发动机台架试验的测试技术

李 梅，王君萍

（中国石油集团 济南柴油机股份有限公司，山东济南250306）

随着电子元器件、通讯方式，计算机技术等在发动机台架试验领域的应用，为发动机测试技术提供了先进的测试手段和发展空间，同时市场对发动机的动力性、经济性、环保性、可靠性、耐久性等性能指标要求不断提升，相应地对发动机测试技术也提出更高的要求。发动机的台架试验也就是将发动机各动力系统的稳态、动态参数快速采集，准确显示以进行发动机性能的评估及为发动机各系统调整提供数据依据。

发动机测试的特点是测量的参数多，测量设备、测试项目也多种多样。

1 发动机台架试验测试参数

（1）冷却系统、润滑系统、呼吸系统：油、水、气温度，油、水、气压力，油、水、气流量。

（2）燃烧系统：爆发压力，气阀升程，活塞顶温度场。

（3）燃油（气）系统：进油（气）温度、进油（气）压力、轨压、油管压力、针阀升程、点火能量、天然气热值、燃油（燃气）消耗量。

（4）排气系统：各气缸排气温度，排气压力，排气背压。

（5）轴系：主轴承瓦背温度，凸轮轴轴承瓦背温度，止推片温度，连杆轴承温度。

（6）整机：扭矩、转速、排放，烟度，扭振，振动，噪声，爆振，漏气量，机油消耗。

发动机的测量参数是通过传感器拾取的，传感器即能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。根据测量参数的量程，测点的使用环境，参数需要的精确度，重复性，分辨率，线性度，动态响应情况选择相应的传感器（表1）。

2 发动机测试设备

发动机的测试设备朝着高的采样频率与分析带宽、自动化与网络化的方向发展，同时注重设备的自检功能，如自动零点标定，自动线性校准，通过配带的便携标定装置方便的进行传感器及采集系统的校准。

表1 发动机测试用各类传感器对照表

发动机台架试验用测试设备及辅助设备主要有：

（1）发动机冷却水温度控制装置：一般采用变频器，电动或气动调节阀加PID算法实现温度控制。用于发动机出水温度的控制。

（2）中冷气温气压调节装置：一般采用变频器，电动或气动调节阀加PID算法实现温度控制。用于发动机各气缸进气的模拟。

（3）机油温控装置：一般采用伺服电动阀加PID算法实现温度控制。用于发动机的启动及工作中的油温控制。

（4）发动机燃烧分析仪，用于评价气缸内燃烧情况。发动机工作中进、排气的压力，进、排气阀的升程，针阀的的升程，气缸内燃烧压力均是快速变化过程，传感器选用耐高温，低零漂，高线性度，动态响应速度快，数据采集系统要有足够的采样频率及分析带宽。分析软件要具有强大的计算功能，用于发动机的放热率，放热量，压升率，示功图等的计算。

（5）色谱仪：燃气分析专用色谱仪是用来分析天然气、液化气和液化混合空气、配气的组分含量，并快速给出不同燃气的高热值、低热值、密度、相对密度、华白数、燃烧势等特性指数的一种专用仪器。

（6）油耗仪：主要有承重式和质量流量式两种，用于给发动机提供温度、压力可调的燃油消耗量测量设备。

（7）烟度计：主要有滤纸式和消光烟度计两种，大功率发动机上主要应用滤纸式烟度计，但是随着排放法规对发动机烟度值及测量方法的限制，不透光烟度计在发动机尤其是在车用发动机的烟度测量中越来越呈现主角的势头。

（8）排放测试系统：可以连续实时测量发动机排气中的CO、CO2、THC、NOx和O2等5种成分，满足ISO－1878，欧洲3，4号标准相应法规和IMO等法规要求的测试循环（表2）。

表2 排放法规要求的气体分析仪型式

（9）扭振分析仪：扭转振动是指旋转轴部件的角速度振动，扭振分析仪用于实时测量轴系的扭振频率及扭振振幅，能够进行阶次分析，确定发动机的共振频率。

（10）振动、噪声测量系统：用于发动机的振动，噪声测量及评价，可测量发动机的振动加速度，速度，位移，噪声的声压级及声强级，通过FFT，CPB，总级值，阶次分析进行性能及故障判断。

（11）热平衡试验台：测量和分析在柴油机的工作过程中，燃料燃烧产生的热量如何分配，各个主要的换热部件（高低温冷却水，机油冷却器，中冷器，发动机的进排气，燃油进、回油，增压器，油底壳等）的换热量。

（12）热冲击试验台：检验发动机在冷热交替冲击下，各种零件的可靠性及耐久性，也用于评价气缸盖在冷热冲击下，出现的疲劳问题。

（13）发动机进气模拟空调：为发动机提供温度，压力，湿度，流量可调的进气，一般由高压风机，露点控制单元，冷水机组，调压装置等组成，气流经过温度，压力和湿度的控制和调节后进入发动机。

