1、发动机与起动机性能匹配测试系统结构设计1 绪论 1.1 选题的意义2007年中国汽车销售879.16万辆，2010年汽车销售规模达到1800万辆。汽车起动机市场也随之蕴含着巨大商机。目前，我国汽车起动机和发动机及其主要零部件产品的制造企业在600家以上，其中具有整机生产能力的约300家。随着竞争的加剧，业内市场分割日趋明朗，国产汽车起动机和发动机的国内配套市场覆盖率达到99%以上，包括国产乘用车、微型车、轻型车、客车、载货汽车、各类工程及农用机械、船舶等。其中外商独资以及外资企业合资企业，市场扩张迅速，逐渐成为我国乘用车、商用车行业配套机器的主力供应商。相对固定的市场竞争格局使行业原有生产能力
2、得到基本释放，可以预测，行业内新一轮大规模的投资即将兴起。2000年2006年，汽车发动机行业的产销率均在行业标准值96%以上。随着国内汽车产量的快速增加和技术的进步，对发动机测试设备的需求量越来越大，要求越来越高，使国产发动机测试设备企业也得到了较快的发展。通过技术引进和自主开发，江苏启测测功器有限公司、河南洛阳南峰机械厂、70研究所、杭州奕科机电技术有限公司、杭州中成测试设备有限公司、江苏南通常通测试设备有限公司等企业的技术水平和生产能力都有了较大的提高，不但能生产性能水平较高的测功器，也能生产成套的发动机常规测试设备及部分专用测试设备。但与国外先进水平比，设备的性能、精度和质量水平还较低
3、，成套设备配套使用的可靠性较差，协调各硬件工作的控制软件的技术水平还需提高；由科研机构研制的专项测试仪器难以商品化，无法满足汽车发动机行业发展的需要，目前各国内汽车发动机厂用于产品研发的测试设备基本都采用进口的，排放标准所需的测试设备也都依赖进口。因此研发一套成熟的系统是十分必要的。测试台的优点：不需要整车，所以可以在汽车动力系统的开发早期对汽车动力系统除了发动机以外的部分进行模拟，从而研究内燃机的动态性能，便于新型发动机的开发，为汽车动力传动系统的优化匹配提供了一种很方便的试验手段，试验重复性好，可以使用多种测量方法，而且可以使用道路试验和转鼓试验不适用的精度更高的、采样频率更快的测试设备，
4、使测试技术水平得到明显提高。汽车发动机性能试验方法（GB/T 18297-2001）规定了汽车用发动机性能台架试验方法，包括各种负荷下的动力性及经济性试验方法，无负荷下的起动、怠速、机械损失功率试验方法以及有关气缸密封性的活塞漏气量及机油消耗量试验方法。1.2 发动机的简述与结构发动机（Engine），又称为引擎，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。（把电能转化为机器能的称谓电动机）有时它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器，比如汽油发动机,航空发动机。发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机
5、械装置”。 内燃机，这一类型的发动机与外燃机的最大不同在于它的燃料在其内部燃烧。内燃机的种类十分繁多，我们常见的汽油机、柴油机是典型的内燃机。我们不常见的火箭发动机和飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过，由于动力输出方式不同，前两者和后两者又存在着巨大的差异。一般地，在地面上使用的多是前者，在空中使用的多是后者。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的，也在汽车上装用过喷气式发动机，但这总是很特殊的例子，并不存在批量生产的适用性。发动机机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和
6、刚度。机体组主要由气缸体、汽缸套、气缸盖、气缸垫和输出轴等零件组成。1.3测功机-转矩转速传感器1.3.1 转矩转速传感器简介转矩传感器主要由扭力轴、磁检测器，转筒及壳体等四部分组成。磁检测器包括配对的两组内、外齿轮，永久磁钢和感应线圈。外齿轮安装载扭力轴测量段的两端； 内齿轮转筒内,和外齿轮相对，永久磁钢紧接内齿轮安装在转筒内。永久磁钢，内外齿轮构成环状闭合磁路,感应线圈固定在壳体的两端盖内。在驱动电机带动下， 内齿轮随同转筒旋转。内外齿轮是变位齿轮，并不齿合，齿顶六由工作气隙，内外齿轮的齿顶相对时气隙最窄，齿顶和齿槽相对时，气隙最宽。内外齿轮在相对旋转运动时，齿顶与齿槽交 替相对，相对转动
