發動機臺架試驗的測試技術

李 梅，王君萍

（中國石油集團 濟南柴油機股份有限公司，山東濟南250306）

隨著電子元器件、通訊方式，計算機技術等在發動機臺架試驗領域的應用，為發動機測試技術提供了先進的測試手段和發展空間，同時市場對發動機的動力性、經濟性、環保性、可靠性、耐久性等性能指標要求不斷提升，相應地對發動機測試技術也提出更高的要求。發動機的臺架試驗也就是將發動機各動力系統的穩態、動態參數快速采集，準確顯示以進行發動機性能的評估及為發動機各系統調整提供數據依據。

發動機測試的特點是測量的參數多，測量設備、測試項目也多種多樣。

1 發動機臺架試驗測試參數

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

（2）燃燒系統：爆發壓力，氣閥升程，活塞頂溫度場。

（3）燃油（氣）系統：進油（氣）溫度、進油（氣）壓力、軌壓、油管壓力、針閥升程、點火能量、天然氣熱值、燃油（燃氣）消耗量。

（4）排氣系統：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：扭矩、轉速、排放，煙度，扭振，振動，噪聲，爆振，漏氣量，機油消耗。

發動機的測量參數是通過傳感器拾取的，傳感器即能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。根據測量參數的量程，測點的使用環境，參數需要的精確度，重復性，分辨率，線性度，動態響應情況選擇相應的傳感器（表1）。

2 發動機測試設備

發動機的測試設備朝著高的采樣頻率與分析帶寬、自動化與網絡化的方向發展，同時注重設備的自檢功能，如自動零點標定，自動線性校準，通過配帶的便攜標定裝置方便的進行傳感器及采集系統的校準。

表1 發動機測試用各類傳感器對照表

發動機臺架試驗用測試設備及輔助設備主要有：

（1）發動機冷卻水溫度控制裝置：一般采用變頻器，電動或氣動調節閥加PID算法實現溫度控制。用于發動機出水溫度的控制。

（2）中冷氣溫氣壓調節裝置：一般采用變頻器，電動或氣動調節閥加PID算法實現溫度控制。用于發動機各氣缸進氣的模擬。

（3）機油溫控裝置：一般采用伺服電動閥加PID算法實現溫度控制。用于發動機的啟動及工作中的油溫控制。

（4）發動機燃燒分析儀，用于評價氣缸內燃燒情況。發動機工作中進、排氣的壓力，進、排氣閥的升程，針閥的的升程，氣缸內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，動態響應速度快，數據采集系統要有足夠的采樣頻率及分析帶寬。分析軟件要具有強大的計算功能，用于發動機的放熱率，放熱量，壓升率，示功圖等的計算。

（5）色譜儀：燃氣分析專用色譜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，并快速給出不同燃氣的高熱值、低熱值、密度、相對密度、華白數、燃燒勢等特性指數的一種專用儀器。

（6）油耗儀：主要有承重式和質量流量式兩種，用于給發動機提供溫度、壓力可調的燃油消耗量測量設備。

（7）煙度計：主要有濾紙式和消光煙度計兩種，大功率發動機上主要應用濾紙式煙度計，但是隨著排放法規對發動機煙度值及測量方法的限制，不透光煙度計在發動機尤其是在車用發動機的煙度測量中越來越呈現主角的勢頭。

（8）排放測試系統：可以連續實時測量發動機排氣中的CO、CO2、THC、NOx和O2等5種成分，滿足ISO－1878，歐洲3，4號標準相應法規和IMO等法規要求的測試循環（表2）。

表2 排放法規要求的氣體分析儀型式

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

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

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

（12）熱沖擊試驗臺：檢驗發動機在冷熱交替沖擊下，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，出現的疲勞問題。

（13）發動機進氣模擬空調：為發動機提供溫度，壓力，濕度，流量可調的進氣，一般由高壓風機，露點控制單元，冷水機組，調壓裝置等組成，氣流經過溫度，壓力和濕度的控制和調節后進入發動機。