（14）发动机的测功机：发动机的测功机主要有水力测功机，电涡流测功机，电力测功机3种类型，德国申科还有一种水力加电力的串联测功机。测功机的选择主要根据发动机的技术参数（扭矩，转速，扭矩最大额定点等）和发动机的用途根据测功机的特性曲线选择适合相应发动机功率的测功机。

电力测功机响应速度较快，可以达到3ms，可满足各类瞬态试验且冷却方式简单，但功率范围较小，一般是车用发动机台架试验的首选。水力测功机响应速度较慢，大约为600ms，控制简单且功率可以做到很大，是工程机械类大功率发动机台架试验的首选，电涡流测功机的相应速度介于电力与水力测功机之间，其采用水冷的方式且对水质要求很严。串联测功机标榜自己具有优秀的动态响应性能，可以满足ETC试验要求。

（15）发动机的自动测试台：发动机的自动试验台多种多样，但均趋于集成化，自动化的方向发展，开放式的软件平台，可以同时挂接发动机的各种测试设备及试验的辅助设备使台架处于主控地位，各类型总线的应用加大了测试参数的实时性。计算机技术的应用使得发动机的各项试验基本实现一键完成。

3 发动机的测试项目

根据发动机的性能考核指标，发动机的台架试验需要进行不同的测试项目，发动机的各性能指标又是互相制约的，不能片面地追求任何一项指标。

（1）动力性试验：根据发动机的用途按照推进特性或负荷特性将发动运转到标定工况。

（2）经济性试验：在保证发动机动力性的前提下，通过调整供油提前角，增压压比等使发动机的油（气）耗量降下来。

（3）排放测试：排放指标与经济性指标是互相制约的，在保证经济性指标的前提下，如果采用对尾气进行净化处理不能满足排放标准，应对发动机进行调整。

（4）耐久性试验：依用途根据标准，对发动机主要零部件，如活塞，连杆、气门等的磨损进行测量。

（5）可靠性试验：热冲击，高原模拟等试验考核发动机在极端条件下的性能情况。

4 通讯方式

电子元器件和计算机技术的发展使得发动机测试参数的采集种类增多，动态响应加强，数据的转化速度加快，数据的分析带宽变大，这都要求数据的传输速度也要相应的加强，各种通讯方式，总线类型随之应用到测试传感器及测试设备上，使得测试人员看到的和记录下来的数据趋于记录时刻的真实工作状态各种通讯方式的对比见表3。

表3 各种通讯方式的比较

5 测试技术的发展方向

目前仍有一些发动机参数需要发动机解体后测量，发动机解体不仅耗时，还需要配置专门的装配人员，计量人员，使得许多用户及开发人员不得不放弃该类参数的测量。发动机的在线故障诊断是发动机不解体（或仅拆除个别小件）的条件下，确定发动机技术状况，查明故障部位及原因的新型技术。该技术也必将引领测试技术的发展。

故障诊断包含两种含义：一是维修性诊断，对已暴露出来的故障进行诊断，提出须采取的修复方法，二是预防性诊断，在尚未出现明显故障时，对发动机进行技术状况检查，了解发动机现有的技术状况是否与制造厂的技术规范相一致，并将诊断结果，如技术状况变化，零件磨损，需修换的零件等提供给用户或开发人员，并提出相应得维护修理建议。

目前，发动机的在线故障诊断技术主要通过两种方法实现：

（1）仪器测量法：是在总成不解体条件下，通过专用仪器，对发动机的某些特定参数加以检测，以判断其技术状态和故障情况。这种诊断方法具有诊断速度快、结果准确、不需解体 （或只需拆除个别小件）、能发现隐蔽性故障等优点，但能检测的参数有限且投资较大。

（2）故障树分析法：故障树即故障因果关系分析图，它是利用逻辑推理，对确定的故障事件在一定条件下用图形表示，并确定导致此故障事件必然发生某（些）次级事件的因果关系的图形演绎方法.然后，再分析此次级事件必然发生的更次级事件，如此层层分析演绎、制图，直至分析到 基本故障事件或不能再分解的边界事件为止，这种演绎图形即为故障树。故障树直观地反映了系统故障与各种基本故障的逻辑关系，为迅速排除故障提供了依据.但该方法主要基于理论值，只能给与指导性的原因分析。

发动机在线故障诊断技术不论是在故障的判断和分析方法上还是在故障库的建立上还有待进一步的提高。

［1］胡汉辉.传感器技术及应用［M］.北京：科学出版社，2009.

［2］史天录，刘经燕.测试技术及应用（第2版）［M］.广州：华南理工大学出版社，2009.

［3］吴克刚，曹建明.发动机测试技术［M］.北京：人民交通出版社，2001.