汽油发动机可靠性试验方法研究

殷海庭

（上海汽车集团股份有限公司，上海201804）

汽油发动机可靠性试验方法研究

殷海庭

（上海汽车集团股份有限公司，上海201804）

结合某款发动机及其匹配的整车，通过对比某个常用台架耐久试验和国标可靠性试验的工况，初步探索了一种汽油发动机可靠性试验工况应用的选择方式，对现代发动机合作开发过程中规范应用实施提出理论方面的建议。

可靠性试验方法行驶里程速度

1 前言

现代工业产品开发的过程都需要经历试验后才能定型生产，现代发动机的开发也不例外。试验的依据往往来自于产品及其零件的失效模式和产品生命周期要求。可靠性试验就是典型的针对产品失效和产品寿命的试验。现代企业为了保证产品质量，在产品设计、生产过程中和设计改进时都需要进行可靠性试验，以决定样品是否能够进入产品，从而大规模生产并投放市场。可靠性试验的成功直接决定了该产品开发是否成功[1]。

现代乘用车汽油发动机的开发往往经历零部件试验、发动机台架试验及整车试验。发动机整机可靠性试验基本上在台架和整车上进行考核。乘用车使用寿命里程达20万km以上，跑完一个基本的道路耐久试验一般需要1年的时间。如果在发动机台架上模拟整车行驶工况进行试验，也需要4 000 h左右，这不符合目前主流发动机50个月左右从预研到投产的开发周期要求。所以需要在发动机台架上应用一种加速的方式来进行发动机的可靠性试验，以考核疲劳强度下降、冲击等因素引起的失效。

国标GB/T19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》[2]规定了几种发动机可靠性耐久试验方法。而国内汽车企业在新产品发动机开发过程中纷纷选择与国际大汽车公司及国外著名开发公司合作的方式，从而获得了相应的一些可靠性耐久试验规范。每种规范都规定了不同的试验要求，特别是试验工况。如何进行选择应用，则需要进行分析研究。笔者在这里基于国标和某可靠性试验规范对比研究，提出了一组试验规范对比的方案。

2 试验规范对比

作为对比样本的试验规范，一为国标GB/T19055-2003中400 h交变负荷试验，每个试验循环为30 min（图1），共计800循环。二为某国际开发公司转化的对应的400 h可靠性试验规范，每个试验循环为40 min（图2），共计600循环。在下文中该试验规范称为规范A。

图1 国标400 h交变负荷试验规范示意图（实线表示油门全开）

图2 规范A 400 h试验规范每循环示意图

作为对比发动机，选择目前市场上常用的一款1.8 L四缸涡轮增压发动机及其搭配的某车型，其额定转速5 500 r/min,额定净功率118 kW，怠速转速750 r/min。

2.1 试验累计发动机转动次数

发动机内部的活塞连杆和气门是往复运动件，它们的运动次数与发动机的转速相关。在不考虑负荷影响的情况下，对于机械零件的冲击次数可以简化成整个试验循环周期中发动机转动次数而进行比较。以气门弹簧为例，在发动机工作过程中不断地被压缩及释放，需要检查其在达到金属疲劳极限后还能否可靠工作。发动机曲轴每转1转，凸轮轴对应转动0.5转，气门弹簧经历一次压缩或者释放。所以累计的发动机转动次数可以反映累计的运动件疲劳情况。

通过对国标规范400 h交变负荷试验曲线进行截取，对于转速改变的工况取上下2个转速相加的一半进行处理，整理得到每个循环的发动机转动次数，详见表1。

从表1可以总计获得30 min循环的发动机转动总数为122 537.5，则400 h（800循环）的发动转动总数为98 030 000，约为108。

同样，对规范A进行整理，详见表2。

同样，从表2可以总计获得40 min循环的发动机转动总数为164 968.8，则400 h（600循环）的发动转动总数为98 981 280，约为108。

通过对2种400 h发动机试验规范转动次数对比，发现2个试验规范都达到了108次量级，对应到曲轴系统的转动次数达到了108次量级，凸轮轴系统的转动次数也达到了约5×107，超过了金属疲劳极限的2×107[3]。

