發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的測試技術(shù)

李 梅，王君萍

（中國石油集團(tuán) 濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司，山東濟(jì)南250306）

隨著電子元器件、通訊方式，計(jì)算機(jī)技術(shù)等在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用，為發(fā)動機(jī)測試技術(shù)提供了先進(jìn)的測試手段和發(fā)展空間，同時市場對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、可靠性、耐久性等性能指標(biāo)要求不斷提升，相應(yīng)地對發(fā)動機(jī)測試技術(shù)也提出更高的要求。發(fā)動機(jī)的臺架試驗(yàn)也就是將發(fā)動機(jī)各動力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)參數(shù)快速采集，準(zhǔn)確顯示以進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能的評估及為發(fā)動機(jī)各系統(tǒng)調(diào)整提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

發(fā)動機(jī)測試的特點(diǎn)是測量的參數(shù)多，測量設(shè)備、測試項(xiàng)目也多種多樣。

1 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)測試參數(shù)

（1）冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)：油、水、氣溫度，油、水、氣壓力，油、水、氣流量。

（2）燃燒系統(tǒng)：爆發(fā)壓力，氣閥升程，活塞頂溫度場。

（3）燃油（氣）系統(tǒng)：進(jìn)油（氣）溫度、進(jìn)油（氣）壓力、軌壓、油管壓力、針閥升程、點(diǎn)火能量、天然氣熱值、燃油（燃?xì)猓┫牧俊?/p>

（4）排氣系統(tǒng)：各氣缸排氣溫度，排氣壓力，排氣背壓。

（5）軸系：主軸承瓦背溫度，凸輪軸軸承瓦背溫度，止推片溫度，連桿軸承溫度。

（6）整機(jī)：扭矩、轉(zhuǎn)速、排放，煙度，扭振，振動，噪聲，爆振，漏氣量，機(jī)油消耗。

發(fā)動機(jī)的測量參數(shù)是通過傳感器拾取的，傳感器即能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。根據(jù)測量參數(shù)的量程，測點(diǎn)的使用環(huán)境，參數(shù)需要的精確度，重復(fù)性，分辨率，線性度，動態(tài)響應(yīng)情況選擇相應(yīng)的傳感器（表1）。

2 發(fā)動機(jī)測試設(shè)備

發(fā)動機(jī)的測試設(shè)備朝著高的采樣頻率與分析帶寬、自動化與網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，同時注重設(shè)備的自檢功能，如自動零點(diǎn)標(biāo)定，自動線性校準(zhǔn)，通過配帶的便攜標(biāo)定裝置方便的進(jìn)行傳感器及采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

表1 發(fā)動機(jī)測試用各類傳感器對照表

發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)用測試設(shè)備及輔助設(shè)備主要有：

（1）發(fā)動機(jī)冷卻水溫度控制裝置：一般采用變頻器，電動或氣動調(diào)節(jié)閥加PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制。用于發(fā)動機(jī)出水溫度的控制。

（2）中冷氣溫氣壓調(diào)節(jié)裝置：一般采用變頻器，電動或氣動調(diào)節(jié)閥加PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制。用于發(fā)動機(jī)各氣缸進(jìn)氣的模擬。

（3）機(jī)油溫控裝置：一般采用伺服電動閥加PID算法實(shí)現(xiàn)溫度控制。用于發(fā)動機(jī)的啟動及工作中的油溫控制。

（4）發(fā)動機(jī)燃燒分析儀，用于評價氣缸內(nèi)燃燒情況。發(fā)動機(jī)工作中進(jìn)、排氣的壓力，進(jìn)、排氣閥的升程，針閥的的升程，氣缸內(nèi)燃燒壓力均是快速變化過程，傳感器選用耐高溫，低零漂，高線性度，動態(tài)響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要有足夠的采樣頻率及分析帶寬。分析軟件要具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，用于發(fā)動機(jī)的放熱率，放熱量，壓升率，示功圖等的計(jì)算。

（5）色譜儀：燃?xì)夥治鰧Ｓ蒙V儀是用來分析天然氣、液化氣和液化混合空氣、配氣的組分含量，并快速給出不同燃?xì)獾母邿嶂怠⒌蜔嶂?、密度、相對密度、華白數(shù)、燃燒勢等特性指數(shù)的一種專用儀器。

