發動機磨合試驗研究

耿　杰，王新建

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

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發動機磨合試驗研究

耿杰，王新建

（天津職業技術師范大學汽車與交通學院，天津300222）

摘要：針對新發動機磨合后的性能無法從整車上直觀確定這一問題，對磨合效果進行了研究。根據某廠家設計的磨合規范，對一臺新的發動機進行磨合試驗及萬有性能測試；采用DEWE軟件對發動機燃燒數據進行分析，對比測試結果和設計值的差距，并依據試驗數據分析可能出現的原因，調整發動機相關參數，排查故障，使其性能符合設計要求。

關鍵詞：磨合；動力性；發動機

新生產或大修后的發動機各零部件由于加工水平和設備精度所限，總會留下表面缺陷和幾何形狀誤差，經過磨合后才能達到最佳狀態[1]。發動機磨合的目的主要是消除相對滑動表面（活塞環與氣缸、軸瓦與軸、油泵和油嘴偶合面）在機械加工中產生的微觀不平度，使其達到最優配合狀態，最大程度上減小摩擦系數，以減少咬合傾向[2]。本文根據國標要求，對某型號新發動機進行多輪磨合和性能測試，利用DEWE軟件對發動機燃燒數據進行分析，對比測試結果和設計值的差距并分析原因，重新標定發動機ECU參數，排查相關故障，使其性能符合設計要求。

1　發動機磨合方案及設備組成

發動機磨合有2種，冷磨合和熱磨合[3-5]。本試驗采用冷磨合進行研究，冷磨合是將新出廠的、部分組裝好的或檢修裝配好的發動機由測功機驅動運行，磨合氣缸、活塞、活塞環、曲軸軸頸、軸承等部件，通過選擇合適的轉速，從低到高進行幾個階段的冷磨合。

根據標準規定，將試驗室的試驗發動機進氣恒定在國際標準規定的標準大氣狀態，即溫度為25℃±2℃、濕度為65%±5%、氣壓為100 kPa±100 Pa（略高于室外大氣壓力50～70 mmH2O）[6]。發動機臺架設備組成主要包括測量控制系統（測功機和控制器部分）、輔助系統（燃料供給、冷卻系統、排風系統和潤滑系統）、主體支撐部分等。其中所需試驗項目包括活塞漏氣量、凈功率、萬有特性等項目。

2　磨合試驗及數據分析

磨合試驗嚴格按照廠家要求進行，發動機磨合要求如表1所示。磨合試驗共20 h，分為4個循環，每個循環要求發動機轉速從低到高，依次按照不同時間進行磨合。磨合結束后更換發動機機油，通過外特性試驗，檢驗發動機磨合后的動力性是否符合設計要求。

表1　發動機磨合規范

2.1初次磨合結果分析

對外特性試驗的數據進行分析，在最高轉速6 000 r/min時，發動機最大凈功率為57.8 kW，排氣溫度最大為791℃，功率超出誤差范圍（設計值為65kW±65× 5% kW），與設計要求不符。

因此，試驗后依次檢查機器的進排氣系統、點火系統、過量空氣系數和供油系統。經以上步驟初步判斷，造成樣品功率轉矩偏低的原因為混和氣過濃。經過進一步檢查，發現現有試驗系統供油壓力為3.5 kPa且不可調，而電噴系統要求燃油噴射壓力為3.24 kPa。噴油器的標定噴油脈寬沒有改變，但噴油泵泵出的燃油壓力過大，單位噴油脈寬的實際噴油量大于正常噴油壓力的噴油量，因而過大的燃油噴射壓力使實際噴油量大于標定值的噴油量；加之燃油自學習修正可能未有效修正，相同節氣門開度下的進氣溫度和壓力未發生改變，從而造成混和氣濃度偏大。

2.2油壓調整及數據分析

針對以上問題，在試驗中改用電裝系統原配供油系統進行供油。經測量，供油壓力由3.5 kPa下降為3.3 kPa。經運轉測試，最大功率沒有明顯變化，過量空氣系數為0.74。測試時曾發生因油泵停轉導致油壓不足引起的過稀燃燒（過量空氣系數為0.15～0.2），油壓調整前后外特性對比數據如圖1所示。

