發(fā)動機試驗室進氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

文 /毛賽龍 鄭 建

發(fā)動機試驗室進氣系統(tǒng)，是按要求調(diào)節(jié)空氣輸出的壓力、溫度和濕度，為發(fā)動機試驗提供標準的進氣條件，減少環(huán)境干擾和試驗誤差[1]。在各類發(fā)動機試驗過程中，必須排除地區(qū)、季節(jié)和氣候差異對試驗結(jié)果的影響，確保試驗結(jié)果的精確性、同一性和可比性，并縮短研發(fā)周期[2]。本文試圖對發(fā)動機試驗室進氣系統(tǒng)進行分析及優(yōu)化設(shè)計。

一、發(fā)動機試驗室進氣系統(tǒng)設(shè)計與工藝要求分析

設(shè)計時需要綜合考慮各種試驗設(shè)備的布置和安裝條件，各管路、線路設(shè)計的工藝條件[3]。設(shè)計時事先主要考慮以下要求：良好的工作空間和試驗人員的安全性；能滿足預(yù)計各種類型試驗順利進行的各種需要；試驗臺架的設(shè)計功率和試驗的性質(zhì)；水源供應(yīng)與循環(huán)用水系統(tǒng)；供電系統(tǒng)能提供試驗設(shè)備與儀器所需的多種電壓；管路系統(tǒng)合理布置，便于維護保養(yǎng)和維修；完善的消防措施；試驗臺架的自動化程度、通用性和靈活性等[4]。

1. 發(fā)動機臺架試驗室設(shè)計的要點

發(fā)動機臺架試驗室設(shè)計的要點是滿足排放法規(guī)的要求和發(fā)動機實際的專業(yè)工作條件，同時兼顧建筑上的要求。依據(jù)國家環(huán)保局頒布的GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》、GB 17692-1999《汽車用發(fā)動機凈功率測試方法》及GB 20891-2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》三個標準，進行試驗室進氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

由于發(fā)動機最大進氣量不僅隨著發(fā)動機排量和功率而變化，也隨著發(fā)動機工況而變化，因此要精確地確定進氣量比較困難。為了確切地模擬發(fā)動機的實際工況，使得實際發(fā)動機進氣和發(fā)動機應(yīng)用時進氣狀態(tài)一致，需對發(fā)動機試驗室進氣系統(tǒng)設(shè)計提出更高的要求。在規(guī)劃設(shè)計中，若送風量選得過大，不僅制造成本高而且運行費用高；若送風量不足，則影響試驗的正常運行。

2. 標準測試主要涉及要求

根據(jù)上述三個標準要求，要對實驗室的空氣狀況進行測量。由于發(fā)動機的進氣溫度、濕度和壓力都對發(fā)動機功率構(gòu)成影響，其測量值最后作為修正參數(shù)，對發(fā)動機測試功率和油耗進行修正。這些標準對試驗室大氣因子都有要求，如果試驗室大氣因子不在法定值內(nèi)，則試驗結(jié)果無效。

實際發(fā)動機試驗中，依據(jù)這三個標準，還要求試驗室進氣系統(tǒng)需要代表實際的發(fā)動機運行條件。發(fā)動機進氣空調(diào)是與測功機配套使用的試驗室輔助設(shè)備之一，其選型是否合理直接影響到發(fā)動機臺架的總體性能[1]。

GB 17692-1999對發(fā)動機試驗標準進氣條件作出要求（見表1）。目前國內(nèi)已有產(chǎn)品能滿足恒壓、恒溫和恒濕的進氣要求，能減少校正誤差[3]。

表1 發(fā)動機試驗標準進氣狀態(tài)

同時，在選擇相應(yīng)的溫濕度和壓力傳感器時，需要注意所選傳感器的精度，發(fā)動機進氣溫度要求：±2 K；大氣壓力：±100 Pa；進氣壓力：±50 Pa。

3. 發(fā)動機實際應(yīng)用要求

發(fā)動機在整車上應(yīng)用時，對于不同工況，發(fā)動機進氣壓力根據(jù)發(fā)動機進氣量而不同。在發(fā)動機臺架試驗時，還要考慮到安裝進氣流量計、溫濕度計和壓力傳感器的要求。

