畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 目 錄 摘 要 .1 ABSTRACT.2 1 緒論 .3 1.1 選題的意義 .3 1.2 發(fā)動機(jī)的簡述與結(jié)構(gòu) .4 1.3 測功機(jī)-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 .5 1.3.1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器簡介 .5 1.3.2 電渦流測功機(jī)工作原理 .7 1.4 動力性指標(biāo) .8 1.4.1 扭矩 .8 1.4.2 轉(zhuǎn)速 .8 1.4.3 功率 .8 1.5 機(jī)械振動的來源 .9 1.6 國內(nèi)常用機(jī)型比較 .10 1.7 發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)未來發(fā)展方向 .10 1.8 本章小結(jié) .10 2 測試系統(tǒng)設(shè)計整體方案選擇 .11 2.1 測試方法

2、 .11 2.2 總體方案設(shè)計 .12 2.2.1 設(shè)計任務(wù) .12 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 2.2.2 設(shè)計的整體方案 .12 2.3 本章小結(jié) .13 3. 測試系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選擇和分析 .14 3.1 設(shè)計參數(shù)的選擇與分析 .14 3.2 地板螺栓的選擇 .14 3.3 支架的微調(diào)裝置 .16 3.4 全螺紋螺柱 .17 3.5 支架零件校核 .19 3.5.1 剪切力分析校核 .19 3.5.2 縱向壓力分析 .19 3.6 切應(yīng)力變形分析 .20 3.7 支架的振動分析 .21 3.8 聯(lián)軸器的設(shè)計與分析 .22 3.9 測功機(jī)支架

3、選擇與分析 .23 3.10 本章小結(jié) .24 4 測試系統(tǒng)的安裝與使用 .25 5 總結(jié) .27 參考文獻(xiàn) .28 譯 文 .30 原文說明 .37 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 摘 要 隨著近年來家用車輛的激增，對發(fā)動機(jī)測試設(shè)備的需求量越來越 大，要求越來越高，使國產(chǎn)發(fā)動機(jī)測試設(shè)備企業(yè)也得到了較快的發(fā) 展。但與國外先進(jìn)水平比，設(shè)備的性能、精度和質(zhì)量水平還較低， 成套設(shè)備配套使用的可靠性較差，難以商品化，無法滿足汽車發(fā)動 機(jī)行業(yè)發(fā)展的需要，因此研發(fā)一套成熟的系統(tǒng)是十分必要的。動力 性指標(biāo)是表征發(fā)動機(jī)做功能力大小的指標(biāo)，一般用發(fā)動機(jī)的有效轉(zhuǎn) 矩、

4、有效功率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等作為評價指標(biāo)。而主要的指標(biāo)就是轉(zhuǎn) 速和扭矩。 本課題是關(guān)于發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計， 此系統(tǒng)有良好的擴(kuò)展性，不僅可以測試各種汽車的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)亦可 測試柴油發(fā)動機(jī)，經(jīng)過簡單擴(kuò)展即可測試其他動力性能參數(shù)。而且 此系統(tǒng)還可以快速組裝、測試，無需尋找指定的測試系統(tǒng)，有廣泛 的用途。由于使用了大量的標(biāo)準(zhǔn)件，關(guān)鍵零件大部分也由板材加工 而成，使得成本大為減少。 關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)， 起動機(jī)， 性能測試系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計， 轉(zhuǎn)速， 扭矩 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 The Design Of Internal Combusti

5、on Engine Test System Abstract With the surge in vehicles, the test of enginee is great needed with its level of standards growing, as a result, the test equipment manufacturer in country developed obviously. With international test equipment manufactuing , our nationals quality is not comparable as

6、 productions stabilization hasnt reach the commercial standard turns out to not an optional of industry. To be a alteration, matured both in stabilization and commercial is essential. The index of combustion engine is Round Per Minute(RPM) and torrance. This article is about the design of combust en

7、gine test system. From the supporting system, the joining system, according to the actual requirements to calculate the final draw to meet the test requirements of engine. As the most of parts are standardlization, further more, the un- standardlization parts are made by plant steel or iron, the pri

