發(fā)動機臺架耐久試驗時間與車輛行駛里程轉換方法研究

李 忠 羅劍坤

（江鈴汽車股份有限公司動力總成開發(fā)部 江西 南昌 330003）

引言

耐久性和可靠性作為發(fā)動機最重要的評價指標之一，已受到國內各發(fā)動機生產廠家的重視。臺架耐久試驗是發(fā)動機耐久性和可靠性驗證的主要手段，車用發(fā)動機可靠性指標一般用B10壽命來衡量，B10壽命以車輛行駛里程為單位，乘用車B10壽命一般為24 萬km，而臺架耐久試驗的長短以時間為單位。因此，需建立一種合理的發(fā)動機臺架耐久試驗時間與對應的整車行駛里程轉換方法，用于評估臺架耐久試驗時間是否滿足可靠性指標要求。為此，本文對發(fā)動機臺架耐久試驗時間與對應的整車行駛里程轉換方法進行了研究。

1 臺架耐久試驗介紹

臺架耐久試驗是驗證發(fā)動機耐久性和可靠性的主要手段，通過臺架耐久試驗，可加快驗證發(fā)動機的疲勞、磨損等失效情況。發(fā)動機的耐久試驗主要有：高周疲勞耐久試驗、冷熱沖擊耐久試驗、振動疲勞耐久試驗、高負荷耐久試驗等，這些試驗通常包括交變負荷工況、最大熱負荷工況、最大機械負荷工況[1]。發(fā)動機生產廠家針對自身發(fā)動機設計和搭載車輛的駕駛工況特點，開發(fā)了各自的臺架耐久試驗工況。與此同時，國家標準GB/T19055-2013 汽車發(fā)動機可靠性試驗方法規(guī)定了一些常用臺架耐久試驗工況[2]。

2 典型整車行駛工況確定

典型的整車行駛工況主要通過該車型的實際用戶路譜分析得到，是用戶駕駛和路面條件的真實反映。我國幅員遼闊，路面情況復雜，在發(fā)動機開發(fā)階段，通過大量采集實際用戶路譜并進行分析得到具有代表性的整車行駛工況比較困難。

在我國的排放和油耗測量標準中，針對不同的車型制定了典型的整車行駛工況循環(huán)，包括GB18352.5-2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（第五階段）規(guī)定的NEDC 循環(huán)[3]、GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（第六階段）規(guī)定的WLTC 循環(huán)[4]、GB17691-2018 重型柴油車污染物排放限值及測量方法（第六階段）規(guī)定的WHTC 循環(huán)[5]等，一定程度上代表了我國車輛使用條件。本文試驗所用發(fā)動機為輕型車國Ⅴ排放的汽油機，故采用輕型車國Ⅴ排放標準中的NEDC 循環(huán)作為典型整車行駛工況。

3 轉換方法分析

3.1 發(fā)動機負荷強度分析

發(fā)動機的工作原理是通過燃油的燃燒，將化學能轉換為機械能輸出[6]。

發(fā)動機的熱平衡方程為：

式中：Qf為燃油燃燒產生的總熱量，J；We為發(fā)動機輸出的有效功，J；Qw為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱量，J；Qair為發(fā)動機進氣系統(tǒng)（中冷器）散熱量，J；Qexh為發(fā)動機排氣系統(tǒng)散熱量，J；Qisc為殘余熱量（包括熱輻射、摩擦損失、測量誤差等），J。

從公式（1）可知，發(fā)動機所承受的機械負荷以有效功的形式輸出，而承受的熱負荷則通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、進氣中冷器，排氣系統(tǒng)散出。發(fā)動機在這種熱平衡狀態(tài)下，承受來自機械負荷和熱負荷的耦合作用并隨時間歷程產生疲勞、磨損等失效而逐漸性能退化或功能喪失。但實際發(fā)動機所承受的機械負荷和熱負荷的精確計算比較復雜，這里只是近似地認為發(fā)動機所承受的機械負荷和熱負荷的總和等于燃油燃燒產生的熱量。

燃油單位時間燃燒放熱量公式如下：

式中：qf為單位時間燃油燃燒放熱量，J；mf為單位時間燃油消耗量，kg；Hu為燃油的燃燒熱值，J/kg；η 為燃油燃燒率，%。

從公式（2）可知，單位時間燃油燃燒放熱量qf主要取決于mf。因此，可用mf代替qf來表征單位時間燃油燃燒放熱量或發(fā)動機所承受的機械負荷和熱負荷總和。燃油消耗的快慢主要取決于發(fā)動機轉速，對于四沖程發(fā)動機而言，發(fā)動機每2 轉噴油一次，因此，發(fā)動機轉速n 可表征單位時間燃油消耗的頻率。這就意味著同等的燃油量在不同轉速下燃燒所釋放的熱量對發(fā)動機的疲勞、磨損強度是不同的，轉速越高，負荷強度越大，發(fā)動機疲勞失效越早發(fā)生。因此，在轉速為ni、單位時間燃油消耗為mfi工況下，發(fā)動機所承受的負荷強度可用以下公式表示：

式中：Li為單位時間的負荷強度；N 為發(fā)動機工況數(shù)。

3.2 轉換公式推導

1）負荷強度加權平均值計算

在一個完整的循環(huán)下，發(fā)動機所承受的負荷強度加權平均值計算公式如下：

式中：Δti為循環(huán)中每個工況的持續(xù)運行時間，s；T 為循環(huán)運行時間，s。

2）加速因子計算

在2 個不同的循環(huán)下，發(fā)動機所承受的負載強度加權平均值分別為LAi和LAj，所對應的車輛行駛里程分別為Si和Sj。根據(jù)加速因子的定義[7]，加速因子AF 為：

3）等效車輛行駛里程計算

若某特定時間內耐久試驗i 的總循環(huán)數(shù)為N，它所等效車輛在某特定行駛工況j 下的行駛總里程S計算如下：

4 實例計算

試驗用汽油機為國Ⅴ排放汽油機，搭載于SUV車型，故采用NEDC 工況作為其典型車輛行駛工況，其交變負荷耐久試驗循環(huán)工況如圖1 所示。

按照上述公式計算出的負荷強度和加速因子如表1 所示。

搭載該發(fā)動機的整車NEDC 循環(huán)中，車輛累積行駛里程為11 km，因此，交變負荷耐久試驗1 000h所對應的車輛NEDC 工況的累積行駛里程S 可利用公式（6）進行計算。從表1 可知，N=815，AF=51.39，Sj=11。計算結果為S=46.07 萬km。

圖1 交變負荷耐久試驗循環(huán)

5 結論

本文從發(fā)動機臺架試驗所承受的負荷強度與整車行駛工況下所承受的負荷強度等效原則，推導了臺架耐久試驗時間與對應的整車行駛里程轉換公式，該轉換公式可用于車用發(fā)動機臺架壽命試驗和疲勞試驗所對應的整車行駛里程轉換。對某汽油發(fā)動機進行交變負荷耐久試驗，分析計算了對應車輛在NEDC 工況下的行駛里程。該方法已運用于作者所在企業(yè)發(fā)動機耐久試驗開發(fā)和可靠性評估，具有一定參考和借鑒意義。