7、一个齿位时,工作气隙发生一个周期的变化,磁路的磁阻和磁通随之相应作周期变化,因此线圈中感应出近似正弦波的电压讯号,讯号电压瞬时值 的变化和内外齿轮的相对位置的变化是一致的。测功机也称测功器，主要用于测试发动机的功率，也可作为齿轮箱、减速机、变速箱的加载设备，用于测试它们的传递功率。主要分为水力测功机、电涡流测功 机、电力测功机。电力测功机利用电机测量各种动力机械轴上输出的转矩，并结合转速以确定功率的设备。因为被测量的动力机械可能有不同转速，所以用作电力测 功机的电机必须是可以平滑调速的电机。目前用得较多的是直流测功机、交流测功机和涡流测功机。直流测功机可作为直流发电机运行，作为被测动力机械的负
8、载，以测量被测机械的轴上输出转矩；也可以作直流发电机运行，拖动其他机械，以测量其轴上输入转矩。转矩与测速发电机测得的转速之积即轴功率。这就是测功机一名的由来。交流测功机 通常由一台三相交流换向器电动机和测力计、测速发电机组合而成。 它的测功原理与直流测功机相同。涡流测功机 利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩的装置。它由电磁滑差离合器（见电磁调速异步电动机）、测力计和测速发电机组成。被测动力机械与电磁滑差离合器的输入 轴连接，带动电枢旋转，磁极则被安装其上的测力臂掣住,只能在一定范围内摆动一角度,配合测力计就可以由此摆动角直接读出电枢与磁极间作用的电磁转矩。略 去风摩损耗等测量误差时，此电磁转矩
9、就等于被测动力机械的输出转矩。涡流测功机只能产生制动转矩，不能作为电动机运行。一般用于测量转速上升而转矩下降， 或转矩变化而转速基本不变的动力机械。1.3.2电涡流测功机工作原理由电涡流测功机结构图可知，感应子主要由旋转部分和摆动部分（电枢和励磁线圈）组成。转子轴上的感应子形状犹如齿轮，与转子同轴装有一个直流励磁线 圈。当励磁线圈组通以直流电流时，其周围便有磁场存在，那么围绕励磁组就产生一闭合磁通。很明显，位于绕组左侧的感应子具有一个极性，右侧具有相反的极 性。旋转时，由于磁密值的周期性变化而产生涡流，此涡流产生的磁场同产生它的磁场相互作用，从而产生与被试机反向的制动力矩，使电枢摆动，通过电枢
10、上的力臂，将制动力传给测量装置。转速测量采用非接触式磁电转速传感器和装于主轴的60齿牙盘，将转速信号转换成电信号输出。391.4动力性指标 动力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、发动机转速等作为评价指标。1.4.1扭矩扭矩表示使物体加速转动的能力。一般来讲，汽车发动机的马力大通常扭矩也大。如果用扭矩来表示功率，可以写成式（1.1）：N=Mw（1.1）N为扭力M是扭矩w是转动的角速度也就是说，刚才我们说扭矩大马力也大的前提是转速相同。如果在马力相同的情况下，扭矩与转速就成反比，转速高的发动机扭矩就会比较小。1.4.2转速发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速
11、，用n表示，单位为r/min。发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少或发动机有效功率的大小，即发动机的有效功率随转速的不同而改变。因此，在说明发动机有效功率的大小时，必须同时指明其相应的转速。1.4.3 功率是单位时间内做功的大小或能量转换的大小。若令W是在t时间内所做的功，则这段时间内的平均功率 Pavg 由式(1.2)给出：( 1.2) 瞬时功率是指时间 t 趋近于0时的平均功率，如式(1.3)所示： ( 1.3)1.5 机械振动的来源机械振动是指表示机械设备在运动状态下，机械设备或结构上某观测点的位移量围绕其均值或相对基准随时间不断变化的过程。与信号的分类类似，机械振动根据振动
