發動機交流電力測功機選型探討

林 斌

（柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545000）

在汽車發動機的研發、測試和生產中，發動機動力性能是極為重要的檢測項目，測功機是實現此測試要求的必需儀器。可供選用的測功機類型較多，而合理的測功機選型是復雜的系統工程與極為重要的課題。本文通過介紹交流電力測功機的優勢，提出了在發動機實驗室建設規劃過程中，對交流電力測功機的關鍵部件、參數確定的建議，以便給發動機實驗室規劃者提供參考。

1 發動機測功機的選型方法

1.1 測功機的功能

測功機主要用于測試發動機、電動機或動力系統的輸出功率，也可作為齒輪箱、減速機、變速箱測試的加載設備。在發動機實驗室，測功機還可以測試發動機的性能。電力測功機還可以開展發動機排氣污染物（穩態和瞬態）、機械損失功率（即倒拖）等測試。

1.2 測功機選型的一般步驟

在發動機實驗室測功機選型時，應首先定位實驗室功能和需求，結合各種類型測功機（如水力測功機、電渦流測功機、交流電力測功機等）的特點確定所選測功機類型。其次依據被測發動機性能參數值來參考確定測功機參數（如：轉速、功率、扭矩）。最后，需要對測功機關鍵部件、參數進行確定。根據交流電力測功機的功能需求，需要確定的主要關鍵部件及其參數有：電機類型、轉速傳感器、扭矩傳感器和轉動慣量。

2 交流電力測功機的優勢

目前汽車行業普遍使用的測功機類型主要有水力測功機、電渦流測功機和交流電力測功機，每種類型測功機都在特定功能實驗室中有所選用。而交流電力測功機憑借其毫秒級的控制響應、轉動慣量小、控制穩定性高、系統振動小、測試重復性好，以及滿足瞬態試驗、倒拖和冷磨試驗要求，低速加載能力強、能源利用率高、運行成本低等優點，成為當前技術最先進、功能最完善的測功機類型。它在運行時能夠將燃油發動機的機械能轉化為電能，供實驗室電器使用或向電網回饋，從而減少能源浪費、降低運行成本。交流電力測功機是目前唯一能夠滿足排放法規測試要求的設備。

同時，交流電力測功機可以方便地實現雙向加載，可以實現平滑調速，其加載特性為超低轉速至額定轉速為恒扭矩特性，額定轉速至最高轉速為恒功率特性（如圖1所示），符合動力機械的負載特性，滿足被測發動機多種工況測試的需求。

圖1 某品牌265kW交流電力測功機性能曲線（作為負載時）

因此，汽車與發動機生產企業、檢測機構的發動機實驗室推薦選用交流電力測功機。

3 交流電力測功機關鍵部件、參數確定

3.1 測功機參數確定

在選擇測功機時，必須使測功機的性能曲線與發動機的性能曲線相對應，測功機的性能曲線應包絡全部被測發動機的性能曲線。為保證測功機既具有較高的測量精度，又獲得盡可能大的使用效率，選擇測功機的規格應盡可能與發動機的額定參數相匹配。

對于生產企業，由于同一規格被測發動機數量較多，應該是一臺測功機對應于一種規格發動機檢測，并使測功機工作在最佳特性區域，選取被測發動機額定扭矩和額定功率約等于測功機額定扭矩和額定功率的90%較為合理。

對于被測發動機規格較多，單一規格發動機檢測工作量有限的應用情況（如檢測/檢驗實驗室），希望獲得合理的投資效益、測功機具有相對飽和的工作量，一臺測功機通常用于檢測一定規格范圍的發動機。一方面，由于扭矩傳感器屬于非線性器件，低負載端處于非線性段；另一方面，如圖2所示，電機工作在低功率段時，效率與功率因數均較低。為確保測功機工作于合理的精度與效率、功率因數范圍，建議被測發動機額定扭矩和額定功率應不低于測功機對應額定值的30%.

用于車用發動機測試的測功機的最大轉速應不低于被測發動機標定轉速的117%.

3.2 交流電力測功機的電機選配

電機是交流電力測功機的關鍵部件，電機的選擇直接關系到測功機的動態性能，體現試驗室的功能特點。異步電機與永磁同步電機是目前可供選擇的交流電力測功機專用電機，表2表示異步電機與永磁同步電機在發動機測功機方面的比較。

表2 發動機測功機用異步電機與永磁同步電機的比較

通過以上比較，兩種電機都可以有其特定的選用需求，目前在發動機測功機生產廠家中更多使用的是異步電機。而永磁同步電機具有低慣量、轉速高、壽命長等優點也正受到部分用戶的重視和選用。異步電機的特性曲線（轉速n、效率η、功率因數cosφ、轉矩T與輸出功率P2之間的關系）見圖2[1]，永磁同步電機的特性曲線見圖3[2]。

圖2 異步電機的特性曲線

圖3 永磁同步電機的特性曲線

在兩種電機的選擇上，可從兩種實驗室建設角度來考慮：作為研發實驗室，要求較高的動態性能，較好的調速性能，建議選用永磁同步電機；作為檢測/檢驗實驗室，建議選用異步電機，這樣既能滿足檢測要求，又減少了設備資金投入。

