李启杰，吴长水，姜自才，何 良

（上海工程技术大学汽车工程学院，上海 201620）

0 引 言

作为一种重要的热能动力机械，发动机在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。由于目前乘用车型快速更新，发动机推陈出新的速度也更快，因此，对新开发发动机的性能与可靠性的评估及评价也要求更高。而这些要求必然会导致对发动机工作的测试带来更高的要求。为了达到车用发动机设计标准，在开发新型发动机时，发动机耐久性验证变得尤为重要。

发动机耐久性试验是对其负荷特性、经济特性、活塞漏气量、缸内压力、机油消耗量以及零部件损伤等性能的稳定性考察，以便在发动机定型量产前及时发现其在设计、加工工艺以及所用材料等方面的不足，为后续优化指明方向。目前大部分使用的标准是国标与AVL公司标准，主要试验项目有额定功率耐久性试验、冷热冲击试验、循环负荷试验、交变负荷试验等[1]。本文在对某新型发动机进行耐久性试验的基础上，通过净功率试验、万有特性试验、机械损失试验、活塞漏气量试验、缸压测量、气门间隙测量、机油消耗量试验，采集数据并进行发动机性能分析，为该发动机的进一步优化及可靠性评估提供依据。

1 试验装置及试验方案

发动机耐久性试验是新发动机的必要试验[2]。对于发动机而言，耐久性是指发动机在长时间（500 h及以上）连续运行后，对其性能的变化情况及其主要零件磨损情况的综合性考查。

1.1 试验装置

试验主要设备：发动机耐久性试验测控台架、AVL数据采集模块、电涡流测功机等。

台架试验用机主要技术参数如表1所示。

表1 试验用发动机主要参数

1.2 实验方案

1.2.1 台架布置

发动机耐久性试验测控台架的布置如图1所示。

1.2.2 实验方案

参照国家标准GB/T 18297——2001《汽车发动机性能试验方法》[3]以及GB/T 19055——2003《汽车发动机可靠性试验方法》[4]，依据公司自定试验标准[5]，对该发动机进行循环负荷下的耐久性试验，持续时间为600h。耐久性试验的循环负荷运行图如图2所示。

1）油门关闭。启动发动机，发动机怠速（750r/min）运转并保持30s。

2）油门全开。经过10 s从怠速（750 r/min）均匀升至最低全负荷转速（1000r/min），持续120s。此后历经120 s均匀升至最大扭矩转速（5 000 r/min），并稳定在该转速180 s。最后均匀升至额定转速（5700r/min），历时 240s，并稳定在该转速 480s。

3）油门关闭。用测功机反拖发动机使其稳定在额定转速，持续60s。此后历时60s均匀下降至怠速，并稳定在怠速60s。

图1 台架布置简图

图2 发动机耐久性试验示意图

4）油门全开。快速升至额定转速，历时15s，之后稳定在该转速240s。历经120s均匀降至最大扭矩转速。

5）通过改变油门开度来改变负荷，持续运转发动机655s。最后历经10s快速降至怠速。至此完成一个循环，历时40min。

6）如上所述，运行900个循环，共用时600h。

2 实验结果及分析

按照耐久性试验大纲要求[6]，运行发动机，对该发动机进行定时观测记录，采集相关数据进行分析，并对该发动机性能加以评定。

发动机耐久性试验中，在每一工况点记录1次试验数据（选取每间隔100 h的试验数据记录进行作图分析）。此外，记录试验过程中的所有异常事件，以便进行评价分析。

2.1 发动机功率和扭矩

2.1.1 功率和扭矩随时间的变化关系

在发动机耐久性试验中，每间隔100h记录1次该发动机在节气门全开时，分别在最大转速（5700r/min）以及最大扭矩转速（5 000 r/min）下的功率和扭矩[7]，其随时间的变化关系如图3和图4所示。

图3 发动机功率随时间的变化关系

图4 发动机扭矩随时间的变化关系

由以上两图可知：在整个发动机耐久性试验过程中，在最大转速和最大扭矩转速下运行时，该新型发动机的功率和扭矩在节气门全开时随时间的变化曲线都较为平稳，两者波动率均在2%之内。这说明该新型发动机的功率和扭矩均具有良好的稳定性，达到稳定性要求[8]。

