车用汽油机冷热冲击可靠性试验研究

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院江苏南京210028）

车用汽油机冷热冲击可靠性试验研究

董淼 刘国盛

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院江苏南京210028）

冷热冲击试验用于考核在冷热交变工况下，受热应力及交变应力的发动机零部件的可靠性，如缸盖缸体的变形量、缸垫的密封性等。通过对某汽油机进行50循环的冷热冲击试验，验证了所采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况。试验期间，发动机功率、油耗、排气温度等参数变化较小，气缸压缩压力数值稳定，发动机未出现明显故障；试验前后，发动机动力性、经济性参数变化较小，发动机可靠性能够满足要求。

汽油机冷热冲击可靠性

引言

现代发动机产品的开发必须经历各种试验才能定型生产，为保证质量，发动机在设计、改进和生产过程中均需要进行可靠性试验，产品开发成功与否与可靠性试验密切相关[1]。

GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》[2]规定了发动机交变负荷试验、混合负荷试验、冷热冲击试验等可靠性试验的方法。其中，冷热冲击试验用于考核在冷热交变工况下，受热应力及交变应力的发动机零部件的可靠性，如缸盖缸体的变形量、缸垫的密封性等[3]。本文对某汽油机进行了50循环的冷热冲击试验，验证了所采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况，考核了发动机零部件的可靠性及发动机性能的变化情况。

1试验方案

1.1 试验装置

试验用发动机为某国Ⅳ汽油机，其主要技术参数如表1所示。试验主要设备有Froude Hofmann EC38电涡流测功机、AVL 7131-06R动态油耗仪等。以上设备在试验前均经过校验，符合GB/T 19055-2003规定。

表1 试验用汽油机主要参数

1.2 试验规范

试验采用的冷热冲击规范见表2，发动机需按规范运行40次，接着运行1 h额定功率工况，以此为一个完整的循环。可靠性试验前，按指定的磨合工况进行磨合。磨合的目的在于减少初始阶段的磨损量，延长发动机的使用寿命，并检查发动机机械件与电气件的可靠性[4]。磨合结束后进行了性能初试并记录数据，再进行50个完整的冷热冲击循环，最后完成性能复试。

表2 冷热冲击循环工况

对比该冷热冲击试验规范与国标可知，无论是冷工况还是热工况，冷却水出口温度均达到或超过国标要求，整个冷热冲击可靠性试验的持续时间也超过国标要求。文献[5]指出，发动机累计转动次数可以反映运动件的疲劳情况。由表1可知，工况1、2下发动机保持在6 000 r/min时的累计时间超过2 min，一个完整循环发动机转动次数大于8.4×105，整个可靠性试验，发动机转动次数至少达到4.2×107，对应到曲轴系统的转动次数为4.2×107，凸轮轴系统的转动次数也达到2.1×107，超过了金属的疲劳极限2×107。因此，采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况。

2试验结果与分析

2.1 冷热冲击试验期间参数对比

2.1.1 功率

图1为冷热冲击试验期间，该汽油机在额定工况下的功率测试结果。由图1可知，整个可靠性试验期间，该汽油机的功率较为稳定，未出现功率突然下降等故障，功率随时间的增长略有下降，降幅约为3.8%，符合GB/T 19055-2003中规定的功率下降不超过5%的要求。这说明试验期间，发动机每循环放热量基本相等，输出功稳定。

图1 发动机功率随时间的变化

2.1.2 油耗

图2为冷热冲击试验期间，该汽油机在额定工况下的油耗测试结果。由图2可知，从40个循环以后，发动机的燃油消耗明显有所增加，但功率反而下降，可能的原因有：1）冷热冲击试验使发动机零部件磨损增大，曲轴箱等处窜入的未燃HC浓度增加，发动机的热效率有所降低；2）随着试验的进行，缸内可能存在一定的积炭，这会使发动机的燃烧有所恶化，导致燃油消耗增加，输出功率降低。

图2 发动机油耗随时间的变化

2.1.3 排气温度

图3为冷热冲击试验期间，该汽油机在额定工况下，催化剂前排气温度的测试结果。由图3可知，发动机排气温度随时间的变化规律与油耗相反，随时间的增长有所降低，尤其是40个循环以后，排气温度降低的幅度更大，说明此时缸内燃烧有所恶化，导致发动机热效率降低。

2.1.4 气缸压缩压力

气缸压缩压力可用于检测气缸和缸垫的密封性。冷热冲击试验期间，气缸压缩压力如表3所示。由表3可知，整个试验期间，各缸压缩压力数值稳定，未出现明显的漏气现象，气缸和缸垫的密封性较好。

图3 发动机排气温度随时间的变化

表3 气缸压缩压力对比

2.2 冷热冲击试验前后参数变化

2.2.1 动力性

图4为汽油机冷热冲击试验前后功率的对比。由图4可知，冷热冲击试验后，试验用汽油机动力性略有降低，没有出现明显的功率下降情况，在高转速区间，功率的下降幅度较低速时略大。

图4 冷热冲击试验前后动力性对比

2.2.2 经济性

图5为汽油机冷热冲击试验前后油耗的对比。由图5可知，冷热冲击试验后，除去2 000 r/min、 100%负荷这点，可靠性试验前后油耗的变化较小。总体而言，冷热冲击试验前后，该汽油机的动力性、经济性参数较为稳定，发动机的可靠性能够满足要求。

图5 冷热冲击试验前后经济性对比

3结论

1）整个冷热冲击可靠性试验，曲轴系统及凸轮轴系统的转动次数分别为4.2×107、2.1×107，超过了金属的疲劳极限。采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况。

2）冷热冲击试验期间，该汽油机的功率较为稳定，未出现功率突然下降等故障，功率随时间的增长略有下降，降幅约为3.8%。从40个循环以后，发动机的燃油消耗有所增加，排气温度下降；各缸压缩压力数值稳定，未出现明显的漏气现象，气缸和缸垫的密封性较好。

3）冷热冲击试验后，试验用汽油机动力性略有降低，出现明显的功率下降情况，在高转速区间，功率的下降幅度较低速时略大。除去2 000 r/min、100%负荷这点，试验前后油耗的变化较小，发动机的可靠性能够满足要求。

1方达淳，吴新潮，饶如麟，等.论“汽车发动机可靠性试验方法”[J].汽车科技，2002（2）：19-22

2全国汽车标准化技术委员会.GB/T 19055-2003汽车发动机可靠性试验方法[S].北京：中国标准出版社，2003

3章海峰.车用柴油机热冲击试验台的设计[J].内燃机，2013（1）：37-40

4王华侨，耿巍麟，吴军军.某高速铝合金发动机装配测试关键技术应用研究[J].CAD/CAM与制造业信息化，2008（9）：76-80

5殷海庭.汽油发动机可靠性试验方法研究[J].柴油机设计与制造，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，硕士，主要研究方向为发动机性能和可靠性试验分析。