12、规律可以分成两大类：稳态振动和随机振动。振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。只要测定这三个要素，也就决定了整个振动运动。幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。不同的频率成分反映系统内不同的振源。通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。简谐振动是最基本的周期运动，各种不同的周期运动都可以用无穷个不同频率的简谐运动的组合来表示。本节讨论最为简单的单自由度系统
13、在两种不同激励下的响应(即单自由度系统的受迫振动): 以利于正确理解和掌握机械振动测试及分析技术的有关概念。在振动测量时，应合理选择测量参数。如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用 力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由振动速度决定的，振动速度又与 能量和功率有关，并决定了力的动量。1.6国内常用机型比较虽然国内的发动机型号多种多样，但是表1.1中四种型号共占据了国内市场的63%左右，有较大的研究价值。表1.1 国内大部分发动机型号发动机型号优点适用车型丰田8AFE经济、可靠、维修夏利 威姿 夏利N3
14、 吉利三菱4G63维修方便、成本低瑞虎 东方之子 哈弗 CEO Jeep2500大众1.8T动力表现极佳途安 速腾 帕萨特 A4 A6 宝来五菱B系列油耗低、功率大五菱鸿途1.7 发动机测试系统未来发展方向发动机测试需要测试的项目繁多，如扭矩（力）、转速、压力、温度、流量、流速、噪声、位置和位移等，涉及的测试技术、测试设备和测试方法也多种多样。 发动机测试分为性能试验和专项试验，性能试验包括动力性、经济性、可靠性和耐久性等，专项试验是为特定目的进行的试验，如热冲击试验、排放试验、温度场试验、热平衡试验等。1.8 本章小结本章论述了选题的意义及发动机参数的意义，对国内外此方面的研究做了研究，并对
15、未来测试系统的研究方向做出展望。2 测试系统设计整体方案选择2.1 测试方法将测功机与发动机进行连接后，启动发动机，由测功机读出转速和扭矩等参数，方便而且直观地获得发动机起动过程中的转速和扭矩等重要性能参数的数据。2.1.1发动机起动性能测试两组蓄电池串联，在其内部溶液温度达到箱内温度电压不低于24V时开始起动，起动机起动后拖动发动机转动如果在15s拖动时间内发动机着火并自行运转，即为起动成功，若超过15s未能自行起动,其间无断续着火声即为起动失败，若其间有断续着火声并伴随着冒黑烟。允许继续接通15s，若能自行运转亦为起动成功，然后根据特性曲线确定起动成功所需的时间，即起动时间。起动成功后，紧
16、接着做发动机的拖动试验，此时不给发动机供油，让起动机拖动发动机转动，测出发动机的成功起动转速，即起动转速。根据起动时间和起动转速，可判断出与发动机匹配性能最好的起动机。2.1.2发动机动态阻力矩测试使用整流电源给起动机供电，让起动机拖动发动机转动10s获取发动机的动态阻力矩。2.1.3发动机静态阻力矩测试人工轻微转动发动机飞轮10次，每次间的角度相差30取每次的最大阻力矩。2.1.4怠速试验将发动机油门松开，在低速空转的状态下运行5min后进行测量,每隔20s测一次,共测10次,最后计算平均转速和转速变化率,以评定怠速功耗及其稳定性。2.2总体方案设计2.2.1设计任务设计任务如下:发动机测试
17、系统试验台能够放置不同型号的发动机，可以在水平面的两个方向和竖直方向调节发动机位置，使它能与其它部分配合，以便准确地测试。a) 转速： 03000RPMb) 精度：优于0.1 误差小于5转/分c) 扭矩：0100 N.m 误差：1.52.2.2设计的整体方案总体布置设计如下：a) 基础应该有足够的重量，测功器不应与发动机支架同装于一块底板上；采用行业标准的基础底板设计，可以减少振动和成本。b) 台架基础置于开放环境中，可进行微调，方便操作。c) 可以测试多种引擎，只需调节最少量得零件。d) 由于测试的功率不大，所以对于内燃机各缸周期性的惯性力和力矩引起的受迫振动采用橡胶垫减震。e) 尽量使用标
