发动机试验室进气系统的优化设计

文 /毛赛龙 郑 建

发动机试验室进气系统，是按要求调节空气输出的压力、温度和湿度，为发动机试验提供标准的进气条件，减少环境干扰和试验误差[1]。在各类发动机试验过程中，必须排除地区、季节和气候差异对试验结果的影响，确保试验结果的精确性、同一性和可比性，并缩短研发周期[2]。本文试图对发动机试验室进气系统进行分析及优化设计。

一、发动机试验室进气系统设计与工艺要求分析

设计时需要综合考虑各种试验设备的布置和安装条件，各管路、线路设计的工艺条件[3]。设计时事先主要考虑以下要求：良好的工作空间和试验人员的安全性；能满足预计各种类型试验顺利进行的各种需要；试验台架的设计功率和试验的性质；水源供应与循环用水系统；供电系统能提供试验设备与仪器所需的多种电压；管路系统合理布置，便于维护保养和维修；完善的消防措施；试验台架的自动化程度、通用性和灵活性等[4]。

1. 发动机台架试验室设计的要点

发动机台架试验室设计的要点是满足排放法规的要求和发动机实际的专业工作条件，同时兼顾建筑上的要求。依据国家环保局颁布的GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》、GB 17692-1999《汽车用发动机净功率测试方法》及GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》三个标准，进行试验室进气系统优化设计。

由于发动机最大进气量不仅随着发动机排量和功率而变化，也随着发动机工况而变化，因此要精确地确定进气量比较困难。为了确切地模拟发动机的实际工况，使得实际发动机进气和发动机应用时进气状态一致，需对发动机试验室进气系统设计提出更高的要求。在规划设计中，若送风量选得过大，不仅制造成本高而且运行费用高；若送风量不足，则影响试验的正常运行。

2. 标准测试主要涉及要求

根据上述三个标准要求，要对实验室的空气状况进行测量。由于发动机的进气温度、湿度和压力都对发动机功率构成影响，其测量值最后作为修正参数，对发动机测试功率和油耗进行修正。这些标准对试验室大气因子都有要求，如果试验室大气因子不在法定值内，则试验结果无效。

实际发动机试验中，依据这三个标准，还要求试验室进气系统需要代表实际的发动机运行条件。发动机进气空调是与测功机配套使用的试验室辅助设备之一，其选型是否合理直接影响到发动机台架的总体性能[1]。

GB 17692-1999对发动机试验标准进气条件作出要求（见表1）。目前国内已有产品能满足恒压、恒温和恒湿的进气要求，能减少校正误差[3]。

表1 发动机试验标准进气状态

同时，在选择相应的温湿度和压力传感器时，需要注意所选传感器的精度，发动机进气温度要求：±2 K；大气压力：±100 Pa；进气压力：±50 Pa。

3. 发动机实际应用要求

发动机在整车上应用时，对于不同工况，发动机进气压力根据发动机进气量而不同。在发动机台架试验时，还要考虑到安装进气流量计、温湿度计和压力传感器的要求。

4. 试验室安全要求

当试验过程遇到需要紧急停车情况，能远程切断发动机进气，这样当试验室断油电磁阀失效时，试验室还有第二个停机手段。

此外，由于安装了传感器和流量计等，进气管路的设计最好考虑避免有任何异物掉入发动机燃烧室的可能。

二、发动机试验室进气系统优化设计

1. 进气空调的控制要求

根据上述三个标准，对实验室的空气状况进行测量并控制。发动机的进气温度、湿度、压力都对发动机功率构成影响, 其测量值最后作为修正参数对发动机测试功率和油耗进行修正。较好的相应速度和控制精度是发动机试验数据稳定的保障，国内已有专家对温湿度和压力控制精度做了详细的研究[5]（见表2）。

表2 发动机进气空调标准进气状态控制要求

发动机进气空调，通过调节处理环境中的空气并将其控制到指定要求的压力、温度、湿度（湿度控制选项）限值再输送给发动机。如此提供标准的工作条件空气到发动机，可获得标准化的排放测试工作条件，也优化了发动机的工作曲线。

2. 进气空调的原理分析

① 工作原理

发动机进气空调从室外取气(室内外的温度为-10 ℃～38 ℃) ，经过过滤的新风依次经过空气处理单元、增压风机和风阀，最后经过稳压箱供气到发动机的进气口。在发动机进气空调稳压箱后有空气温度、湿度和压力监测点，同时作为进气空调的反馈控制点。

4. 温湿度控制方法

进气空调需要适用于冬夏模式等各种气候环境，为发动机台架试验提供标准进气。我国大部分地区夏季温度大概在28 ℃～40 ℃ 之间，相对湿度大概在60%～90%之间。所以，进气空调夏季模式时，进气空调温湿度调节的主要功能是降温除湿；在冬季模式时，气温大概是0 ℃ 左右，相对湿度低于50%。所以，冬季时，进气空调的主要调节功能是加热加湿[1]。