8、ce of this test equipment been reduced obviously. The extendable of this system is outstanding, after alter four parts only and quick adjustment it became another kind of test system. Key words: combust engine test system，RPM，torque 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 蒙卓 01110

9、7207 1 緒論 1.1 選題的意義 2007 年中國汽車銷售 879.16 萬輛，2010 年汽車銷售規(guī)模達(dá)到 1800 萬輛。汽車起動機(jī)市場也隨之蘊(yùn)含著巨大商機(jī)。目前，我國汽 車起動機(jī)和發(fā)動機(jī)及其主要零部件產(chǎn)品的制造企業(yè)在 600 家以上， 其中具有整機(jī)生產(chǎn)能力的約 300 家。隨著競爭的加劇，業(yè)內(nèi)市場分 割日趨明朗，國產(chǎn)汽車起動機(jī)和發(fā)動機(jī)的國內(nèi)配套市場覆蓋率達(dá)到 99%以上，包括國產(chǎn)乘用車、微型車、輕型車、客車、載貨汽車、 各類工程及農(nóng)用機(jī)械、船舶等。其中外商獨(dú)資以及外資企業(yè)合資企 業(yè)，市場擴(kuò)張迅速，逐漸成為我國乘用車、商用車行業(yè)配套機(jī)器的 主力供應(yīng)商。相對固定的市場競爭格局使行業(yè)原有

10、生產(chǎn)能力得到基 本釋放，可以預(yù)測，行業(yè)內(nèi)新一輪大規(guī)模的投資即將興起。2000 年2006 年，汽車發(fā)動機(jī)行業(yè)的產(chǎn)銷率均在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值 96%以上。 隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)量的快速增加和技術(shù)的進(jìn)步，對發(fā)動機(jī)測試設(shè)備的 需求量越來越大，要求越來越高，使國產(chǎn)發(fā)動機(jī)測試設(shè)備企業(yè)也得 到了較快的發(fā)展。通過技術(shù)引進(jìn)和自主開發(fā)，江蘇啟測測功器有限 公司、河南洛陽南峰機(jī)械廠、70 研究所、杭州奕科機(jī)電技術(shù)有限公 司、杭州中成測試設(shè)備有限公司、江蘇南通常通測試設(shè)備有限公司 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 等企業(yè)的技術(shù)水平和生產(chǎn)能力都有了較大的提高，不但能生產(chǎn)性能 水平較高的測

11、功器，也能生產(chǎn)成套的發(fā)動機(jī)常規(guī)測試設(shè)備及部分專 用測試設(shè)備。但與國外先進(jìn)水平比，設(shè)備的性能、精度和質(zhì)量水平 還較低，成套設(shè)備配套使用的可靠性較差，協(xié)調(diào)各硬件工作的控制 軟件的技術(shù)水平還需提高；由科研機(jī)構(gòu)研制的專項測試儀器難以商 品化，無法滿足汽車發(fā)動機(jī)行業(yè)發(fā)展的需要，目前各國內(nèi)汽車發(fā)動 機(jī)廠用于產(chǎn)品研發(fā)的測試設(shè)備基本都采用進(jìn)口的，排放標(biāo)準(zhǔn)所需的 測試設(shè)備也都依賴進(jìn)口。因此研發(fā)一套成熟的系統(tǒng)是十分必要的。 測試臺的優(yōu)點(diǎn)：不需要整車，所以可以在汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)早期 對汽車動力系統(tǒng)除了發(fā)動機(jī)以外的部分進(jìn)行模擬，從而研究內(nèi)燃機(jī) 的動態(tài)性能，便于新型發(fā)動機(jī)的開發(fā)，為汽車動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化 匹配提供了一