18、准件并减少零件数。总装图如图2.1所示图2.1总装示意图2.3 本章小结本章论述了如何确定总体方案并拟定了设计思路，为接下来的设计提供了方向。3. 测试系统设计参数选择和分析3.1 设计参数的选择与分析 测试平台的设计参数是由被测发动机决定的，如表中所示的发动机尺寸。表2.1 国内常见发动机尺寸发动机型号尺寸规格 长宽高（单位mm）丰田8AFE690588750三菱4G63670560670大众1.8T650520600五菱B系列700570750底板根据发动机大小、测功机规格推算出大致的底板长度和宽度如式(3.1)与式(3.2)所示：（3.1）(3.2)B(l/w)：地板长/宽M(l/w)最
19、大的发动机长/宽所以单块平台尺寸：长宽厚=3000mm1446mm100mm由于不需要承担横向力与剪切力，因此挑选了较小的M12 T型槽螺母与650标准的T型槽作为支架与地板的联接件。3.2地板螺栓的选择地板与引擎支架之间的链接如图3.1所示图3.1 地板与引擎支架间的链接孔根据CFM ITBONA公司提供的标准，直径M12的孔深H应为24mm，孔宽b应为23.2mm。加上支架底高15mm和螺母12mm，所以应选用由此才能对应T槽专用的螺栓 GB/T 37-1988 M1250。地板使用M48地脚螺栓安装固紧、M36调整螺钉调平，其间距设置为横向1000mm、纵向500mm；设有吊装孔及接地螺
20、孔（不小于M12）（根据行业规则，以上参数无需在工程图中画出，由地板生产厂商设计）。台架支架其高度由最大可测试的柴油发动机大小计算，单支架尺寸：长宽厚=226mm224mm750mm。使用HT200铸造台架支架，减震效果很好，但是成本高；因此需要使用减震性能较好但价格便宜的材料进行制造。10mm热轧钢板（牌号: 08F）价格较便宜，易于加工，因此成了较好的选择。08F的材料性能如下：拉延级别|Z|抗拉强度:275365MPa拉延级别|S和P|抗拉强度:275380Mpa3.3支架的微调装置因为整套装置的安装是需要吊车的，因此是不太容易使用吊车进行精确的安装，但是测功机对于精度的要求还是非常高的
21、。所以一套能微量调节的装置是很有必要的。垂直方向上的调节可以使用螺杆与螺母调节。由于各个发动机的重量不一，因此要挑选最大的，并给予一定的安全系数，本设计中为0.7。表3.1国内常见发动机重量及输出轴半径发动机型号重量（Kg）输出轴半径(mm)丰田8AFE14028三菱4G6312726大众1.8T18025五菱B系列17628如表3.1所示，各个发动机的重量不是很高，根据最大扭矩和安全系数计算最大的压力如式（3.3）所示：( 3.3）其中：P为最大压力Wg为发动机重量R 为最小轴半径Tmax为最大扭矩S为安全系数最后得出P=(180*10+100/0.025)x1.7= 9860 N由上面的需
22、求可以得出调节上下的全螺纹螺柱最小直径设计规格工作载荷 Fc = 10 kN 残余预紧力系数K = 1.6总载荷 F0 = 26.00 kN 相对刚度 = 0.25预紧力 Fp = 23.50 kN 螺栓机械性能等级 = 6.8螺栓屈服强度 s = 480 MPa安全系数 Ss1 = 3螺栓许用应力 = 160.00 MPa材料种类 = 碳钢螺栓公称尺寸 = M20螺栓小径 d1 = 17.294 mm3.4全螺纹螺柱挑选了M30x750 GB/T 9125-2003，如图3.2所示。图3.2 全螺纹螺柱虽然此产品是用于与管法兰标准配套使用的连接件标准，是管法兰系列标准之一。但是其工作环境和受
23、力方式相似，并没有剧烈受力变化循环，并配给了金属垫片，而且通过上节的计算，得知螺杆的公称直径只需M20即可，为保证安全使用M30，可以这此使用。支架的引擎连接螺栓设计与分析：表1中的发动机均使用M10螺栓作为紧固件（共8个），由于连接部分需要承受剪切力（横向），因此其设计时需要考虑其强度，校核如下：受横向力10000/8 N，既1250 N工作载荷 Fc = 1.25 kN 残余预紧力系数K = 1.6总载荷 F0 = 3.25 kN 相对刚度 = 0.25预紧力 Fp = 2.94 kN 螺栓机械性能等级 = 6.8螺栓屈服强度 s = 480 MPa安全系数 Ss1 = 4螺栓许用应力 =