3.3 傳感器準確度的確定

測功機需要與轉速傳感器和扭矩傳感器組合，共同完成測試。發動機實驗室規劃應首先明確每個測試臺架的功能定位和需求，以便合理選擇轉速傳感器和扭矩傳感器的精度。對于檢測/檢驗實驗室，應以國家、行業或企業標準作為依據，根據實驗室功能定位，按照相應標準要求確定傳感器精度（見表3）。

表3 我國現行標準對測功機轉速和扭矩的準確度要求[3-7]

3.4 轉動慣量

交流電力測功機的動態響應性能是其一大突出優點，而測功機的轉動慣量就是一個極其重要的動態響應影響因素。需要對測功機的轉動慣量進行估算并選擇，以便在測試發動機時測功機系統發揮出優越的瞬態響應。根據發動機實驗室臺架建設經驗，測功機選型中可以根據轉動慣量定理進行估算，以確定所選測功機慣量的參考值。

式中：M為扭轉力矩；J為轉動慣量；β為角加速度；△ω為角度速度變化量；△t為變化時間。

例如：試驗被測試發動機額定功率為80 kW，額定轉速為6 000 r/min，發動機轉動慣量為0.20 kg·m2.試驗工況要求發動機轉速從怠速650 r/min提升到額定轉速6 000 r/min所用的時間控制在5 s以內。試驗采用的傳動軸慣量為0.02 kg·m2.那么可以估算出測功機的轉動慣量控制值，計算如下：

慣量J包含測功機、傳動軸系和發動機等主要回旋體的轉動慣量總和，所以電力測功機轉動慣量值應在總慣量中去除傳動軸系和發動機的轉動慣量，即測功機的轉動慣量估算值應在≤0.917 kg·m2時能夠滿足需求。

4 交流電力測功機的應用實例與擴展

4.1 實例分析

某檢驗機構發動機實驗室需要建設一套發動機測試臺架，要求該臺架具備以下功能：

（1）滿足GB 17691-2005和GB 14762-2008法規要求的發動機排氣污染物測試；

（2）最大測試發動機（參考）某品牌225 kW汽油發動機，其額定功率為225 kW，額定扭矩為370 N·m，額定轉速為6 500 r/min，發動機慣量為0.34 kg·m2，怠速轉速為845 r/min；

（3）采用某品牌的高彈性聯軸器，其傳動軸慣量為 0.26 kg·m2；

（4）要求瞬態測試時發動機能夠在3 s內從怠速提高到額定轉速。

實驗室從現有市場上產品應用的成熟度，減少設備采購資金等方面考慮，決定采用目前應用廣泛，價格較為便宜的異步電機。

根據規劃要求，該實驗室應選用交流電力測功機，以滿足排放測試需要。

通過3.1提出的使用建議估算，測功機規格的選擇方向為：額定功率≥250 kW，額定扭矩≥412 N·m，最大轉速≥7 605 r/min.

標準通過3.4介紹的估算方法，測功機的轉動慣量在≤0.517 kg·m2時能夠滿足瞬態測試需求。

綜合上述估算，對市場上現有測功機產品進行篩選，優先從現有量產型號中選擇，最終選用了以下某品牌的250 kW交流電力測功機，其參數如表4所示。

表4 某品牌的250 kW測功機參數

經驗算，以上測功機的轉速傳感器和扭矩傳感器精度滿足17691-2005和GB 14762-2008的測量準確度要求。

依據3.1的建議，在使用該測功機時，被測試發動機規格控制在以下要求內：額定功率為75～225 kW，額定扭矩為180～540 N·m，最高空載轉速≤10 000 r/min.

4.2 應用擴展

發動機總成或動力鏈系統的轉動慣量是發動機本體以及整車設計的重要參數。在發動機臺架上進行整車的道路模態、飛輪設計或發動機逆向設計等工程中，轉動慣量也是很重要的參數。目前可以采用CAE運動分析來模擬計算，但是工作量比較大[8]。這時，交流電力測功機就提供了一個簡單、便捷、直觀的近似測量方案。依據牛頓第二定律，利用交流電力測功機特有的倒拖功能，將發動機控制在勻速運轉或加速運轉下，通過傳感器測量扭矩，經過數據處理便可獲得被測物的轉動慣量值。

5 結束語

本文介紹了發動機實驗室測功機選型及關鍵部件優化選擇的方法，供大家參考使用，以便在發動機實驗室設計規劃中對測功機綜合評價、準確定位、優化組合，以達到理想的建設方案。隨著電機技術、控制技術和變頻技術的不斷進步，交流電力測功機的性能也一定還會走上一個新的臺階。

[1]王秀和.電機學[M].北京：機械工業出版社，2017.

[2]張漢允.永磁同步電機設計與分析[D]焦作：河南理工大學2010.

[3]GB/T21404-2008.內燃機發動機功率的確定和測量方法一般要求[S].

[4]GB17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發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）[S].

[5]GB14762-2008.重型車用汽油發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）[S].

[6]GB/T17692-1999.汽車用發動機凈功率測試方法[S].

[7]GB/T18297-2001.汽車發動機性能試驗方法[S].

[8]張衛鋒.發動機轉動慣量的測量方法[C]//2010年APC學會年會論文集，2010：160-161.