發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 /毛賽龍 鄭 建

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)氣條件，減少環(huán)境干擾和試驗(yàn)誤差[1]。在各類發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，必須排除地區(qū)、季節(jié)和氣候差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，確保試驗(yàn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工藝要求分析

設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種試驗(yàn)設(shè)備的布置和安裝條件，各管路、線路設(shè)計(jì)的工藝條件[3]。設(shè)計(jì)時(shí)事先主要考慮以下要求：良好的工作空間和試驗(yàn)人員的安全性；能滿足預(yù)計(jì)各種類型試驗(yàn)順利進(jìn)行的各種需要；試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)功率和試驗(yàn)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(yàn)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(hù)保養(yǎng)和維修；完善的消防措施；試驗(yàn)臺(tái)架的自動(dòng)化程度、通用性和靈活性等[4]。

1. 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)室設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)室設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是滿足排放法規(guī)的要求和發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的專業(yè)工作條件，同時(shí)兼顧建筑上的要求。依據(jù)國(guó)家環(huán)保局頒布的GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》、GB 17692-1999《汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率測(cè)試方法》及GB 20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段）》三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣量不僅隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量和功率而變化，也隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況而變化，因此要精確地確定進(jìn)氣量比較困難。為了確切地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況，使得實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用時(shí)進(jìn)氣狀態(tài)一致，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出更高的要求。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，若送風(fēng)量選得過大，不僅制造成本高而且運(yùn)行費(fèi)用高；若送風(fēng)量不足，則影響試驗(yàn)的正常運(yùn)行。

2. 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試主要涉及要求

根據(jù)上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空氣狀況進(jìn)行測(cè)量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度、濕度和壓力都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率構(gòu)成影響，其測(cè)量值最后作為修正參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試功率和油耗進(jìn)行修正。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)室大氣因子都有要求，如果試驗(yàn)室大氣因子不在法定值內(nèi)，則試驗(yàn)結(jié)果無效。

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，依據(jù)這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，還要求試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)需要代表實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空調(diào)是與測(cè)功機(jī)配套使用的試驗(yàn)室輔助設(shè)備之一，其選型是否合理直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的總體性能[1]。

GB 17692-1999對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣條件作出要求（見表1）。目前國(guó)內(nèi)已有產(chǎn)品能滿足恒壓、恒溫和恒濕的進(jìn)氣要求，能減少校正誤差[3]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)

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

3. 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用要求

發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上應(yīng)用時(shí)，對(duì)于不同工況，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量而不同。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，還要考慮到安裝進(jìn)氣流量計(jì)、溫濕度計(jì)和壓力傳感器的要求。

4. 試驗(yàn)室安全要求

當(dāng)試驗(yàn)過程遇到需要緊急停車情況，能遠(yuǎn)程切斷發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣，這樣當(dāng)試驗(yàn)室斷油電磁閥失效時(shí)，試驗(yàn)室還有第二個(gè)停機(jī)手段。

此外，由于安裝了傳感器和流量計(jì)等，進(jìn)氣管路的設(shè)計(jì)最好考慮避免有任何異物掉入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的可能。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1. 進(jìn)氣空調(diào)的控制要求

根據(jù)上述三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空氣狀況進(jìn)行測(cè)量并控制。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度、濕度、壓力都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率構(gòu)成影響, 其測(cè)量值最后作為修正參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試功率和油耗進(jìn)行修正。較好的相應(yīng)速度和控制精度是發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定的保障，國(guó)內(nèi)已有專家對(duì)溫濕度和壓力控制精度做了詳細(xì)的研究[5]（見表2）。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)控制要求

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(xiàng)）限值再輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)。如此提供標(biāo)準(zhǔn)的工作條件空氣到發(fā)動(dòng)機(jī)，可獲得標(biāo)準(zhǔn)化的排放測(cè)試工作條件，也優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作曲線。

2. 進(jìn)氣空調(diào)的原理分析

① 工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(fēng)依次經(jīng)過空氣處理單元、增壓風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥，最后經(jīng)過穩(wěn)壓箱供氣到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空調(diào)穩(wěn)壓箱后有空氣溫度、濕度和壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)作為進(jìn)氣空調(diào)的反饋控制點(diǎn)。

4. 溫濕度控制方法

進(jìn)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(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)提供標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣。我國(guó)大部分地區(qū)夏季溫度大概在28 ℃～40 ℃ 之間，相對(duì)濕度大概在60%～90%之間。所以，進(jìn)氣空調(diào)夏季模式時(shí)，進(jìn)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(shí)，氣溫大概是0 ℃ 左右，相對(duì)濕度低于50%。所以，冬季時(shí)，進(jìn)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(diǎn)控制進(jìn)氣空調(diào)[1]，環(huán)境空氣通過控制加熱器或加濕器對(duì)其進(jìn)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(gè)步驟：

① 新鮮空氣除濕。為了達(dá)到此目的，首先是將空氣通過初級(jí)管線冷卻到漏點(diǎn)溫度和濕度水平。因此，需要0 ℃～4 ℃左右的冷凍水對(duì)新鮮空氣進(jìn)行冷卻。初級(jí)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(duì)干燥的空氣通過進(jìn)氣空調(diào)的后續(xù)處理調(diào)整到需要的標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度。