（6）油耗儀：主要有承重式和質(zhì)量流量式兩種，用于給發(fā)動機(jī)提供溫度、壓力可調(diào)的燃油消耗量測量設(shè)備。

（7）煙度計(jì)：主要有濾紙式和消光煙度計(jì)兩種，大功率發(fā)動機(jī)上主要應(yīng)用濾紙式煙度計(jì)，但是隨著排放法規(guī)對發(fā)動機(jī)煙度值及測量方法的限制，不透光煙度計(jì)在發(fā)動機(jī)尤其是在車用發(fā)動機(jī)的煙度測量中越來越呈現(xiàn)主角的勢頭。

（8）排放測試系統(tǒng)：可以連續(xù)實(shí)時測量發(fā)動機(jī)排氣中的CO、CO2、THC、NOx和O2等5種成分，滿足ISO－1878，歐洲3，4號標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)法規(guī)和IMO等法規(guī)要求的測試循環(huán)（表2）。

表2 排放法規(guī)要求的氣體分析儀型式

（9）扭振分析儀：扭轉(zhuǎn)振動是指旋轉(zhuǎn)軸部件的角速度振動，扭振分析儀用于實(shí)時測量軸系的扭振頻率及扭振振幅，能夠進(jìn)行階次分析，確定發(fā)動機(jī)的共振頻率。

（10）振動、噪聲測量系統(tǒng)：用于發(fā)動機(jī)的振動，噪聲測量及評價，可測量發(fā)動機(jī)的振動加速度，速度，位移，噪聲的聲壓級及聲強(qiáng)級，通過FFT，CPB，總級值，階次分析進(jìn)行性能及故障判斷。

（11）熱平衡試驗(yàn)臺：測量和分析在柴油機(jī)的工作過程中，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量如何分配，各個主要的換熱部件（高低溫冷卻水，機(jī)油冷卻器，中冷器，發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣，燃油進(jìn)、回油，增壓器，油底殼等）的換熱量。

（12）熱沖擊試驗(yàn)臺：檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)在冷熱交替沖擊下，各種零件的可靠性及耐久性，也用于評價氣缸蓋在冷熱沖擊下，出現(xiàn)的疲勞問題。

（13）發(fā)動機(jī)進(jìn)氣模擬空調(diào)：為發(fā)動機(jī)提供溫度，壓力，濕度，流量可調(diào)的進(jìn)氣，一般由高壓風(fēng)機(jī)，露點(diǎn)控制單元，冷水機(jī)組，調(diào)壓裝置等組成，氣流經(jīng)過溫度，壓力和濕度的控制和調(diào)節(jié)后進(jìn)入發(fā)動機(jī)。

（14）發(fā)動機(jī)的測功機(jī)：發(fā)動機(jī)的測功機(jī)主要有水力測功機(jī)，電渦流測功機(jī)，電力測功機(jī)3種類型，德國申科還有一種水力加電力的串聯(lián)測功機(jī)。測功機(jī)的選擇主要根據(jù)發(fā)動機(jī)的技術(shù)參數(shù)（扭矩，轉(zhuǎn)速，扭矩最大額定點(diǎn)等）和發(fā)動機(jī)的用途根據(jù)測功機(jī)的特性曲線選擇適合相應(yīng)發(fā)動機(jī)功率的測功機(jī)。

電力測功機(jī)響應(yīng)速度較快，可以達(dá)到3ms，可滿足各類瞬態(tài)試驗(yàn)且冷卻方式簡單，但功率范圍較小，一般是車用發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的首選。水力測功機(jī)響應(yīng)速度較慢，大約為600ms，控制簡單且功率可以做到很大，是工程機(jī)械類大功率發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的首選，電渦流測功機(jī)的相應(yīng)速度介于電力與水力測功機(jī)之間，其采用水冷的方式且對水質(zhì)要求很嚴(yán)。串聯(lián)測功機(jī)標(biāo)榜自己具有優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)性能，可以滿足ETC試驗(yàn)要求。

（15）發(fā)動機(jī)的自動測試臺：發(fā)動機(jī)的自動試驗(yàn)臺多種多樣，但均趨于集成化，自動化的方向發(fā)展，開放式的軟件平臺，可以同時掛接發(fā)動機(jī)的各種測試設(shè)備及試驗(yàn)的輔助設(shè)備使臺架處于主控地位，各類型總線的應(yīng)用加大了測試參數(shù)的實(shí)時性。計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使得發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)基本實(shí)現(xiàn)一鍵完成。

3 發(fā)動機(jī)的測試項(xiàng)目

根據(jù)發(fā)動機(jī)的性能考核指標(biāo)，發(fā)動機(jī)的臺架試驗(yàn)需要進(jìn)行不同的測試項(xiàng)目，發(fā)動機(jī)的各性能指標(biāo)又是互相制約的，不能片面地追求任何一項(xiàng)指標(biāo)。