12、種很方便的試驗手段，試驗重復(fù)性好，可以使用多種 測量方法，而且可以使用道路試驗和轉(zhuǎn)鼓試驗不適用的精度更高的、 采樣頻率更快的測試設(shè)備，使測試技術(shù)水平得到明顯提高。汽車 發(fā)動機(jī)性能試驗方法（GB/T 18297-2001）規(guī)定了汽車用發(fā)動機(jī)性 能臺架試驗方法，包括各種負(fù)荷下的動力性及經(jīng)濟(jì)性試驗方法，無 負(fù)荷下的起動、怠速、機(jī)械損失功率試驗方法以及有關(guān)氣缸密封性 的活塞漏氣量及機(jī)油消耗量試驗方法。 1.2 發(fā)動機(jī)的簡述與結(jié)構(gòu) 發(fā)動機(jī)（Engine），又稱為引擎，是一種能夠把一種形式的能 轉(zhuǎn)化為另一種更有用的能的機(jī)器，通常是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能

13、匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 （把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)器能的稱謂電動機(jī)）有時它既適用于動力發(fā)生裝 置，也可指包括動力裝置的整個機(jī)器，比如汽油發(fā)動機(jī),航空發(fā)動機(jī)。 發(fā)動機(jī)最早誕生在英國，所以，發(fā)動機(jī)的概念也源于英語，它的本 義是指那種“產(chǎn)生動力的機(jī)械裝置 ”。 內(nèi)燃機(jī)，這一類型的發(fā)動機(jī)與 外燃機(jī)的最大不同在于它的燃料在其內(nèi)部燃燒。內(nèi)燃機(jī)的種類十分 繁多，我們常見的汽油機(jī)、柴油機(jī)是典型的內(nèi)燃機(jī)。我們不常見的 火箭發(fā)動機(jī)和飛機(jī)上裝配的噴氣式發(fā)動機(jī)也屬于內(nèi)燃機(jī)。不過，由 于動力輸出方式不同，前兩者和后兩者又存在著巨大的差異。一般 地，在地面上使用的多是前者，在空中使用的多是后者。當(dāng)然有些 汽車制造者出于創(chuàng)造世界汽

14、車車速新紀(jì)錄的目的，也在汽車上裝用 過噴氣式發(fā)動機(jī)，但這總是很特殊的例子，并不存在批量生產(chǎn)的適 用性。發(fā)動機(jī)機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動機(jī)的骨架，是發(fā)動機(jī)各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng) 的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動機(jī)的所有主要零件和附件，承受 各種載荷。因此，機(jī)體必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。機(jī)體組主要由 氣缸體、汽缸套、氣缸蓋、氣缸墊和輸出軸等零件組成。 1.3 測功機(jī)-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器 1.3.1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器簡介 轉(zhuǎn)矩傳感器主要由扭力軸、磁檢測器，轉(zhuǎn)筒及殼體等四部分組 成。磁檢測器包括配對的兩組內(nèi)、外齒輪，永久磁鋼和感應(yīng)線圈。 外齒輪安裝載扭力軸測量段的兩端； 內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)筒內(nèi),和外齒輪相對， 永久磁鋼緊接內(nèi)齒輪安裝在轉(zhuǎn)筒

15、內(nèi)。永久磁鋼，內(nèi)外齒輪構(gòu)成環(huán)狀 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 閉合磁路,感應(yīng)線圈固定在殼體的兩端蓋內(nèi)。在驅(qū)動電機(jī)帶動下， 內(nèi)齒輪隨同轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)。內(nèi)外齒輪是變位齒輪，并不齒合，齒頂六由 工作氣隙，內(nèi)外齒輪的齒頂相對時氣隙最窄，齒頂和齒槽相對時， 氣隙最寬。內(nèi)外齒輪在相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，齒頂與齒槽交 替相對，相 對轉(zhuǎn)動一個齒位時,工作氣隙發(fā)生一個周期的變化,磁路的磁阻和磁通 隨之相應(yīng)作周期變化,因此線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓訊號,訊號 電壓瞬時值 的變化和內(nèi)外齒輪的相對位置的變化是一致的。測功機(jī) 也稱測功器，主要用于測試發(fā)動機(jī)的功率，也可作為齒輪箱、減速