24、 120.00 MPa材料种类 = 合金钢螺栓公称直径 Md = M10螺栓小径d1 = 8.376 mm螺栓计算应力 = 76.92 MPa校核计算结果： 满足为统一支架上的螺栓外径，方便使用，所有支架上支撑用螺栓均为M10。3.5支架零件校核3.5.1剪切力分析校核为加工方便，使用了与支架加工相同的板材10mm热轧钢板，由于零件需要承受横向剪切力如图3.3所示。图3.3 支架零件受剪力图因此需要校核。校核如下：=7104Pa 275Mpa 安全3.5.2纵向压力分析支架零件所受压力如图3.4所示图3.4 支架零件所受压力图校核结果：=7014Pa 275Mpa 安全3.6切应力变形分析金属
25、在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定律），这个比例系数就称为弹性模数或弹性模量。根据应力，应变的性质通常又分为：正弹性模数（E）和剪切弹性模数（G），弹性模数的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模数愈大，刚度也愈大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小。对于支架零件的校核如式（3.4）所示，示意图如图3.5所示。=15671 PaG=7.83 GPa图3.5 切应变示意图（3.4）由此计算出应变为=0.002mm 安全3.7支架的振动分析传统的发动机采用弹性支承降低振动，隔振装置结构简单，成本
26、低，性能可靠。橡胶支承一般安装在车架上，根据受力情况分为压缩型， 剪切型和压缩-剪切复合型等。压缩型结构简单，制造容易，应用广泛，且由于自振频率较高，一般限于垂直方向上使用。剪切型自振频率较低，但强度不高。压缩-剪切复合型综合了前面两种结构的优点可以满足耐 久性和可靠性要求。这是目前国内外最广泛采用的。为了使隔振橡胶支承系统具有较好的减振性能参数求一具方向的弹簧常数不变，其他方向刚度加强的情况下，可采取在橡胶中间加入钢板来改变缩剪切的弹簧常数。这样也可使旬形尺寸减小。本设计中也使用顺丁橡胶垫来隔绝振动的发动机，顺丁橡胶的性能如下：a) 强度: C级b) 耐磨: AB级c) 防振: A级由于橡胶
27、垫安装后除压力和振动外无需承受其他力，因此强度无需考虑。而且采用了HT200制造的地板来减少振动。3.8联轴器的设计与分析根据最大的扭矩和安全系数，如下式3.5计算：（3.5）其中：为许用扭矩为最大扭矩S为安全系数，此取0.2得出联轴器可选择型号:GY4,GYS4,GYH4 (GB/T 5843-2003),如图3.6所示图3.6 GY4,GYS4,GYH4型联轴器技术参数如下：公称转矩Tn/(Nm): 224许用转速n/(r/min): 9000轴孔直径d1、d2: 25mm3.9测功机支架选择与分析测功机根据设计要求选择，最后通过对比选择了海安航成机电制造有限公司的ZJ-20型，最高转速4
28、000RPM，最大扭矩200Nm。如图3.7所示图3.7.测功机外形示意图测功机的详细精度参数如下：a) 静标精度:在标定传感器系数的相同环境温度下（不相同时按温度系数修正），静标定误差应不超过0.2%。b) 在额定转速范围内，套筒固定在任意位置时，不同转速下扭矩测量读数变化应不大于0.2%。c) 传感器转轴转动,中间套筒在不同位置时,读数误差应不超过0.2%;或者中间套筒转动（启动驱动电机），轴在不同位置时，读数误差应不超过0.2%。d) 测量精度:传感器与TR-1配合,其测量误差不超过0.5%。e) 允许测量的最大扭矩：120%额定值。f) 输出电压信号幅度：不小于0.7V有效值。g) 工
29、作时间：可连续运行。可见是满足设计要求的，因此无需再进行选型。由于此公司提供了减震片及附件，所以不需要进行测功机附件的设计，仅需要设计其支架。根据测功机规格，推算出支架规格：长宽厚=370mm210mm300mm。由此，测功机构成了一个简单的测试系统，如图3.8所示图3.8 测试系统示意图3.10 本章小结本章论述了如何确定发动机与起动机性能匹配测试系统结构中零件的参数及进行校对。4 测试系统的安装与使用安装大致方向是使用吊车将发动机输出轴与测功机对齐，使用微调系统将两者用联轴器连接。示例安装视图如图4.1所示，图4.1 最后安装完毕后示意图由于支架和测功机在XY平面上有2个自由度，因此引擎的