2.1.2 发动机耐久试验前后的动力性能变化

根据试验记录的数据，做出发动机性能在耐久性试验前后的变化关系图，如图5、图6所示。

由以上两图可知，耐久性试验前后，在外特性下，发动机的扭矩和功率的变化幅度均小于5%，且发动机功率和扭矩的各项指标均达到设计要求，说明该发动机动力性能满足设计要求，且较为稳定。

图5 发动机试验前后功率的变化关系

图6 发动机试验前后扭矩的变化关系

2.2 发动机油耗

2.2.1 油耗随时间变化关系

试验中保持发动机节气门全开，记录下其在5700r/min和5000r/min下的燃油消耗率，绘制该发动机燃油消耗率与时间的关系，如图7所示。

图7 发动机燃油消耗率随时间的变化关系

由上图可知，实验过程中，该发动机在两种转速下的燃油消耗率随时间的变化曲线较为平稳，变化幅度均小于2%。此外，在最大扭矩转速下的燃油消耗率曲线在试验后期小幅度下降，最大转速下的消耗率曲线随时间上升幅度减小，说明该发动机经济性能较为稳定，符合设计以及使用要求。

2.2.2 发动机耐久性试验前后的经济性变化

根据发动机外特性试验数据，做出发动机耐久性试验在100 h和600 h时燃油消耗率随转速的变化关系如图8所示，由图可知，试验前后发动机的燃油消耗率变化较小，均在4%以内，说明该型发动机在经过连续长时间的运行后，经济性能稳定，符合设计要求。

图8 发动机燃油消耗率与转速的关系

2.3 发动机漏气量与缸压

2.3.1 发动机漏气量

活塞漏气量通常指发动机在工作过程中，从曲轴箱通风管中逃逸出的气体的流量[9]。活塞漏气量直接反映出气缸的密闭性，影响气缸压缩终止压力，从而制约发动机的动力性以及经济性的提高[10]。在耐久性试验中，通过测定分析发动机漏气量，可以判断出发动机组件中活塞、活塞环和气缸壁的设计及其相互之间的配合是否合理，以此来判别发动机密闭性的好坏[11]。由汽车发动机可靠性试验方法GBT 19055——2003可知，四冲程发动机在全负荷时最大活塞漏气量限值由下式给出：

式中：BL——全负荷最大活塞漏气量限值，L/min；

VH——发动机排量，L；

nr——额定转速，r/min；

rr——额定转速、全负荷时增压机的压比，非增压机rr=1；

Tm——进气歧管内进气温度，K；非增压机Tm=298K[12]。

根据发动机性能参数计算该发动机全负荷最大活塞漏气量限值为：BL=40.6638L/min。

耐久性试验中，每隔一段时间，在发动机外特性下测量其活塞漏气量，并作出发动机耐久性试验前后漏气量随转速的变化关系图，如图9所示。

图9 发动机漏气量与转速的关系

由于发动机活塞与气缸壁之间存在间隙，且活塞环有开口，所以燃烧室中的高压高温气体不可避免地泄漏到曲轴箱，而随着发动机转速的增加，单位时间内活塞循环次数增加，致使间隙漏气增多，漏气量增加。此外，耐久性试验前后，由于发动机经过长时间的连续磨损，活塞、活塞环和气缸壁之间的间隙增大，致使漏气量增多。由图可知，经过600h耐久性试验，发动机漏气量虽增加明显，但均未超过40L/min，即均未达到漏气量最大限值，总体上满足设计要求。

2.3.2 发动机缸压

在发动机耐久性试验指标中，发动机缸压最能综合体现出其动力性以及经济性能指标。缸压的高低直接影响到发动机有效压力的大小。缸压高、有效压力大、燃烧迅速充分、热损失小，但易出现爆震；缸压低，直接影响到发动机的动力性和经济性，造成发动机动力下降、油耗增加、排放超标、甚至启动困难等故障。

本次试验在发动机转速为（250±20）r/min，节气门保持全开状态下进行测量，采集数据并作出各气缸缸压随试验时间的变化关系图，如图10所示。

一般情况下，损害发动机缸压的影响因素有气门密封不良、活塞或活塞环磨损、缸筒磨损、火花塞密封不良、缸垫损坏、活塞达不到设计上止点等。由图可知，耐久性试验前后，发动机各缸压最大相对标准偏差≤7%，各缸缸压减少量均小于22%。由此可知，该型发动机密闭性能良好，符合设计和使用要求。

