自然环境对发动机寿命预测影响研究

陆子 谢鑫鹏

摘要：发动机的气缸压力是影响发动机寿命的关键因素，但当车辆运行在不同的地域、气候、工况等环境条件下，发动机的寿命也会有很大差别。分别介绍了發动机测试时的各种使用条件，然后定义了使用条件综合修正系数K，最后通过实车试验确定了不同地域的使用条件综合修正系数欠，以供广大读者参考。

关键词：发动机 寿命预测 使用条件 修正系数

中图分类号：U469.2.03 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2018）02-0096-05

第一作者：陆子，男，1995年生，本科，研究方向为车辆运用工程。

1 前言

发动机的寿命是指发动机从开始正常工作到动力下降至某一数值（国家规定的标准参数值）时所经历的时间或里程，车辆发动机的寿命一般以千米为单位。

众所周知，发动机的寿命取决于其结构、材质、制造质量和修理质量。换言之，发动机的寿命取决于发动机的技术水平。当发动机的技术水平一定时，同型号发动机的寿命将主要取决于发动机的使用条件。同型号发动机在不同条件下使用时，即使严格遵循发动机使用说明书的规定，其寿命值也吋能相差好几倍。因此，外界各种使用条件是影响发动机寿命的重要因素。

2 研究背景

柴油发动机寿命预测研究离不开对气缸套进行磨损分析[1]。国外采用的方法大都是进行油液分析，所用的仪器多用铁谱仪和光谱仪。这些方法主要是通过检测柴油发动机润滑油中铁元素的含量，进而预测柴油发动机的寿命[2，3]。在此基础上，采用RBF神经网络和联立约束法来实现缸套摩擦学系统各元件的动力学性能仿真[4，5]。

国内对柴油发动机寿命的预测研究，大都是基于对车辆的零部件进行寿命预测研究[6]，如北京清华大学的摩擦学国家重点实验室和西安交通大学等重点院校。2002年军事交通学院以军用车辆机械系统为主要研究对象，研究了柴油发动机、传动系中齿轮、轴和轴承稳态及非稳态振动信号的特征提取，研制了“车辆检测诊断和寿命预测系统”[7]。并以柴油发动机铝合金活塞弹塑性有限元计算为基础，将计算结果与活塞台架试验及柴油发动机整机可靠性试验数据进行比较，从而证明预测公式及预测方法可靠性[8，9]。

本文将从发动机气缸的磨损量入手，考虑不同地域环境下自然条件对发动机磨损的影响，定义使用条件综合修正系数（最后通过实车试验确定了不同地域的火值，从而对发动机寿命进行预测。

3 各种使用条件对发动机寿命的综合影响

使用条件，从广义上讲就是车辆完成工作的使用环境。车辆是在气候、道路和运输等各种组合条件下完成运输任务的?。本文将影响发动机的使用因素分为3类：第一类是与车辆使用者无关的因素——道路、气候条件和货物种类、批量、运距等；第二类是与车辆使用者有部分关系的因素——使用制度和运行材料的质量等；第三类是完全取决于车辆使用者的因素，如驾驶员技术水平、保养修理水平等，所有这些因素都是互相关联的。因此，发动机在给定条件下的寿命是所有使用条件综合作用的结果。表1为发动机寿命预测各种使用条件影响系数。

4 发动机寿命预测模型的建立

由摩擦学相关理论及参考文献可知，发动机的气缸漏气量Q与发动机的寿命L的关系如图1所示。该图称为“发动机寿命曲线。”

5 试验数据

在西藏试验点（拉萨）和广州试验点分别进行了发动机气缸压力数据的采集，其中CDS代表西藏试验点，001代表1号试验车、002代表2号试验车、003代表3号试验车；GZS代表原广州试验点，001代表1号试验车、002代表2号试验车、003代表3号试验车。下表2中所列数据为六辆测试车的部分数据。