30、位置并不固定，所以可以视用户的需求调整两者之一达到调整目的。安装完整顺序：a) 首先将4个地板用螺栓放入槽内，测功机底盘对正螺栓，并放置于地板上，使其中心能对正地板的槽线，并使用地板螺栓将其固定于地板上。如图4.2所示。图4.2 测功机底盘安装示意b) 测功机的安装参照测功机生产厂商的说明。c) 放入4个地板用螺栓以便安装引擎支架，将引擎支架按附中的装配图2安装完毕后将其底部的四个槽对其地板上的螺栓；至少需要如此安装四个引擎支架。d) 分别为引擎输出轴和测功机输入轴装上联轴器，但不连接。e) 将引擎输出轴吊装至与测功机水平，同时将引擎支架移动至固定位置将引擎固定，连接联轴器后即可使用。支架后盖
31、是作为调整单元的支撑部分，必须安装，同时，后盖还可以提供一定的保护作用。为了减少振动对测试系统的影响，其他需要连接的部分应使用非刚性连接。为使系统处于最佳的状态，应尽量减少拆装。5 总结本文完成了“发动机与起动机性能匹配测试系统结构设计”的构建，针对汽车发动机结构紧凑、扭矩不高等特点，设计了与其配套的测试机构，由于大量使用标准件及冲压钢材，使得此测试机构的可以方便扩展、价格廉价、实用性强。在设计过程中得到了导师的大力支持，在此表示感谢。参考文献1 柯常忠，黄晓波.汽车发动机与起动机性能匹配的计算机测试系统J. 汽车科技，2004（5）2 伍东升.小型高速汽油机燃烧测试平台的研究和应用D.重庆大
32、学硕士 学位论文，2007.43马凡华，许忠厚内燃机的光学测试方法川车用发动机，1999，6(124)4林洪桦动态测试数据处理M北京理工大学出版社，19955严兆大等热能与动力机械测试技术M机械工业出版社，19996梁德沛机械参量动态测试技术M重庆大学出版社，19877吴光夏内燃机测试技术的现状与发展叨车用发动机，1994(6)8马元骥，施润昌内燃机测试技术M浙江大学出版社，19869Michael Mladek，Lino GuzzellaA Model for the Estimation of Inducted Air Mass and the Residual Gas Fraction
33、Using Cylinder Pressure MeasmementsModeling of SI Engines(Part c&D)，SAE 2000 World Congress，March 2000，Detroit,MI,USA10P3Bryanston-CrossHigh,KSChana,TV JonesBandwidth Heat Transfer and Opfical Mcasurncnts in An Instrumented Spark Ignition Internal Combustion EngineCombustionFlow Diagnostics(Part A&B
34、)，SAE 2002 World CongressExhibition,March 2002，Detroit,MLUSA11Ferraro CV,et a1Knock-limit Measurement in Hight Speed SIEngineSAE paper 850127，198512吴光夏内燃机测试技术的现状与发展M车用发动机，1994(6)13范萌等发动机测试分析系统的研究与开发明M内燃机工程，1993，14(4)14王吉华内燃机数据采集和分析系统研究川M内燃机学报，1999，17(4)，p39139615小野测试株式会杜CB-466多通道发动机分析仪使用说明书M198516吴波