16、 機(jī)、變速箱的加載設(shè)備，用于測試它們的傳遞功率。主要分為水力 測功機(jī)、電渦流測功 機(jī)、電力測功機(jī)。電力測功機(jī)利用電機(jī)測量各 種動力機(jī)械軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，并結(jié)合轉(zhuǎn)速以確定功率的設(shè)備。因為 被測量的動力機(jī)械可能有不同轉(zhuǎn)速，所以用作電力測 功機(jī)的電機(jī)必 須是可以平滑調(diào)速的電機(jī)。目前用得較多的是直流測功機(jī)、交流測 功機(jī)和渦流測功機(jī)。直流測功機(jī)可作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，作為被測 動力機(jī)械的負(fù)載，以測量被測機(jī)械的軸上輸出轉(zhuǎn)矩；也可以作直流 發(fā)電機(jī)運(yùn)行，拖動其他機(jī)械，以測量其軸上輸入轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩與測速 發(fā)電機(jī)測得的轉(zhuǎn)速之積即軸功率。這就是測功機(jī)一名的由來。 交流測功機(jī) 通常由一臺三相交流換向器電動機(jī)和測力計、測速

17、發(fā)電機(jī)組合而成。 它的測功原理與直流測功機(jī)相同。 渦流測功機(jī) 利用渦流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩來測量機(jī)械轉(zhuǎn)矩的裝置。它 由電磁滑差離合器（見電磁調(diào)速異步電動機(jī)）、測力計和測速發(fā)電 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 機(jī)組成。被測動力機(jī)械與電磁滑差離合器的輸入 軸連接，帶動電樞 旋轉(zhuǎn)，磁極則被安裝其上的測力臂掣住,只能在一定范圍內(nèi)擺動一角 度,配合測力計就可以由此擺動角直接讀出電樞與磁極間作用的電磁 轉(zhuǎn)矩。略 去風(fēng)摩損耗等測量誤差時，此電磁轉(zhuǎn)矩就等于被測動力機(jī) 械的輸出轉(zhuǎn)矩。渦流測功機(jī)只能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，不能作為電動機(jī)運(yùn) 行。一般用于測量轉(zhuǎn)速上升而轉(zhuǎn)矩下降， 或轉(zhuǎn)矩變

18、化而轉(zhuǎn)速基本不 變的動力機(jī)械。 1.3.2 電渦流測功機(jī)工作原理 由電渦流測功機(jī)結(jié)構(gòu)圖可知，感應(yīng)子主要由旋轉(zhuǎn)部分和擺動部 分（電樞和勵磁線圈）組成。轉(zhuǎn)子軸上的感應(yīng)子形狀猶如齒輪，與 轉(zhuǎn)子同軸裝有一個直流勵磁線 圈。當(dāng)勵磁線圈組通以直流電流時， 其周圍便有磁場存在，那么圍繞勵磁組就產(chǎn)生一閉合磁通。很明顯， 位于繞組左側(cè)的感應(yīng)子具有一個極性，右側(cè)具有相反的極 性。旋轉(zhuǎn) 時，由于磁密值的周期性變化而產(chǎn)生渦流，此渦流產(chǎn)生的磁場同產(chǎn) 生它的磁場相互作用，從而產(chǎn)生與被試機(jī)反向的制動力矩，使電樞 擺動，通過電樞上的力臂，將制動力傳給測量裝置。轉(zhuǎn)速測量采用 非接觸式磁電轉(zhuǎn)速傳感器和裝于主軸的 60 齒牙盤，將

19、轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換 成電信號輸出。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 1.4 動力性指標(biāo) 動力性指標(biāo)是表征發(fā)動機(jī)做功能力大小的指標(biāo)，一般用發(fā)動機(jī) 的有效轉(zhuǎn)矩、有效功率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等作為評價指標(biāo)。 1.4.1 扭矩 扭矩表示使物體加速轉(zhuǎn)動的能力。一般來講，汽車發(fā)動機(jī)的馬 力大通常扭矩也大。如果用扭矩來表示功率，可以寫成式（1.1）： N=Mw（1.1 ） N 為扭力 M 是扭矩 w 是轉(zhuǎn)動的角速度 也就是說，剛才我們說扭矩大馬力也大的前提是轉(zhuǎn)速相同。如 果在馬力相同的情況下，扭矩與轉(zhuǎn)速就成反比，轉(zhuǎn)速高的發(fā)動機(jī)扭 矩就會比較小。 1.4.2 轉(zhuǎn)速 發(fā)動機(jī)曲軸每