4. 試驗室安全要求

當試驗過程遇到需要緊急停車情況，能遠程切斷發(fā)動機進氣，這樣當試驗室斷油電磁閥失效時，試驗室還有第二個停機手段。

此外，由于安裝了傳感器和流量計等，進氣管路的設(shè)計最好考慮避免有任何異物掉入發(fā)動機燃燒室的可能。

二、發(fā)動機試驗室進氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

1. 進氣空調(diào)的控制要求

根據(jù)上述三個標準，對實驗室的空氣狀況進行測量并控制。發(fā)動機的進氣溫度、濕度、壓力都對發(fā)動機功率構(gòu)成影響, 其測量值最后作為修正參數(shù)對發(fā)動機測試功率和油耗進行修正。較好的相應(yīng)速度和控制精度是發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定的保障，國內(nèi)已有專家對溫濕度和壓力控制精度做了詳細的研究[5]（見表2）。

表2 發(fā)動機進氣空調(diào)標準進氣狀態(tài)控制要求

發(fā)動機進氣空調(diào)，通過調(diào)節(jié)處理環(huán)境中的空氣并將其控制到指定要求的壓力、溫度、濕度（濕度控制選項）限值再輸送給發(fā)動機。如此提供標準的工作條件空氣到發(fā)動機，可獲得標準化的排放測試工作條件，也優(yōu)化了發(fā)動機的工作曲線。

2. 進氣空調(diào)的原理分析

① 工作原理

發(fā)動機進氣空調(diào)從室外取氣(室內(nèi)外的溫度為-10 ℃～38 ℃) ，經(jīng)過過濾的新風依次經(jīng)過空氣處理單元、增壓風機和風閥，最后經(jīng)過穩(wěn)壓箱供氣到發(fā)動機的進氣口。在發(fā)動機進氣空調(diào)穩(wěn)壓箱后有空氣溫度、濕度和壓力監(jiān)測點，同時作為進氣空調(diào)的反饋控制點。

4. 溫濕度控制方法

進氣空調(diào)需要適用于冬夏模式等各種氣候環(huán)境，為發(fā)動機臺架試驗提供標準進氣。我國大部分地區(qū)夏季溫度大概在28 ℃～40 ℃ 之間，相對濕度大概在60%～90%之間。所以，進氣空調(diào)夏季模式時，進氣空調(diào)溫濕度調(diào)節(jié)的主要功能是降溫除濕；在冬季模式時，氣溫大概是0 ℃ 左右，相對濕度低于50%。所以，冬季時，進氣空調(diào)的主要調(diào)節(jié)功能是加熱加濕[1]。

最近興起的空氣調(diào)節(jié)方式是露點控制進氣空調(diào)[1]，環(huán)境空氣通過控制加熱器或加濕器對其進行控制調(diào)節(jié)，輸出需求范圍條件的空氣。溫濕度和壓力控制分為以下幾個步驟：

① 新鮮空氣除濕。為了達到此目的，首先是將空氣通過初級管線冷卻到漏點溫度和濕度水平。因此，需要0 ℃～4 ℃左右的冷凍水對新鮮空氣進行冷卻。初級空氣的冷卻將空氣中的水分大量凝結(jié)排出。這樣，就便于將相對干燥的空氣通過進氣空調(diào)的后續(xù)處理調(diào)整到需要的標準溫度和濕度。

② 對干空氣進行重新加濕。通過使用配套的高溫度蒸汽精確注入，或使用進氣空調(diào)內(nèi)部蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生要求量的蒸汽，進行濕度的準確調(diào)節(jié)。設(shè)計時要考慮蒸汽與新鮮空氣充分的混合，將濕度升高到標準濕度。

③ 提高空氣流量和壓力。空氣流量和壓力的升高可以通過高速離心風機進行推動產(chǎn)生。當風機轉(zhuǎn)動壓力升高的同時，空氣也被壓縮，內(nèi)能增加，氣體可升溫幾個攝氏度，這就是對氣體做絕熱功?？諝饧訜徇^程中溫度被監(jiān)控，并配合后端的加熱器將該升溫的氣體再加熱到需要的溫度。

加濕、加壓和加熱后的氣流通過進氣管路輸送到發(fā)動機。通過閥門控制氣流的壓力，完成依據(jù)設(shè)定點要求的壓力和溫濕度進氣氣流供給，然后通過輸送端口直接連接到發(fā)動機新鮮空氣進氣口。

5. 進氣流量計算

在選型時，還要考慮該試驗室最大試驗發(fā)動機功率的最大進氣量。選擇過大，浪費了電力和設(shè)備，選擇過小，發(fā)動機進氣不足，限制了試驗?zāi)芰?。杜雅娟等對進氣流量列出了多種計算方法[1]，本文不多做研究。