由圖1可知，功率扭矩數值變化趨勢相同，但數值有所降低，且在6 000 r/min全負荷工況下λ= 0.69，即與改變供油系統之前相比，混和氣更濃，這表明燃油自學習修正功能工作正常。因油壓過低導致混和氣過稀燃燒，在閉環控制下ECU根據前氧傳感器的反饋信號自動改變（延長）噴油脈寬；在迅速排除故障后立即進行外特性試驗，ECU未能在短時間的閉環運行下及時更正自學習系數，而立刻進入開環控制模式，使用不合適的自學習值進行噴油修正，從而導致混和氣更濃。在該次測量后，同樣條件下使發動機在閉環控制下運行足夠長時間，并讓發動機進行6 000 r/min全負荷運轉，在閉環控制下（發動機部分負荷）λ數值恢復正常為0.73，此時發動機功率依然較低為60 kW。綜上可知，發動機功率偏低以及混合氣過濃并非油壓偏高引起。

圖1　油壓調整前后外特性對比

2.3活塞漏氣量驗證

更換ECU后進行試驗，樣品的功率轉矩無明顯變化，排除ECU的原因。在對機器進行檢察時發現，進氣道靠近曲軸箱通風孔處有微量油污。將進氣道上的曲軸箱通風管拔除后進行外特性試驗，樣品的功率轉矩有一定幅度的上升，功率和扭矩最大值分別為Pmax= 62.0 kW和Nmax= 118.0 N·m；在轉速為6 000 r/min時，λ= 0.758，與原數據相比有一定的改善。無曲軸箱通風外特性如圖2所示。檢查活塞漏氣量正常，無曲軸箱通風漏氣量情況如圖3所示。

圖2　無曲軸箱通風外特性

2.4性能一致性驗證

綜合上述分析，初步判定樣品有輕度燒機油的狀況，影響發動機功率。同時由于發動機尚未量產，因此其一致性無法保證。在其他試驗過程中也曾經出現個別樣品功率轉矩偏低的情況，因此決定更換樣機，繼續進行磨合試驗。

圖3　無曲軸箱通風漏氣量

此次試驗共完成5輪磨合。第1輪磨合后性能無法達到要求，故未記錄第1輪磨合后的外特性曲線。之后4輪試驗中，第4輪和第5輪磨合后為凈功率外特性曲線，其余均為總功率外特性曲線。各外特性曲線最大功率及最大扭矩均出現在5 600 r/min及4 000 r/min，且各曲線變化趨勢一致，數值差距較小。與第1臺樣機外特性曲線相比可知，2臺樣機的外特性曲線變化趨勢一致，數值差距較小，2臺樣機具有較好的一致性。

2.5燃燒數據分析

將燃燒分析儀接入試驗系統進行外特性試驗，得到其最大功率為62.31 kW（5 600 r/min）、最大扭矩為118.07 N（4 000 r/min）。為方便分析，選取1 200、1 600、3 600、4 000、5 600、6 000共6個轉速的外特性點，利用燃燒分析儀讀取其示功圖，如圖4所示（一缸部分轉速）。各轉速下一缸最大爆發壓力及對應曲軸轉角如圖5所示（一缸）。

圖4　調整前示功（一缸部分轉速）

圖5　一缸最大爆發壓力及其發生時刻

由圖4可知，各轉速下壓力曲線上升趨勢在接近上止點處有明顯的遲滯出現，在低轉速（1 200 r/min、1 600 r/min、2 000 r/min）示功圖上甚至有雙峰出現。隨著轉速的升高，這種遲滯趨勢有所緩解，但是遲滯現象貫穿于整個轉速范圍。

由圖5可知，在各轉速下，最大爆發壓力對應曲軸轉角最大值為上止點后33.2°（1 200 r/min）、最小值為上止點后18°（4800r/min），而合理的范圍為12°～15°。樣機燃燒過程起燃時刻太晚，造成最大爆發壓力時刻滯后，大量燃料在活塞的下行過程中燃燒放熱，導致燃燒熱效率低，勢必造成功率和扭矩等性能指標的降低。

2.6點火角調整及相關數據分析

至此可以初步判定樣機的功率、扭矩過低與缸內燃燒過程不理想有直接關系。為驗證這一點，通過改變轉速傳感器的安裝位置，人為將點火提前角提前大約9°，然后再次進行外特性試驗，得到樣機外特性曲線與原外特性曲線對比圖，如圖6所示。