20、分鐘的回轉(zhuǎn)數(shù)稱為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，用 n 表示，單位 為 r/min。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，關(guān)系到單位時間內(nèi)作功次數(shù)的多少或 發(fā)動機(jī)有效功率的大小，即發(fā)動機(jī)的有效功率隨轉(zhuǎn)速的不同而改變。 因此，在說明發(fā)動機(jī)有效功率的大小時，必須同時指明其相應(yīng)的轉(zhuǎn) 速。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 1.4.3 功率 是單位時間內(nèi)做功的大小或能量轉(zhuǎn)換的大小。若令 W 是在 t 時間內(nèi)所做的功，則這段時間內(nèi)的平均功率 Pavg 由式(1.2)給出： ( 1.2) 瞬時功率是指時間 t 趨近于 0 時的平均功率，如式(1.3)所示： ( 1.3) 1.5 機(jī)械振動的來源 機(jī)械振

21、動是指表示機(jī)械設(shè)備在運(yùn)動狀態(tài)下，機(jī)械設(shè)備或結(jié)構(gòu)上 某觀測點(diǎn)的位移量圍繞其均值或相對基準(zhǔn)隨時間不斷變化的過程。 與信號的分類類似，機(jī)械振動根據(jù)振動規(guī)律可以分成兩大類：穩(wěn)態(tài) 振動和隨機(jī)振動。振動的幅值、頻率和相位是振動的三個基本參數(shù)， 稱為振動三要素。只要測定這三個要素，也就決定了整個振動運(yùn)動。 幅值是振動強(qiáng)度的標(biāo)志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的 方法表示。不同的頻率成分反映系統(tǒng)內(nèi)不同的振源。通過頻譜分析 可以確定主要頻率成分及其幅值大小，從而尋找振源，采取相應(yīng)的 措施。振動信號的相位信息十分重要，如利用相位關(guān)系確定共振點(diǎn)、 測量振型、旋轉(zhuǎn)件動平衡、有源振動控制、降噪等。對于復(fù)雜振動 的波

22、形分析，各諧波的相位關(guān)系是不可缺少的。 簡諧振動是最基本的周期運(yùn)動，各種不同的周期運(yùn)動都可以用 無窮個不同頻率的簡諧運(yùn)動的組合來表示。本節(jié)討論最為簡單的單 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 自由度系統(tǒng)在兩種不同激勵下的響應(yīng)(即單自由度系統(tǒng)的受迫振動): 以利于正確理解和掌握機(jī)械振動測試及分析技術(shù)的有關(guān)概念。 在振動測量時，應(yīng)合理選擇測量參數(shù)。如振動位移是研究強(qiáng)度 和變形的重要依據(jù)；振動加速度與作用 力或載荷成正比，是研究動 力強(qiáng)度和疲勞的重要依據(jù)；振動速度決定了噪聲的高低，人對機(jī)械 振動的敏感程度在很大頻率范圍內(nèi)是由振動速度決定的，振動速度 又與

23、能量和功率有關(guān)，并決定了力的動量。 1.6 國內(nèi)常用機(jī)型比較 雖然國內(nèi)的發(fā)動機(jī)型號多種多樣，但是表 1.1 中四種型號共占 據(jù)了國內(nèi)市場的 63%左右，有較大的研究價值。 表 1.1 國內(nèi)大部分發(fā)動機(jī)型號 發(fā)動機(jī)型號 優(yōu)點(diǎn) 適用車型 豐田 8AFE 經(jīng)濟(jì)、可靠、維修 夏利 威姿 夏利 N3 吉利 三菱 4G63 維修方便、成本低 瑞虎 東方之子 哈弗 CEO Jeep2500 大眾 1.8T 動力表現(xiàn)極佳 途安 速騰 帕薩特 A4 A6 寶來 五菱 B 系列 油耗低、功率大 五菱鴻途 1.7 發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)未來發(fā)展方向 發(fā)動機(jī)測試需要測試的項目繁多，如扭矩（力）、轉(zhuǎn)速、壓力、 溫度、流量、流速