35、，刘建伟内燃机示功图测量与分析技术的发展阴山东内燃机，2000，(1)l7吴光夏内燃机测试设备发展的崭新阶段们M车用发动机，1999，(1)18 胡军军，阎小俊，周龙宝，曾科，潘克煜内燃机燃烧分析仪的开发与应用J西安交通大学学报，2001，35(3)19 熊仕涛，张骛发动机燃烧分析系统的国产化研制叨J内燃机2000，(6)20 史绍熙内燃机燃烧研究的现状和动向J西安交通大学学报，1994，28(5) 译文柴油机引擎发展和耐久性先进的柴油发动机和后处理技术的发展，第2级排放。Rakesh Aneja 底特律柴油机公司Brian Bolton 底特律柴油机公司Adedejo Bukky Oladi
36、po 底特律柴油机公司Zornitza Pavlova MacKinnon， 底特律柴油机公司Amr Radwan 底特律柴油机公司【摘要】先进的柴油发动机和后处理技术已经开发出来，用于多种发动机和车辆平台。第2代（ 2007年及以后）的排放水平已证明了轻型货车车辆超过75个试验周期对车辆底盘式功率机。柴油发动机在得到了这些低尾气排放水平的，同时又保留了燃油经济性的优势特点。通过将原型后处理系统与先进的燃烧方式（洁净燃烧）结合，性能和排放取得了不少成果。洁净燃烧在综合处理之后控制部分种类废气，同时达到氮氧化物和PM降低的目的。启用引擎的分析工具能够使子系统发展和系统整合。实验技术的开发方法，利
37、用各种设施，以简化开发的最终解决方案，包括利用稳态和暂态机的测试床，模拟底盘机的测试周期。【关键词】：柴油发动机，第2级，可控硅，后处理，排放，燃烧【导言】在20世纪90年代后期，燃料的使用规划已对未来的运输要求作好准备。展望未来，从2000至2020年汽车能源的使用是相对稳定的，而第三至第八类卡车（重型机器类型车辆）却被认为在这20年时间里将有微弱的增长。然而，一个显着的上升主要出现在第1类至第2类车（皮卡，面包车和多功能车）。在某些情况下，这些都是用在商业上，但是增加的主要的来源被视为是客车市场用于个人的运输的日益增长的一部分。汽车使用的增加后来将主要增加能源的使用，从而带动每天数百万桶的
38、原油消费，从20世纪90年代后期的大约800万桶增加至2020年的12.5-13万桶 1,2 。有人预测，到那时，汽车的柴油机使用率，开始主要是第一类及第二类轻型卡车的柴油机使用率在美国的交通能源的使用中将有显著的减少。 不过，很多人质疑柴油发动机实行次级排放的能力是否会影响其可行性。而那些认为可以扫除排放的障碍的人又质疑所有的氮氧化物减排技术应用和燃油效率降低之后，燃料经济的改进将是怎样。为应对这个问题，一系列的同能源部的合作项目已经开展，包括三角洲计划以及后来的底特律柴油公司的“领导者”计划。这些计划的目的是研究达到次级排放标准的技术可行性以及对燃料经济性可能产生的影响。底特律柴油公司所采
39、用的方案是一套综合分析和应用的方案，该方案利用这个项目早期阶段的模拟来发展发动机设计和策略发展需要的观念。图1 ： 柴油的汽车的使用，使美国运输能源使用显着减少。方法及结果控制系统与引擎控制系统用适中有效的方法综合在一起，这种方法使得在保持柴油机对汽油机固有的经济优势的同时，发动机的总体排放特性也有明显的提升。最初，广泛的仿真指引着人们去设计一个清洁的单缸引擎。这个模型，以实际设计和生产的发动机以及做好稳定状态模态的发展得到了验证。这方面的努力使该模型变得适用并且使得在稳定模式下的工作有质量保证。一旦这种实验得到校准和完善，引擎工况水平稳定，它将被用于预测瞬时的引擎工作性能，又仍处在稳定状态类
40、型中。与分析的工具结合在高度被控制的一种稳定的状态测试，然后再在一个稳定状态中测试运行。这就回答了如何在空气系统，EGR系统和提高发动机性能的燃烧系统间找到平衡的问题。 伴随稳定状态的发展，这些工作和理论被暂态发动机测功计验证，这个测功机位于发动机能够进行暂态发动机类型工作的位置。同时，车辆综合在预报和车辆喷射类型的的推动的周期，诸如联邦城市的驱车周期，FTP-75，US06，而公路燃料经济测试方式被编入瞬时的引擎测力计。这些可以在一个非常控制设置下运行，从而允许为控制系统和校准得到改进。 伴随着马力测力计系统的发展，发动机被用来带动一系列商用轻型卡车：道奇杜兰戈，道奇Dakota ，也是世界