（14）發動機的測功機：發動機的測功機主要有水力測功機，電渦流測功機，電力測功機3種類型，德國申科還有一種水力加電力的串聯測功機。測功機的選擇主要根據發動機的技術參數（扭矩，轉速，扭矩最大額定點等）和發動機的用途根據測功機的特性曲線選擇適合相應發動機功率的測功機。

電力測功機響應速度較快，可以達到3ms，可滿足各類瞬態試驗且冷卻方式簡單，但功率范圍較小，一般是車用發動機臺架試驗的首選。水力測功機響應速度較慢，大約為600ms，控制簡單且功率可以做到很大，是工程機械類大功率發動機臺架試驗的首選，電渦流測功機的相應速度介于電力與水力測功機之間，其采用水冷的方式且對水質要求很嚴。串聯測功機標榜自己具有優秀的動態響應性能，可以滿足ETC試驗要求。

（15）發動機的自動測試臺：發動機的自動試驗臺多種多樣，但均趨于集成化，自動化的方向發展，開放式的軟件平臺，可以同時掛接發動機的各種測試設備及試驗的輔助設備使臺架處于主控地位，各類型總線的應用加大了測試參數的實時性。計算機技術的應用使得發動機的各項試驗基本實現一鍵完成。

3 發動機的測試項目

根據發動機的性能考核指標，發動機的臺架試驗需要進行不同的測試項目，發動機的各性能指標又是互相制約的，不能片面地追求任何一項指標。

（1）動力性試驗：根據發動機的用途按照推進特性或負荷特性將發動運轉到標定工況。

（2）經濟性試驗：在保證發動機動力性的前提下，通過調整供油提前角，增壓壓比等使發動機的油（氣）耗量降下來。

（3）排放測試：排放指標與經濟性指標是互相制約的，在保證經濟性指標的前提下，如果采用對尾氣進行凈化處理不能滿足排放標準，應對發動機進行調整。

（4）耐久性試驗：依用途根據標準，對發動機主要零部件，如活塞，連桿、氣門等的磨損進行測量。

（5）可靠性試驗：熱沖擊，高原模擬等試驗考核發動機在極端條件下的性能情況。

4 通訊方式

電子元器件和計算機技術的發展使得發動機測試參數的采集種類增多，動態響應加強，數據的轉化速度加快，數據的分析帶寬變大，這都要求數據的傳輸速度也要相應的加強，各種通訊方式，總線類型隨之應用到測試傳感器及測試設備上，使得測試人員看到的和記錄下來的數據趨于記錄時刻的真實工作狀態各種通訊方式的對比見表3。

表3 各種通訊方式的比較

5 測試技術的發展方向

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

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行診斷，提出須采取的修復方法，二是預防性診斷，在尚未出現明顯故障時，對發動機進行技術狀況檢查，了解發動機現有的技術狀況是否與制造廠的技術規范相一致，并將診斷結果，如技術狀況變化，零件磨損，需修換的零件等提供給用戶或開發人員，并提出相應得維護修理建議。

目前，發動機的在線故障診斷技術主要通過兩種方法實現：

（1）儀器測量法：是在總成不解體條件下，通過專用儀器，對發動機的某些特定參數加以檢測，以判斷其技術狀態和故障情況。這種診斷方法具有診斷速度快、結果準確、不需解體 （或只需拆除個別小件）、能發現隱蔽性故障等優點，但能檢測的參數有限且投資較大。

（2）故障樹分析法：故障樹即故障因果關系分析圖，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，并確定導致此故障事件必然發生某（些）次級事件的因果關系的圖形演繹方法.然后，再分析此次級事件必然發生的更次級事件，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故障與各種基本故障的邏輯關系，為迅速排除故障提供了依據.但該方法主要基于理論值，只能給與指導性的原因分析。

發動機在線故障診斷技術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一步的提高。

［1］胡漢輝.傳感器技術及應用［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］史天錄，劉經燕.測試技術及應用（第2版）［M］.廣州：華南理工大學出版社，2009.

［3］吳克剛，曹建明.發動機測試技術［M］.北京：人民交通出版社，2001.