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车用汽油机冷热冲击可靠性试验研究

高低温试验箱 发表于(www.jbmodule.com)发布时间:2019/9/12

引言

现代发动机产品的开发必须经历各种试验才能定型生产,为保证质量,发动机在设计、改进和生产过程中均需要进行可靠性试验,产品开发成功与否与可靠性试验密切相关[1] 

GB/T 19055-2003《汽车发动机可靠性试验方法》[2] 规定了发动机交变负荷试验、混合负荷试验、冷热冲击试验等可靠性试验的方法。其中,冷热冲击试验用于考核在冷热交变工况下,受热应力及交变应力的发动机零部件的可靠性,如缸盖缸体的变形量、缸垫的密封性等[3] 。本文对某汽油机进行了50循环的冷热冲击试验,验证了所采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况,考核了发动机零部件的可靠性及发动机性能的变化情况。

1 试验方案

1.1 试验装置

试验用发动机为某国Ⅳ汽油机,其主要技术参数如表1所示。试验主要设备有Froude Hofmann EC38电涡流测功机、AVL 7131-06R动态油耗仪等。以上设备在试验前均经过校验,符合GB/T 19055-2003规定。

表1 试验用汽油机主要参数     下载原表

表1 试验用汽油机主要参数

1.2 试验规范

试验采用的冷热冲击规范见表2,发动机需按规范运行40次,接着运行1 h额定功率工况,以此为一个完整的循环。可靠性试验前,按指定的磨合工况进行磨合。磨合的目的在于减少初始阶段的磨损量,延长发动机的使用寿命,并检查发动机机械件与电气件的可靠性[4] 。磨合结束后进行了性能初试并记录数据,再进行50个完整的冷热冲击循环,最后完成性能复试。

表2 冷热冲击循环工况     下载原表

表2 冷热冲击循环工况

对比该冷热冲击试验规范与国标可知,无论是冷工况还是热工况,冷却水出口温度均达到或超过国标要求,整个冷热冲击可靠性试验的持续时间也超过国标要求。文献[5] 指出,发动机累计转动次数可以反映运动件的疲劳情况。由表1可知,工况1、2下发动机保持在6 000 r/min时的累计时间超过2 min,一个完整循环发动机转动次数大于8.4×105,整个可靠性试验,发动机转动次数至少达到4.2×107,对应到曲轴系统的转动次数为4.2×107,凸轮轴系统的转动次数也达到2.1×107,超过了金属的疲劳极限2×107。因此,采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况。

2 试验结果与分析

2.1 冷热冲击试验期间参数对比

2.1.1 功率

图1为冷热冲击试验期间,该汽油机在额定工况下的功率测试结果。由图1可知,整个可靠性试验期间,该汽油机的功率较为稳定,未出现功率突然下降等故障,功率随时间的增长略有下降,降幅约为3.8%,符合GB/T 19055-2003中规定的功率下降不超过5%的要求。这说明试验期间,发动机每循环放热量基本相等,输出功稳定。

图1 发动机功率随时间的变化

图1 发动机功率随时间的变化   下载原图

2.1.2 油耗

图2为冷热冲击试验期间,该汽油机在额定工况下的油耗测试结果。由图2可知,从40个循环以后,发动机的燃油消耗明显有所增加,但功率反而下降,可能的原因有:1)冷热冲击试验使发动机零部件磨损增大,曲轴箱等处窜入的未燃HC浓度增加,发动机的热效率有所降低;2)随着试验的进行,缸内可能存在一定的积炭,这会使发动机的燃烧有所恶化,导致燃油消耗增加,输出功率降低。

图2 发动机油耗随时间的变化

图2 发动机油耗随时间的变化   下载原图

2.1.3 排气温度

图3为冷热冲击试验期间,该汽油机在额定工况下,催化剂前排气温度的测试结果。由图3可知,发动机排气温度随时间的变化规律与油耗相反,随时间的增长有所降低,尤其是40个循环以后,排气温度降低的幅度更大,说明此时缸内燃烧有所恶化,导致发动机热效率降低。

2.1.4 气缸压缩压力

气缸压缩压力可用于检测气缸和缸垫的密封性。冷热冲击试验期间,气缸压缩压力如表3所示。由表3可知,整个试验期间,各缸压缩压力数值稳定,未出现明显的漏气现象,气缸和缸垫的密封性较好。

图3 发动机排气温度随时间的变化

图3 发动机排气温度随时间的变化   下载原图

2.2 冷热冲击试验前后参数变化

2.2.1 动力性

图4为汽油机冷热冲击试验前后功率的对比。由图4可知,冷热冲击试验后,试验用汽油机动力性略有降低,没有出现明显的功率下降情况,在高转速区间,功率的下降幅度较低速时略大。

图4 冷热冲击试验前后动力性对比

图4 冷热冲击试验前后动力性对比   下载原图

2.2.2 经济性

图5为汽油机冷热冲击试验前后油耗的对比。由图5可知,冷热冲击试验后,除去2 000 r/min、100%负荷这点,可靠性试验前后油耗的变化较小。总体而言,冷热冲击试验前后,该汽油机的动力性、经济性参数较为稳定,发动机的可靠性能够满足要求。

图5 冷热冲击试验前后经济性对比

图5 冷热冲击试验前后经济性对比   下载原图

3 结论

1)整个冷热冲击可靠性试验,曲轴系统及凸轮轴系统的转动次数分别为4.2×107、2.1×107,超过了金属的疲劳极限。采用的试验规范能够模拟零部件疲劳受损情况。

2)冷热冲击试验期间,该汽油机的功率较为稳定,未出现功率突然下降等故障,功率随时间的增长略有下降,降幅约为3.8%。从40个循环以后,发动机的燃油消耗有所增加,排气温度下降;各缸压缩压力数值稳定,未出现明显的漏气现象,气缸和缸垫的密封性较好。

3)冷热冲击试验后,试验用汽油机动力性略有降低,出现明显的功率下降情况,在高转速区间,功率的下降幅度较低速时略大。除去2 000 r/min、100%负荷这点,试验前后油耗的变化较小,发动机的可靠性能够满足要求。

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