基于HORIBA台架的发动机运行边界条件对其性能影响的试验研究

张鹏，张志超，郭松

(1.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700；2.中航工业贵航股份永红散热器公司，贵州贵阳 550009 )



基于HORIBA台架的发动机运行边界条件对其性能影响的试验研究

张鹏1，张志超1，郭松2

(1.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510700；2.中航工业贵航股份永红散热器公司，贵州贵阳 550009 )

摘要：基于HORIBA台架系统，以某涡轮增压中冷柴油机为研究对象，进行了发动机台架试验边界条件对柴油机性能指标影响的测试。结果表明：进气温度超过40 ℃、进气湿度大于70%时，进气条件对发动机扭矩的影响较大；扭矩对湿度的变化不敏感；提高进气温度控制精度可明显改善对扭矩的影响；随着中冷后温度的升高，发动机扭矩值有一定程度的下降，油耗上升；中冷后温度在50 ℃时性能出现明显下降，中冷后温度的控制精度应高于±5 ℃；冷却液温度高于85 ℃时，随着冷却液温度的升高，发动机的扭矩下降而油耗率上升；冷却液温度控制精度在±5 ℃以内，可保证扭矩控制精度在2%以内。

关键词：发动机；边界条件；台架试验

0引言

近年来，面对节能、环保两大主题的日益突出，越来越严格的关于发动机排放控制等方面的标准、法规相继出台。各大汽车和发动机厂商不断进行发动机的技术升级，同时，对发动机开发设计以及检测过程中的精度要求也越来越高[1]。发动机台架测试结果的精确性保证对发动机开发过程的生产一致性以及可靠性、检测结果的可重复性以及有效性具有重要的意义[2]。而台架试验结果的精度取决于试验过程中对其边界条件的控制情况。涡轮增压发动机台架运行时的边界条件包括进气温度、进气湿度、中冷后温度和发动机水温等，发动机运行时边界条件的恶化直接导致发动机性能的下降。针对这一现状，基于HORIBA台架，以一款涡轮增压柴油机为研究对象，通过分析发动机进气温度、进气湿度、中冷后温度、冷却水温度对发动机性能的影响，明确了提高边界条件控制系统的精度对控制结果带来的影响，指导控制系统精度的确定以及发动机边界参数的设置，提高了检测结果精度。

1试验台架系统及研究方法

1.1试验装置及对象

试验用柴油机台架系统由试验柴油机、燃油控制及测量系统、冷却水温度控制系统、进气温度及湿度控制系统、进气中冷系统、数据采集及测量系统等组成，主要进行发动机的转速、扭矩、油耗率、进气口温度及湿度、进出水温度以及中冷后温度等参数的测量。试验主要设备的信息如表1所示。

试验对象为1台涡轮增压柴油机，具体技术参数如表2所示。

1.2试验方案

发动机在台架上进行开发测试以及检测试验时，外特性运行指标是评价其性能的主要依据。所以试验在全负荷下、发动机转速从2 250 r/min以250 r/min为步长上升至4 000 r/min的工况范围内进行。在保持其他边界参数稳定的情况下，分别通过进气温度和湿度控制系统控制进气口温度分别为20、30、40 ℃，记录发动机扭矩、增压压力等参数。设置冷却水温控制系统参数,使发动机冷却液出口温度分别控制在85、95、105、115 ℃，稳定后记录扭矩、油耗率、机油温度等参数。调节进气中冷系统使中冷后温度，以5 ℃步长。依次由40 ℃升至80 ℃，观察记录发动机性能参数变化情况。

2研究结果与分析

发动机开发后，其主要性能指标就已经确定，但在实际运行时,台架边界条件会对发动机的实际运行参数产生影响，造成试验结果的差异，影响试验分析。以下分别对上述边界条件进行试验分析。