6 数据分析

选取其中一辆试验车（CDS001）测得数据进行分析，其他车辆类似。把每次测得的10个数据取平均值，得到5个气缸压力平均值，再将所对应的行使里程列出即得表3。

图2为西藏试验点1号试验车实测的气缸压力随车辆行驶里程的变化图。从图中可以看出，两者的关系是离散的，而通过上面的理论分析已经得出了行使里程与气缸压力的关系式，下面需要找出实际使用环境条件下车辆发动机寿命随气缸压力的函数关系式（即使用环境综合修正系数欠的具体数值）。

将CDS001实际测得的5组数据的平均值和对应的行使里程数值输入MATLAB软件，通过采用最小二乘的：次曲线拟合，得出实际条件下发动机寿命与气缸压力的关系曲线图3。图3中所标示的5个离散数据点表示的是5次测量气缸压力的平均值，曲线表示拟合出的发动机寿命随气缸压力的变化曲线。从图中可以看出，随着发动机气缸压力值的逐渐减小，发动机的寿命也将减少。

本文将在西藏试验点测得的发动机气缸压力数值与在内地平原地区（天津）测得的发动机气缸压力数值进行对比（量缸表测量数据见表4所示），就可以得出该地区（西藏）相对于内地平原地区（天津）的使用条件综合修正系数欠。通过比较，本文分别得出了5次测量数据所对应的使用条件综合修正系数K，经取平均，得出CDSO01综合修正系数平均值，如图4所示。

从图4可以看出，使用条件综合修正系数尤的数值在2.51?2.53之间，取平均值后可以得出该地区（西藏）的使用条件综合修正系数A：值为2.5202。

在实际工作中，K值的确定比较困难，笔者通过大量的试验数据推导得出K值，具体方法是：每间隔4000?5000km对被测车辆（西藏试验点3辆车）的气缸压力进行测量，并取其平均值，以得到15个气缸压力值，同时记录每次车辆的行驶里程，数据如表5所示，接着计算两次测量间的气缸压力差和里程差，在式（3）的基础上求解方程即可得到试验车当前运行状态的K值，这样可以得到15个K值，最后取其平均值即可得出3辆车的平均K值和车辆所处地区的样本K值，如表6所示。

将综合环境修正系数尤固定储存于国内环境数据库中，可作为某些地区内车辆发动机寿命预测的综合修正因素；同时也可作为预测其他地区车辆发动机寿命的参考因素。

同理，如果选用原广州试验点（广西）的某辆车进行试验，亦可以得到类似的曲线关系图，这里由于篇幅有限，不再赘述，只给出结论：使用条件综合修正系数尺的数值为6.45?6.6，取平均值后可以得出该地区（广西）的使用条件综合修正系数K值为6.54。

进一步选取全国典型11个地区的环境系数进行讨论分析，并选用最高、最低、平均气温、年降雨量、空气湿度、平均风速和海拔高度等因素作为环境相似因子，具体样本数据如表7所示。

对上述环境数据进行归一化处理后可以看出：贵港与南宁的自然环境特征最为相似，呼市与其相似程度最低。这也就是说，当车辆行驶在贵港地区时，自然环境系数尤可参考南宁地区使用，就不需要在贵港地区实际测量了，节省了大量的人力物力，同时预测结果也符合实际情况。

7 结语

综上可以看出，在同一地区、不同车辆的环境修正系数变化不大，已行驶里程数较大的车辆，发动机寿命平均预测提前量也较大；然而，不同地区、相近车况的环境修正系数明显不同，發动机寿命预测提前量也不同，西藏地区的预测提前量均大于天津地区的预测提前量。西藏地区车辆应更加注重保养和维修，以延长高原环境下车辆的使用寿命。

参考文献

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[2]刘守道.大型车用柴油机智能故障诊断技术及寿命预测方法的研究[D].北京：石油大学，2001.

[3]王朝晖，张来斌.柴油机故障智能诊断技术及专家系统[M].北京：煤炭工业出版社，1999.

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