（1）動力性試驗(yàn)：根據(jù)發(fā)動機(jī)的用途按照推進(jìn)特性或負(fù)荷特性將發(fā)動運(yùn)轉(zhuǎn)到標(biāo)定工況。

（2）經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)：在保證發(fā)動機(jī)動力性的前提下，通過調(diào)整供油提前角，增壓壓比等使發(fā)動機(jī)的油（氣）耗量降下來。

（3）排放測試：排放指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是互相制約的，在保證經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的前提下，如果采用對尾氣進(jìn)行凈化處理不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

（4）耐久性試驗(yàn)：依用途根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對發(fā)動機(jī)主要零部件，如活塞，連桿、氣門等的磨損進(jìn)行測量。

（5）可靠性試驗(yàn)：熱沖擊，高原模擬等試驗(yàn)考核發(fā)動機(jī)在極端條件下的性能情況。

4 通訊方式

電子元器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得發(fā)動機(jī)測試參數(shù)的采集種類增多，動態(tài)響應(yīng)加強(qiáng)，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化速度加快，數(shù)據(jù)的分析帶寬變大，這都要求數(shù)據(jù)的傳輸速度也要相應(yīng)的加強(qiáng)，各種通訊方式，總線類型隨之應(yīng)用到測試傳感器及測試設(shè)備上，使得測試人員看到的和記錄下來的數(shù)據(jù)趨于記錄時刻的真實(shí)工作狀態(tài)各種通訊方式的對比見表3。

表3 各種通訊方式的比較

5 測試技術(shù)的發(fā)展方向

目前仍有一些發(fā)動機(jī)參數(shù)需要發(fā)動機(jī)解體后測量，發(fā)動機(jī)解體不僅耗時，還需要配置專門的裝配人員，計(jì)量人員，使得許多用戶及開發(fā)人員不得不放棄該類參數(shù)的測量。發(fā)動機(jī)的在線故障診斷是發(fā)動機(jī)不解體（或僅拆除個別小件）的條件下，確定發(fā)動機(jī)技術(shù)狀況，查明故障部位及原因的新型技術(shù)。該技術(shù)也必將引領(lǐng)測試技術(shù)的發(fā)展。

故障診斷包含兩種含義：一是維修性診斷，對已暴露出來的故障進(jìn)行診斷，提出須采取的修復(fù)方法，二是預(yù)防性診斷，在尚未出現(xiàn)明顯故障時，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行技術(shù)狀況檢查，了解發(fā)動機(jī)現(xiàn)有的技術(shù)狀況是否與制造廠的技術(shù)規(guī)范相一致，并將診斷結(jié)果，如技術(shù)狀況變化，零件磨損，需修換的零件等提供給用戶或開發(fā)人員，并提出相應(yīng)得維護(hù)修理建議。

目前，發(fā)動機(jī)的在線故障診斷技術(shù)主要通過兩種方法實(shí)現(xiàn)：

（1）儀器測量法：是在總成不解體條件下，通過專用儀器，對發(fā)動機(jī)的某些特定參數(shù)加以檢測，以判斷其技術(shù)狀態(tài)和故障情況。這種診斷方法具有診斷速度快、結(jié)果準(zhǔn)確、不需解體 （或只需拆除個別小件）、能發(fā)現(xiàn)隱蔽性故障等優(yōu)點(diǎn)，但能檢測的參數(shù)有限且投資較大。

（2）故障樹分析法：故障樹即故障因果關(guān)系分析圖，它是利用邏輯推理，對確定的故障事件在一定條件下用圖形表示，并確定導(dǎo)致此故障事件必然發(fā)生某（些）次級事件的因果關(guān)系的圖形演繹方法.然后，再分析此次級事件必然發(fā)生的更次級事件，如此層層分析演繹、制圖，直至分析到 基本故障事件或不能再分解的邊界事件為止，這種演繹圖形即為故障樹。故障樹直觀地反映了系統(tǒng)故障與各種基本故障的邏輯關(guān)系，為迅速排除故障提供了依據(jù).但該方法主要基于理論值，只能給與指導(dǎo)性的原因分析。

發(fā)動機(jī)在線故障診斷技術(shù)不論是在故障的判斷和分析方法上還是在故障庫的建立上還有待進(jìn)一步的提高。

［1］胡漢輝.傳感器技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］史天錄，劉經(jīng)燕.測試技術(shù)及應(yīng)用（第2版）［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009.

［3］吳克剛，曹建明.發(fā)動機(jī)測試技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2001.