最大耗氣量（m3/h） = 1 000×最大發(fā)動機功率×發(fā)動機比油耗量×空燃比/空氣密度。其中，發(fā)動機比油耗量根據(jù)測試工程師提供的經(jīng)驗值，一般柴油發(fā)動機220 g/kW.h～240 g/kW.h；柴油機空燃比推薦選取21。

6. 進氣管路優(yōu)化設(shè)計

進氣管路的設(shè)計對試驗時發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放也有一定的影響。合理的進氣管設(shè)置對一個現(xiàn)代化試驗室有非常大的意義。由于試驗樣品類型的不可預(yù)期，很多發(fā)動機試驗室對發(fā)動機進氣口的朝向不做固定。因此，設(shè)計進氣管路時盡量考慮進氣管可能涵蓋能最大的區(qū)域。即使是發(fā)動機廠家的試驗室，由于發(fā)動機應(yīng)用不同，同一機型也存在發(fā)動機進氣口位置不同，造成很多管路連接問題，甚至進氣條件無法滿足。

通過多年試驗經(jīng)驗，本文提出一種比較可行的設(shè)計方案，即：將發(fā)動機進氣懸臂安裝在墻體上，組成旋轉(zhuǎn)的管道系統(tǒng)，以便將進氣輸送到試驗室的很大一片區(qū)域（見圖1和圖2）。設(shè)計時也可以考慮可伸縮的進氣管路，這樣將更加提升試驗室對發(fā)動機類型的適應(yīng)性和便利性。進氣管路和進氣空調(diào)中間采取斷開連接的方式，使得該進氣管路不會對發(fā)動機進氣過程造成影響。

圖1 進氣管路示意圖

圖2 進氣管路俯視示意圖

表3 發(fā)動機不同進氣壓力條件下NRSC的試驗結(jié)果

三、試驗進氣壓力對發(fā)動機性能的影響

1. 試驗進氣壓力對非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況NRSC的影響

依據(jù)GB 20891-2014試驗要求，以某7 L非道路三階段增壓中冷柴油發(fā)動機為研究對象，在不同的進氣壓力和其它試驗條件一致的情況下進行NRSC試驗，試驗結(jié)果見表3。發(fā)動機臺架試驗時，額定點設(shè)置好進氣壓力，鎖定壓力調(diào)節(jié)閥，其它負荷點跟隨額定點浮動。

試驗結(jié)果表明，不同發(fā)動機進氣壓力對柴油機功率、排氣溫度、NOx、顆粒物、CO等有顯著的影響。因此,試驗中控制好發(fā)動機進氣壓力對發(fā)動機真實的性能和排放測試有非常重大的意義。從額定點增壓壓力可以看出，進氣壓力的變化直接影響了發(fā)動機增壓壓力，從而影響了發(fā)動機進氣量，間接影響了發(fā)動機缸內(nèi)燃燒，從而導(dǎo)致了發(fā)動機功率、排氣溫度、NOx、顆粒物和CO等的變化。

2. 試驗進氣壓力整車驗證

以安裝了該試驗同機型的挖掘機為研究對象，將挖掘機檔位設(shè)置在10檔，大臂彎曲和增壓挖掘機系統(tǒng)液壓壓力，使得發(fā)動機轉(zhuǎn)速從高怠速失速到額定點附近，測量該狀態(tài)的發(fā)動機濾清器后進氣壓力。由于該機型的整車寄生功率，選取轉(zhuǎn)速1檔、2檔和10檔空載工況，測量這些工況的發(fā)動機濾清器后進氣壓力。將所有整機測量的進氣壓力和發(fā)動機臺架試驗測量的進氣壓力進行對比研究（見表4）。發(fā)動機臺架試驗時，額定點設(shè)置好進氣壓力-4.8 Kpa，鎖定壓力調(diào)節(jié)閥，其他負荷點跟隨額定點浮動。

表4 進氣壓力試驗室臺架數(shù)據(jù)和整機進氣壓力對比 Kpa

試驗結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后的排氣系統(tǒng)滿足發(fā)動機實際工作的要求，很好地代表了實際發(fā)動機的運行進氣條件。

四、結(jié) 語

通過進氣條件的優(yōu)化，改善了發(fā)動機的動力性能和排放性能。結(jié)合整機發(fā)動機進氣條件測量提出了空調(diào)選型和進氣管結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計方案，為新型現(xiàn)代化發(fā)動機試驗室設(shè)計提供依據(jù)。