最近兴起的空气调节方式是露点控制进气空调[1]，环境空气通过控制加热器或加湿器对其进行控制调节，输出需求范围条件的空气。温湿度和压力控制分为以下几个步骤：

① 新鲜空气除湿。为了达到此目的，首先是将空气通过初级管线冷却到漏点温度和湿度水平。因此，需要0 ℃～4 ℃左右的冷冻水对新鲜空气进行冷却。初级空气的冷却将空气中的水分大量凝结排出。这样，就便于将相对干燥的空气通过进气空调的后续处理调整到需要的标准温度和湿度。

② 对干空气进行重新加湿。通过使用配套的高温度蒸汽精确注入，或使用进气空调内部蒸汽发生器产生要求量的蒸汽，进行湿度的准确调节。设计时要考虑蒸汽与新鲜空气充分的混合，将湿度升高到标准湿度。

③ 提高空气流量和压力。空气流量和压力的升高可以通过高速离心风机进行推动产生。当风机转动压力升高的同时，空气也被压缩，内能增加，气体可升温几个摄氏度，这就是对气体做绝热功。空气加热过程中温度被监控，并配合后端的加热器将该升温的气体再加热到需要的温度。

加湿、加压和加热后的气流通过进气管路输送到发动机。通过阀门控制气流的压力，完成依据设定点要求的压力和温湿度进气气流供给，然后通过输送端口直接连接到发动机新鲜空气进气口。

5. 进气流量计算

在选型时，还要考虑该试验室最大试验发动机功率的最大进气量。选择过大，浪费了电力和设备，选择过小，发动机进气不足，限制了试验能力。杜雅娟等对进气流量列出了多种计算方法[1]，本文不多做研究。

最大耗气量（m3/h） = 1 000×最大发动机功率×发动机比油耗量×空燃比/空气密度。其中，发动机比油耗量根据测试工程师提供的经验值，一般柴油发动机220 g/kW.h～240 g/kW.h；柴油机空燃比推荐选取21。

6. 进气管路优化设计

进气管路的设计对试验时发动机的动力性、经济性和排放也有一定的影响。合理的进气管设置对一个现代化试验室有非常大的意义。由于试验样品类型的不可预期，很多发动机试验室对发动机进气口的朝向不做固定。因此，设计进气管路时尽量考虑进气管可能涵盖能最大的区域。即使是发动机厂家的试验室，由于发动机应用不同，同一机型也存在发动机进气口位置不同，造成很多管路连接问题，甚至进气条件无法满足。

通过多年试验经验，本文提出一种比较可行的设计方案，即：将发动机进气悬臂安装在墙体上，组成旋转的管道系统，以便将进气输送到试验室的很大一片区域（见图1和图2）。设计时也可以考虑可伸缩的进气管路，这样将更加提升试验室对发动机类型的适应性和便利性。进气管路和进气空调中间采取断开连接的方式，使得该进气管路不会对发动机进气过程造成影响。

图1 进气管路示意图

图2 进气管路俯视示意图

表3 发动机不同进气压力条件下NRSC的试验结果

三、试验进气压力对发动机性能的影响

1. 试验进气压力对非道路稳态循环工况NRSC的影响

依据GB 20891-2014试验要求，以某7 L非道路三阶段增压中冷柴油发动机为研究对象，在不同的进气压力和其它试验条件一致的情况下进行NRSC试验，试验结果见表3。发动机台架试验时，额定点设置好进气压力，锁定压力调节阀，其它负荷点跟随额定点浮动。

试验结果表明，不同发动机进气压力对柴油机功率、排气温度、NOx、颗粒物、CO等有显著的影响。因此,试验中控制好发动机进气压力对发动机真实的性能和排放测试有非常重大的意义。从额定点增压压力可以看出，进气压力的变化直接影响了发动机增压压力，从而影响了发动机进气量，间接影响了发动机缸内燃烧，从而导致了发动机功率、排气温度、NOx、颗粒物和CO等的变化。

2. 试验进气压力整车验证

以安装了该试验同机型的挖掘机为研究对象，将挖掘机档位设置在10档，大臂弯曲和增压挖掘机系统液压压力，使得发动机转速从高怠速失速到额定点附近，测量该状态的发动机滤清器后进气压力。由于该机型的整车寄生功率，选取转速1档、2档和10档空载工况，测量这些工况的发动机滤清器后进气压力。将所有整机测量的进气压力和发动机台架试验测量的进气压力进行对比研究（见表4）。发动机台架试验时，额定点设置好进气压力-4.8 Kpa，锁定压力调节阀，其他负荷点跟随额定点浮动。

表4 进气压力试验室台架数据和整机进气压力对比 Kpa

试验结果表明，优化设计后的排气系统满足发动机实际工作的要求，很好地代表了实际发动机的运行进气条件。

四、结 语

通过进气条件的优化，改善了发动机的动力性能和排放性能。结合整机发动机进气条件测量提出了空调选型和进气管结构的改进设计方案，为新型现代化发动机试验室设计提供依据。