2.1进气口条件的试验分析

发动机进行台架试验时，空滤进口处的温度、湿度和压力对发动机运行时的进气量直接产生影响，虽然涡轮增压发动机能够在进气口条件变化时，通过调整增压器的控制参数对进气量进行保证，从而保持发动机的原有性能，但是对增压控制参数的调整存在一定的限度[3]。因此对空滤进口处进气条件的精确控制是发动机性能稳定的前提保障。

图1 是在发动机不同进气状态、不同转速工况下，控制发动机使其保持相同扭矩值时，记录的发动机增压压力以及增压所控制的参数值。条件1的进气温度为24.9 ℃、湿度45.5%、大气压力101 kPa、修正系数为0.999。在条件1下，发动机接近标准值运行。条件2为进气温度40 ℃、湿度55%、大气压力99 kPa、修正系数为1.102，运行环境相对较差。图1显示了发动机在不同进气条件下运行时增压压力以及表示增压器叶片开度的占空比的控制结果，表明了不同进气条件下发动机运行控制参数的差异，这种控制参数的变化将直接反应在发动机的性能上。

上述结果显示：当进气条件变差时，要想达到相同的增压压力，需要增大增压器叶片开度。发动机的标定是在进气条件一定的情况下完成的，如果标定在进气条件较好时进行，控制参数将被标定得较小[4]。当发动机运行的进气条件变差时，即使增压控制参数调节到极限值，也仍然达不到目标增压压力值，进而导致发动机的进气量不足，影响发动机的性能。

如图2所示为几种不同进气条件下，发动机在各转速下运行时扭矩变化的情况。

结果显示：在同一转速下发动机的扭矩值由于进气环境的影响会发生变化；随着进气条件不断恶化，在不同转速下发动机的扭矩值均有一定程度的下降，当温度为40 ℃、湿度为76%时，降幅达到19 N·m。这是因为进气温度升高、湿度增大时，发动机燃烧室内的空气量减少，并且水含量增加，引起燃烧不良，动力性下降。当湿度降低20%左右时，扭矩几乎不变，说明扭矩对湿度变化不敏感。与标准进气条件温度25 ℃、湿度31%相比，进气温度在30℃、湿度在40%时对发动机的性能影响较小，最大降幅为7 N·m。温度偏差缩小至1 ℃，进气温度为26 ℃时，扭矩变化减小至2 N·m。

2.2中冷后温度的试验分析

涡轮增压技术是强化发动机的有效手段，但增压后发动机进气温度的升高，增加了进入燃烧室的气温，提高了燃烧温度[5]，导致发动机的热负荷增加，进气密度下降，过量空气系数变大，在一定程度上削弱了发动机的动力性，并增加了NOx的排放[6]。增压中冷技术由于能够有效解决上述问题，并进一步提高发动机的性能而得到普遍应用。而中冷后温度也成为增压发动机台架运行必须控制的边界条件之一。为保证发动机燃烧的稳定性、性能的可比性，对中冷后温度的精确控制尤为重要。

图3所示为通过台架试验得到的中冷后温度对发动机扭矩输出的影响曲线。扭矩值随着中冷后温度的升高整体呈下降趋势。因为中冷后温度的升高使进气管内的空气密度降低，进而导致进入发动机的空气质量减少，导致发动机的扭矩损失。

测试的增压柴油机中冷后温度一般设定为45 ℃。温度升至47 ℃时开始出现变化趋势，当中冷后温度升高到50 ℃时，发动机扭矩值下降6 N·m左右。当温度达到80 ℃时，发动机的扭矩输出损失达到15%～18%。尤其在2 500 r/min全负荷工况，此时涡轮增压器处于全面增压状态，进气流量减少，使得燃烧后的废气能量也随之减小，增压器的增压压力出现明显降低，扭矩损失严重。

图4为中冷后温度对发动机经济性的影响曲线。可以看出:随着中冷后温度的不断升高，由于缸内空气不足导致发动机燃烧恶化，油耗率上升；当中冷后温度高达80 ℃时，发动机的油耗率相对于45 ℃时恶化8～15 g/kWh。