2.4 发动机机油消耗量检查

机油对发动机的正常工作有着决定性的影响，具有密封、润滑、清洁以及冷却作用。在新型发动机耐久性试验中，测量其机油消耗量可以直观的评价出一台发动机的好坏。

图10 发动机缸压随时间的变化关系

本文采用放油称重法来测量该发动机额定转速、全负荷时的机油消耗量，并计算出其机油/燃料消耗比均小于0.25%，符合规定标准。

2.5 发动机主要零部件分析

经过600 h耐久性试验，除更换一个火花塞外，无其他部件损毁更换。试验完成后，按照规定对发动机进行拆检，对其主要零部件的磨损和损坏状况进行记录分析。

经过拆检分析，发动机曲轴和支架存在由机械交变应力引起的轻微裂纹，但裂纹只有通过探伤仪才可发现，对发动机寿命影响不大；缸套和活塞环摩擦副勉强可测量出轻度磨损，且局部光亮，有轻微擦伤；凸轮和挺杆有轻微磨损及划痕，分析为材料疲劳所致；活塞环槽与环表面有少量沉积物，火花塞有少量积碳，分析原因为耐久性试验后期，活塞、活塞环和缸壁磨损致使间隙变大，少量机油进入燃烧室所致，需在以后的新型发动机设计时进行优化改进。

3 结束语

本文通过对某新型发动机进行600 h耐久性试验，采集数据进行分析，得出结论如下：

1）该发动机功率和扭矩与耐久性试验时间的变化曲线变化稳定，波动≤2%，另外，耐久性试验前后，发动机外特性下的扭矩和功率变化幅度均小于5%，表明该发动机有较好的稳定性。

2）该发动机燃油消耗率随时间的变化曲线平稳，变化幅度均小于2%，且实验前后其燃油消耗率变化较小，均在4%以内，符合设计要求。表明该发动机经济性能良好且较为稳定。

3）经过600h耐久性试验，该发动机漏气量虽增加明显，但均未超过40L/min，即均未达到漏气量最大限值（40.663 8 L/min），此外，该发动机在转速为（250±20）r/min，节气门保持全开状态下的缸压在耐久性试验前后，各缸压差最大时≤7%，各缸缸压减少量均小于22%，额定转速、全负荷时的机油/燃料消耗比小于0.25%，表明该发动机各气缸进气均匀，稳定性和密闭性能良好。

4）耐久性试验后拆检发动机，发现该发动机只有个别主要部件有轻微磨损、划痕或沉积物，对该发动机的正常工作和使用寿命影响不大；此外，在试验过程中除更换一个火花塞外，无其他部件损毁，表明该发动机具有良好的耐久性能，工作稳定可靠。

[1] 郝佳胜.发动机耐久性试验的研究与分析[J].内燃机与动力装置，2012（5）：49-51.

[2] 楼狄明，强蔷，胡志远，等.电控共轨柴油机燃用生物柴油的耐久性试验研究[J].内燃机与动力装置，2011（6）：1-6.

[3] GB/T 18297—2001汽车发动机性能试验方法 [S].北京：中国标准出版社，2001.

[4] GB/T 19055—2003汽车发动机可靠性试验方法[S].北京：中国标准出版社，2003.

[5] Wander P R， Altafini C R， Colombo A L， et al.Durability studies of mono-cylinder compression ignition engines operating with diesel,soy and castor oil methyl esters[J].Energy，2011，36（6）：3917-3923.

[6] 田新海.汽车发动机检测技术的应用探析[J].装备制造技术，2012，33（5）：145-147.

[7] 尧命发，黄宁，段家修，等.增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃料特性的实验研究[J].内燃机学报，2003，21（4）：211-216.

[8] 周玉，戴松高.柴油机活塞漏气量分析及其限值的确定[J].内燃机，2000（2）：12-15.

[9] Szmytka F，Oudin A.A reliability analysis method in thermomechanical fatigue design[J].International Journal of Fatigue，2013（53）：82-91.

[10]李正守，郭立新.汽车发动机活塞磨损及气缸活塞间隙变化研究[J].机械科学与技术，2014，33（3）：395-395.

[11]Xin Q F.Durability and reliability in diesel engine system design[M]//Diesel Engine System Design.Cambridge：Woodhead Publishing Limited，2013：113-202.

[12]张志沛.汽车发动机原理[M].2版.北京：人民交通出版社，2011：109-117.