反馈值比较，自动调节背压，无须人工干预。若要求排气背压是负压，则需要在排气末端增加抽风机来实现。

图2　　排气背压蝶阀

4.2中冷器压降控制

在中冷器出口管路中安装蝶阀，以控制中冷器进、出口的压差，见图3。蝶阀调节范围根据整车测试需求而定，一般在5～15 kPa，其控制方式可以是手动或者自动，如排气背压控制。

4.3燃油回油压力控制

燃油回油压力控制单元可将发动机燃油回油管路中的燃油压力控制在一个比较低的压力水平，见图4。正常情况下，整个燃油管路中燃油回油压力控制范围在50～100 kPa之间。

图3　　中冷器压力控制蝶阀

图4　　燃油回油压力控制单元

5　　提高发动机试验室效率

据了解，目前国内发动机试验室，特别用于发动机开发的试验室，大多数都采用进口设备，动辄上百万乃至几千万的进口设备投入。但是由于前期规划的问题，导致试验室利用率参差不齐，低的只有10%左右，高的可以达到90%以上。利用率高的试验室通常通过加班和增加设备数量等措施，以满足发动机开发需求。但是投入过大，会导致开发成本过高。所以在试验室设计之初，必须要考虑试验室台架的利用率，应充分从试验物流设计、提高试验室的适应性、以及缩短发动机上下台架时间方面着手来提高试验室的利用率。

5.1改善试验室物流效率

为了提高试验室的使用效率，在设计现代化发动机试验室时，必须考虑物流的流畅和效率。目前发动机试验已经抛弃了传统的试验发动机装配、试验准备以及台架试验相互独立、互不干扰的理念，而将装配、试验准备和台架试验这三个部分通过合理的试验物流设计有机地结合起来，见图5。

图5　　现代发动机试验室布置示意图

目前最先进的物流运输采用快装气垫小车，台架试验室里没有行车，通过气垫小车和电动叉车来处理物流运输。由于成本问题，有些企业仍然采用带滚轮的快装小车与电动叉车配合，但是台架试验室必须安装行车，否则上下台架不利于人员操作。

5.2提高试验室适应性

为提高试验室适应性，从以下几个方面采取改进措施。

（1）安装多燃料管路，试验室内集成不同燃油油品管路，柴油如国Ⅳ、国Ⅴ燃油，燃气如LNG 和CNG，以适用于不同种类发动机的试验，见图6。

图6　多燃料管路

（2）采用更先进的试验软件。软件能够集成不同的测试设备，可以进行一般性能试验，如外特性、负荷特性等，也可以进行自动循环排放试验，如ESC、ETC、WHSC、WHTC、FTP等。

（3）采用快装接头，以提高发动机上下台架的效率。常用的快装接头有温度、压力、燃油、机油、冷却水等快速接头，见图7。快装接头的应用有利于缩短传感器及管路的连接时间。

（4）开发并应用快装台架小车。快装小车用于台架试验室，可快速更换发动机，减少由于更换发动机而引起的试验室占用时间，提高试验设备的使用效率。快装小车系统主要由5部分组成：发动机小车、接收器、对中规、水油快速对接及信号转接箱，见图8。各部分功能如下：

（1）快装小车：用于支撑并定位发动机；

（2）接收器：安装在试验室台架基础底板上，用于定位小车及发动机系统；

（3）对中规：用于在准备间调整小车上发动机位置。系统允许的对中精度是±0.5 mm；

（4）水油快速对接：用于快速连接燃油、机油及冷却水系统；

（5）信号转接箱：用于实现发动机与采集系统之间的传感器信号快速对接。

图7　快装接头

图8　　快装小车示意图

6　　结束语

现代发动机试验室的设计还有很多需要注意的事项，本文仅从试验室的边界条件控制和试验室利用率两方面考虑，还未涉及其他方面。边界条件控制可以提高开发质量和有利于开发数据再现，但是作为企业，大的投入必须要有大的产出，所以更看重的是试验室的使用效率。要提高现代发动机试验室的利用率，硬件方面除上面所说的外，还有很多措施，如排气管的布置，小车传感器、信号采集、公用系统布置、试验设备的维护和保养等等。除了硬件外，还有软件的因素，如：试验计划的合理安排、试验内容的预先准备和沟通等，都是有利于提高试验效率的手段。

目前，在没有大的资金投入改造，只能维持试验室现状的情况下，为提升台架系统利用率，行之有效的办法是加强对设备的维护与保养力度。具体可从以下几个方面来实施：

（1）投入一定人力、物力，将设备保养时间由年保逐步推进到半年保，直至每季度一保；

（2）保障试验设备的使用条件符合要求。例如，在发动机冷却水温控系统、中冷温控系统、燃油温控系统中大量地使用了气动元件，如试验室压缩空气气源含水量高，就会导致气动元件损坏引起设备无法使用；而冷却水若是长期污浊不堪，也会导致各种热交换器结垢与堵塞，最终影响设备控制效果；

（3）建立维修数据库系统，及时记录设备故障现象及解决方案，用于故障统计及快速恢复。例如，本公司试验室的设备报修系统经过两年多运行，积累了大量维修数据，可以方便地统计故障分布情况；

（4）在故障统计数据的支撑下，可以针对性地进行备件采购。一方面可以保障设备正常使用，另一方面也可以避免浪费。

Concept of Modern Engine Testing Facility Planning and Design

Zhang Longbing，Chen Wenjie
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，.Shanghai 200438，China）

With emissions regulations gradually upgrade，the requirements of accuracy，response and control for engine testing facility increase accordingly.Better testing methods and stable ambient controls lay a solid foundation for engine R&D，but such testing facility costs high.Availability，therefore，becomes a key issue.In design of a modern engine testing facility，boundary conditions of laboratory and availability must be taken into account to avoid either high investment with low availability or low investment with no future.

emissions regulation，engine laboratory，boundary conditions，availability

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.008

来稿日期：2015-09-22

张龙兵（1970-），男，高级工程师，主要研究方向为产品管理和发动机试验。