2种试验规范均能有效模拟乘用车生命周期中发动机零部件的疲劳受损情况，且与发动机的高频率疲劳考核强度基本相当。规范A在发动机机械疲劳强度方面的考核达到国标要求，并且稍微超出。

表1 国标每循环发动机转动次数

2.2 试验累计发动机输出功

发动机是一个动力输出装置，通过缸内燃料燃烧产生的能量来推动曲轴旋转做功。在这个过程中，发动机机体、缸盖等一些零件承受燃烧做功所带来的动态和静态热负荷。这些热负荷在长期的发动机运转中会使零件产生疲劳失效、蠕变、强度下降等劣反应[4]。对于每一款特定应用的发动机，它的热散耗与功率输出是一个曲线百分比，即可以通过输出的功率来反映该时间内发动机所承受的热疲劳。长时间承受热负荷的大小能力也能够反映出发动机可靠性的好坏。所以对于耐久规范的比较来说，也可以通过比较发动机输出功来进行一些强度高低的对比分析。

根据1.8 L四缸涡轮增压发动机的性能特性和格式P=T×n/9 550可以得到每一个工况的发动机输出功率，最后统计每一个循环的总计输出功。国标400 h交变负荷试验工况30 min循环的输出功统计见表3，规范A试验40 min循环的功率统计见表4。

根据表3，可以得到在国标400 h交变负荷试验工况下，发动机1个循环30 min的输出功为42.21 kW·h，即每小时的输出功约为84.42 kW·h；从表4可见，根据规范A试验程序，发动机1个循环40 min的输出功为51.85 kW·h，即每小时的输出功约为77.78 kW·h，稍微低于国标400 h交变负荷试验工况。

表2 规范A每循环发动机转动次数

可见，2种试验规范在模拟发动机实际使用时的热负荷方面，国标较规范A要高出8.5%；在单位功率强度上国标要稍微高于规范A，同时在400 h累计考核功率上高于规范A。

表3 国标每循环发动机输出功

3 试验模拟最高车速及累计考核里程

通过汽车动力学方面的理论，可以拟合出发动机功率与车辆速度方面的关系[5]。图3是该车型搭载的这款1.8 L四缸涡轮增压发动机计算拟合的结果。从图3中根据输出功率拟合计算国标的400 h交变负荷试验工况，整车可以达到的车速约193.46 km/h。如果一个耐久性能循环试验时间为5 h，总的考核行驶里程可以达到967.3 km，400 h可以达到整车行驶里程77 384 km。拟合计算规范A试验，整车可以达到的车速约176.39 km/h，一个耐久循环试验为5 h，考核行驶里程可以达到881.95 km，400 h可以达到整车行驶里程70 556 km。

表4 规范A每循环发动机输出功

该款车型设计的最高车速为195 km/h。国标400 h交变负荷试验工况试验在车速及整车行驶里程上能达到并略高于规范A，并且车速与整车最高车速接近。可见国标规范在考虑功率累积和对应拟合车速上能更接近有效模拟乘用车实际使用中的车速及里程要求，并且其考核的强度同样达到并超过了规范A的要求。

Research on Reliability Bench-Test Method for Gasoline Engine

Yin Haiting
（SAⅠC Motor Corporation Limited,Shanghai 201804,China）

A way of selecting of gasoline engine reliability bench test is preliminarily investigated by the comparison of running cycles of gasoline engine reliability bench tests on an engine and its matched vehicle specified in a common used test method and the national standard method.Some suggestions about the reliability bench test for modern engines developed through cooperation are also provided.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.010

来稿日期：2014-04-04

殷海庭（1978-），男，工程师，主要研究方向为动力总成机械开发试验。