2.3冷却水温度的试验分析

发动机的冷却水温代表了发动机工作时的燃烧室以及缸体的温度环境。柴油机工作时最适宜的冷却液温度应控制在83～93 ℃之间，一般设置为90 ℃。此时柴油机的功率、油耗以及排放性能会处在一个相对平衡状态。冷却液温度的过高或过低都会降低甚至丧失冷却系统的功能。在实验室实际台架试验时，主要控制冷却液温度防止其过高。水温过高，发动机燃烧室内温度随之升高，导致充气系数下降，增加了燃烧时爆震的概率[7]，同时会使机油的性能变差，零部件磨损加速。因此，冷却液温度是影响发动机台架试验结果的又一重要条件。

修正后扭矩及燃油消耗率受冷却液温度影响而表现出的变化情况如图5和图6所示。可以看出：在同一转速下冷却液温度从85 ℃升高到115 ℃时，扭矩表现为下降趋势；在85～95 ℃时整体下降不明显，但在低速全负荷工况时下降幅度相对高转速时较高，最大降幅为2%左右，燃油消耗率基本保持稳定；在105 ℃时扭矩开始出现明显下降，在低转速工况变化的幅度高达5.3%，而燃油消耗率增加了约1.8%。

这是因为一方面冷却液温度直接影响机油温度。机油温度随冷却液温度变化的情况如图7所示，可以看出：机油温度随着冷却液温度的升高逐渐升高。而机油温度在适当值下发动机的机械损失功率是最小的[8]。较大的机油温度由于黏度过低而导致润滑不良，机械损失增加;另一方面，缸内温度的增加使得参与燃烧的空气量减少，燃烧变差。最终的结果使发动机动力性下降，油耗增加。

3结论

(1)进气温度超过40 ℃、进气湿度大于70%时进气条件对发动机扭矩的影响较大。扭矩对湿度的变化不敏感。进气温度的控制精度由±5°提高至±1°时，扭矩下降可由7 N·m缩小至2 N·m。

(2)随着中冷后温度的升高，发动机扭矩值有一定程度的下降，油耗上升。中冷后温度在50 ℃时性能出现明显下降，所以中冷后温度的控制精度应高于±5 ℃。某实验室中冷后温度的精度控制在±2 ℃，发动机扭矩和油耗率基本不受中冷后温度的影响，可保证测试结果的稳定可控。

(3)冷却液温度高于85 ℃时，随着冷却液温度的升高，发动机的扭矩下降而油耗率上升。当冷却液温度达到95 ℃时，低速满负荷时扭矩变化率约为2.1%。在冷却液温度升至105 ℃时扭矩、油耗开始出现明显恶化。因此，为保证测试时扭矩控制精度在2%以内，应将冷却液温度精度控制在±5 ℃以内。

参考文献:

【1】尹伟.发动机台架系统研究开发[D].北京:清华大学,2014.

【2】李梅,王君萍.发动机台架试验的测试技术[J].铁道机车车辆,2011,31(S1):260-262.

【3】左洪卫,王召冰.增压汽油机外特性影响因素分析及试验研究[J].轻型汽车技术,2014(3):32-37.

【4】彭成成.高压共轨柴油机可变涡轮增压器匹配及控制策略研究[D].长春:吉林大学,2015.

【5】邢居真.测试系统参数对车用发动机排放的影响研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

【6】熊毅,蔡强.中冷后温度对CNG发动机性能影响的试验研究[C]//中国内燃机学会燃烧净化节能分会学术年会,2013.

【7】吕猛,姜波,王振平.基于冷却液温度的发动机性能优化研究[J].交通节能与环保,2015(3):28-31.

【8】卢广锋,郭新民,孙运柱,等.汽车冷却系统水温对发动机性能的影响[J].山东内燃机,2002(1):29-33.

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

作者简介：张鹏(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事汽车及零部件测试工作。E-mail：18665663171@163.com。

中图分类号:U467.21

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)04-029-04