② 對(duì)干空氣進(jìn)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(jìn)氣空調(diào)內(nèi)部蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生要求量的蒸汽，進(jìn)行濕度的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮蒸汽與新鮮空氣充分的混合，將濕度升高到標(biāo)準(zhǔn)濕度。

③ 提高空氣流量和壓力?？諝饬髁亢蛪毫Φ纳呖梢酝ㄟ^高速離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行推動(dòng)產(chǎn)生。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)壓力升高的同時(shí)，空氣也被壓縮，內(nèi)能增加，氣體可升溫幾個(gè)攝氏度，這就是對(duì)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(jìn)氣管路輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)。通過閥門控制氣流的壓力，完成依據(jù)設(shè)定點(diǎn)要求的壓力和溫濕度進(jìn)氣氣流供給，然后通過輸送端口直接連接到發(fā)動(dòng)機(jī)新鮮空氣進(jìn)氣口。

5. 進(jìn)氣流量計(jì)算

在選型時(shí)，還要考慮該試驗(yàn)室最大試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的最大進(jìn)氣量。選擇過大，浪費(fèi)了電力和設(shè)備，選擇過小，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，限制了試驗(yàn)?zāi)芰?。杜雅娟等?duì)進(jìn)氣流量列出了多種計(jì)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(dòng)機(jī)功率×發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗量×空燃比/空氣密度。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗量根據(jù)測(cè)試工程師提供的經(jīng)驗(yàn)值，一般柴油發(fā)動(dòng)機(jī)220 g/kW.h～240 g/kW.h；柴油機(jī)空燃比推薦選取21。

6. 進(jìn)氣管路優(yōu)化設(shè)計(jì)

進(jìn)氣管路的設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放也有一定的影響。合理的進(jìn)氣管設(shè)置對(duì)一個(gè)現(xiàn)代化試驗(yàn)室有非常大的意義。由于試驗(yàn)樣品類型的不可預(yù)期，很多發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的朝向不做固定。因此，設(shè)計(jì)進(jìn)氣管路時(shí)盡量考慮進(jìn)氣管可能涵蓋能最大的區(qū)域。即使是發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的試驗(yàn)室，由于發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用不同，同一機(jī)型也存在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口位置不同，造成很多管路連接問題，甚至進(jìn)氣條件無法滿足。

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

圖1 進(jìn)氣管路示意圖

圖2 進(jìn)氣管路俯視示意圖

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)不同進(jìn)氣壓力條件下NRSC的試驗(yàn)結(jié)果

三、試驗(yàn)進(jìn)氣壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

1. 試驗(yàn)進(jìn)氣壓力對(duì)非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)工況NRSC的影響

依據(jù)GB 20891-2014試驗(yàn)要求，以某7 L非道路三階段增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，在不同的進(jìn)氣壓力和其它試驗(yàn)條件一致的情況下進(jìn)行NRSC試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，額定點(diǎn)設(shè)置好進(jìn)氣壓力，鎖定壓力調(diào)節(jié)閥，其它負(fù)荷點(diǎn)跟隨額定點(diǎn)浮動(dòng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力對(duì)柴油機(jī)功率、排氣溫度、NOx、顆粒物、CO等有顯著的影響。因此,試驗(yàn)中控制好發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)的性能和排放測(cè)試有非常重大的意義。從額定點(diǎn)增壓壓力可以看出，進(jìn)氣壓力的變化直接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)增壓壓力，從而影響了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，間接影響了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒，從而導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)功率、排氣溫度、NOx、顆粒物和CO等的變化。

2. 試驗(yàn)進(jìn)氣壓力整車驗(yàn)證

以安裝了該試驗(yàn)同機(jī)型的挖掘機(jī)為研究對(duì)象，將挖掘機(jī)檔位設(shè)置在10檔，大臂彎曲和增壓挖掘機(jī)系統(tǒng)液壓壓力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)母叩∷偈俚筋~定點(diǎn)附近，測(cè)量該狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)濾清器后進(jìn)氣壓力。由于該機(jī)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(cè)量這些工況的發(fā)動(dòng)機(jī)濾清器后進(jìn)氣壓力。將所有整機(jī)測(cè)量的進(jìn)氣壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量的進(jìn)氣壓力進(jìn)行對(duì)比研究（見表4）。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，額定點(diǎn)設(shè)置好進(jìn)氣壓力-4.8 Kpa，鎖定壓力調(diào)節(jié)閥，其他負(fù)荷點(diǎn)跟隨額定點(diǎn)浮動(dòng)。

表4 進(jìn)氣壓力試驗(yàn)室臺(tái)架數(shù)據(jù)和整機(jī)進(jìn)氣壓力對(duì)比 Kpa

試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的排氣系統(tǒng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作的要求，很好地代表了實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)氣條件。

四、結(jié) 語

通過進(jìn)氣條件的優(yōu)化，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和排放性能。結(jié)合整機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣條件測(cè)量提出了空調(diào)選型和進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，為新型現(xiàn)代化發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室設(shè)計(jì)提供依據(jù)。