圖6　外特性曲線對比

由圖6可知，點火提前之后外特性曲線變化趨勢沒有變化，但是整個轉速范圍內功率、扭矩數值均有所增大，尤其是中低轉速扭矩，增大效果尤其明顯。

依次對比點火角調整前后各轉速的缸內燃燒壓力，本文選取幾個具有代表性的轉速，包括經濟油耗點轉速2 000 r/min、扭矩最高點轉速4 400 r/min、功率最高點轉速5 600 r/min等，幾個轉速下的一缸示功圖如圖7所示。從圖7可以看出，點火角調整后的最大缸壓高于同工況下調整前的最大缸壓，說明點火角度調整符合發動機動力輸出提升的要求。提前點火之后，缸壓曲線在接近上止點時的遲滯現象有所改善，具體表現為低轉速時曲線已無雙峰出現，高轉速缸壓曲線的遲滯現象已不明顯。

點火角調整前后各轉速下一缸最大爆發壓力及對應曲軸轉角如圖8所示。從圖8對比可以看出，點火提前后，各轉速下最大缸壓均有明顯提升，且最大爆發壓力到達時刻也有所改善，尤其是中高轉速范圍，最大爆發壓力時刻均在12°～15°的合理范圍內。說明提前點火對改善缸內燃燒過程有明顯作用，也證實了樣機在原點火角下功率扭矩偏小與缸內燃燒過程不合理有直接關系。

圖7　幾個轉速下的一缸示功圖對比

圖8　點火角調整前后一缸最大爆發壓力及其發生時刻對比

2.7缸內爆燃傾向分析

考慮到點火時刻提前可能會使爆燃傾向增大，有必要研究點火提前后缸內壓力升高率的變化情況。選取幾個典型的轉速點，測量點火提前后缸內壓力升高率曲線，調整點火角后的一缸壓力升高率如圖9所示。

圖9　調整點火角后的一缸壓力升高率

從幾個轉速下的壓力升高率曲線可以看出，中低轉速下壓力升高率在接近上止點時有明顯的先上升后下降的變化過程，這與中低轉速示功圖的雙峰現象相吻合；在高轉速范圍，壓力升高率曲線在上止點后有波動的現象出現，這種現象在5 200 r/min時尤其明顯，出現波動的曲軸轉角范圍為上止點后20°～70°。

5 200r/min時的示功圖如圖10所示，相同轉速下示功圖的相應曲軸轉角范圍并無明顯的壓力波動。點火提前后發動機在中高轉速有輕微的爆震現象，但爆震在缸壓方面的表現并不明顯，且爆震致使發動機不能正常工作的情況并未出現。

圖10　5 200 r/min示功圖

3　結束語

本文根據廠家推薦的磨合規范，對新發動機進行磨合，并針對磨合效果進行各種性能測試；對比性能測試結果和設計值的差距，分析可能出現的原因，調整發動機相關參數并排查故障，使其性能符合設計要求目標。通過對發動機進行磨合，可以發現發動機在研發中的各種問題，并有針對性地解決，避免在產品發布后發生規模性大批量召回現象，繼而有預見性地降低隱形成本。

參考文獻：

［1］姜大海，王虎，安相璧，等.車用再制造發動機驗收檢驗臺架磨合規范試驗研究[J].裝甲兵工程學院學報，2011（1）：83.

［2］趙清旭，王敬戀，謝亮，等.大功率發動機磨合規范淺談[J].柴油機，2015（2）：36.

［3］劉延振.汽車發動機的維修[M].北京：人民交通出版社，1990.

［4］蒙留記.發動機大修后的裝配技術與冷磨熱試[J].汽車維護與保養，2002（9）：41-43.

［5］魏忠海.發動機磨合試驗及其設備[J].農機維修，1994（6）：23-24.

［6］全國汽車標準化技術委員會.GB/T18297-2001《汽車發動機性能試驗方法》[S].北京：國家質量技術監督局，2001.

Research on engine running-in test

GENG Jie，WANG Xin-jian
（School of Automobile and Transportation，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：As to the problem that performance of new engine cannot be determined after running-in，the effect of universal performance testing is made.According to the design specification of running in a factory and on a new engine for running test，and the DEWE software of engine combustion data are analyzed，and the comparison is made about the test results and design values; on the basis of experimental data，the possible reasons are analyzed，the whole engine related parameters are adjusted and the investigation fault is excluded，so that its performance can meet the design requirements.

Key words：running-in；power；combustion

作者簡介：耿杰（1982—），男，助理實驗師，碩士，研究方向為汽車節能與排放技術.

基金項目：天津市高等學?？萍及l展基金計劃項目（20140917）；天津職業技術師范大學科研發展基金項目（KJ14-06）.

收稿日期：2015-09-18

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：2095 - 0926（2016）01 - 0049 - 05