41、第1类戴姆勒克莱斯勒霓虹客车车辆，并且部分验证控制系统发展校准已制定。这种车辆综合后，再往回到仿真领域中发展高保真控制系统和校准发展。这是一条线索，通过一个迭代网络的发动机和后处理的发展。至于第二，第三和第四次迭代，通过这样的循环，后处理日益一体化。图2 ：达科他轻型卡车平台如图2所示，该平台也可用于该计划中，为第2级示范的是戴姆勒克莱斯勒道奇Dakota轻型卡车平台。搭载的是一台加强4升V6发动机 3,4 。这种发动机采用可变几何涡轮充电时，共轨燃油喷射，独特的高压力回路，冷却EGR系统，创造了235马力， 4000 rpm优越性能表现，并在2002年展示，并参加了2002年在圣迭戈的乘坐和
42、驾驶展示。在项目早期，一个综合性的减排路线被开发为轻型卡车和SUV的平台，如图3所示。它是基于与FTP - 75废气排放性，并它在两个领域得以体现。第一个领域是利用清洁燃烧的引擎控制策略和进步来确认发动机的排放。这个项目专利性和先进性的燃烧技术在显着减少发动机排放的同时，对燃油经济性没有重大的影响，事实上，对瞬态燃油经济性没有任何切实的影响。图3 ：轻型卡车/越野车平台综合排放削减路线 一旦这个发动机外排放是既定的，那么第二个目标就确定了：排气管排放通过后处理显示这个先进发动机控制策略的综合性。发动机外排放的目标是在第2级10个等级，然后逐年下降非常接近第2级的9级水平，这是有针对性的，其最终
43、目标是达到2级的5级的最终的目标。 在2002DEER会议，初步的结果被显示发动机在第2级的10水平且没有后处理5的外排放 。这有重要意义，因为它在取得了非常低的发动机排放的同时保持了非常高的燃油经济性，比以汽油机作动力的车高出50%。加入催化的烟尘过滤器，尿素为基础的可控硅技术和相关的管制措施，氮氧化物和粉尘减少，并且在FTP-75无任何氨滑移的情况下实现第2级6水平的排放。同汽油机相比，这种排放效益要高45%。自2002年DEER会议以来，发动机外排放有了很大的提高，如图4所示。非常接近第2级9水平的排放，在没有活跃的氮氧化物后处理情况下实现。氮氧化物的 0.3克每英里很低的微粒。这超过了
44、在初期阶段的计划路线确立的目标。通过把以尿素为基础的SCR技术添加到发动机中，FTP-75实现了第2类第3级排放 ，同时与汽油机相比，燃油效益高出40%。再次，这些排放水平是在FPT-5周期无任何氨滑移的情况下取得的。此外， US06水平也是第2级排放水平在利用催化的烟尘过滤器和以尿素为基础的SCR技术的情况下取得的。图4 ： NOx还原经燃烧和后处理发展轻型卡车/越野车平台用以显示这项先进技术的好处的一种方法是将氮氧化物减少原因的归类，可分为由于燃烧或者发动机不同，以及通过比较FTP-75汽车的外氮氧化物排放量和FTP-75发动机的外排放量对后处理综合性能的影响。在FTP-75放入循环中，后
45、处理效率通常在80%-95%。对于低温的FTP-75循环来说，这些是相当高水平的氮氧化物减少量。这个项目显示，去年，通过进一步利用清洁燃烧技术，提升检查和控制策略，发动机氮氧化物外排量有了显著的降低。发动机氮氧化物外排量减少了一半以上。而且，FTP-75循环氮氧化物排放减少技术有意义的提高表现在从去年的85%上升到今年的90%。这是通过充分开发控制系统和先进的复合模式燃烧的潜能实现的。这些充分表现了先进的发动机和后处理综合技术，这些是这些技术和项目内在的要求，尤其当你考虑从模拟反复开始，经过稳态，瞬态发动机，最终到达汽车使用阶段。我们经历的那种循环越多，我们就越能通过发动机设计，发动机控制和先
46、进的潜能将后处理与发动机结合。图5 ： NOx还原经燃烧和后处理的发展轻型卡车/越野车平台而实现第二级，尤其当破坏传统的NOx折衷方案曲线时，找出这种氮氧化物权衡曲线仍然停留在上述每个单独的转折点显得很重要。氮氧化物/燃油经济性权衡曲线仍然以同样的方式存在。我们可以在曲线上标出氮氧化物从7级到3级的变化情况，以显示出：当氮氧化物减少时FTP-75的燃油经济性也减少到同样的水平。内在的燃油经济复苏潜力的确认是很重要的。在发展思路的每一步，燃油经济性下降的原因都被确认，并且记录在下面的循环中。因此，对于2002年第2级6级水平，FTP - 75 的燃油经济性为：轻型卡车每加仑行驶20英里。在2003年，虽然我们有燃油经济性和氮氧化物的综合，但我们现在可以在没加仑同样里程数的情况下达到第2类第5级的水平。这表明在同样的燃油经济性条件下，