24、、噪聲、位置和位移等，涉及的測試技術(shù)、測試 設(shè)備和測試方法也多種多樣。 發(fā)動機(jī)測試分為性能試驗和專項試驗，性能試驗包括動力性、 經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性等，專項試驗是為特定目的進(jìn)行的試驗， 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 如熱沖擊試驗、排放試驗、溫度場試驗、熱平衡試驗等。 1.8 本章小結(jié) 本章論述了選題的意義及發(fā)動機(jī)參數(shù)的意義，對國內(nèi)外此方面 的研究做了研究，并對未來測試系統(tǒng)的研究方向做出展望。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 2 測試系統(tǒng)設(shè)計整體方案選擇 2.1 測試方法 將測功機(jī)與發(fā)動機(jī)進(jìn)行連接

25、后，啟動發(fā)動機(jī)，由測功機(jī)讀出轉(zhuǎn) 速和扭矩等參數(shù)，方便而且直觀地獲得發(fā)動機(jī)起動過程中的轉(zhuǎn)速和 扭矩等重要性能參數(shù)的數(shù)據(jù)。 2.1.1 發(fā)動機(jī)起動性能測試 兩組蓄電池串聯(lián)，在其內(nèi)部溶液溫度達(dá)到箱內(nèi)溫度電壓不低于 24V 時開始起動，起動機(jī)起動后拖動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動如果在 15s 拖動時 間內(nèi)發(fā)動機(jī)著火并自行運(yùn)轉(zhuǎn)，即為起動成功，若超過 15s 未能自行 起動,其間無斷續(xù)著火聲即為起動失敗，若其間有斷續(xù)著火聲并伴隨 著冒黑煙。允許繼續(xù)接通 15s，若能自行運(yùn)轉(zhuǎn)亦為起動成功，然后根 據(jù)特性曲線確定起動成功所需的時間，即起動時間。 起動成功后，緊接著做發(fā)動機(jī)的拖動試驗，此時不給發(fā)動機(jī)供 油，讓起動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)

26、動，測出發(fā)動機(jī)的成功起動轉(zhuǎn)速，即起 動轉(zhuǎn)速。根據(jù)起動時間和起動轉(zhuǎn)速，可判斷出與發(fā)動機(jī)匹配性能最 好的起動機(jī)。 2.1.2 發(fā)動機(jī)動態(tài)阻力矩測試 使用整流電源給起動機(jī)供電，讓起動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動 10s 獲 取發(fā)動機(jī)的動態(tài)阻力矩。 2.1.3 發(fā)動機(jī)靜態(tài)阻力矩測試 人工輕微轉(zhuǎn)動發(fā)動機(jī)飛輪 10 次，每次間的角度相差 30取每 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 次的最大阻力矩。 2.1.4 怠速試驗 將發(fā)動機(jī)油門松開，在低速空轉(zhuǎn)的狀態(tài)下運(yùn)行 5min 后進(jìn)行測量,每 隔 20s 測一次 ,共測 10 次,最后計算平均轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速變化率,以評定怠 速功耗及

27、其穩(wěn)定性。 2.2 總體方案設(shè)計 2.2.1 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計任務(wù)如下: 發(fā)動機(jī)測試系統(tǒng)試驗臺能夠放置不同型號的發(fā)動機(jī)，可以在水 平面的兩個方向和豎直方向調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)位置，使它能與其它部分配 合，以便準(zhǔn)確地測試。 a) 轉(zhuǎn)速： 03000RPM b) 精度：優(yōu)于 0.1 誤差小于 5 轉(zhuǎn)/分 c) 扭矩：0100 N.m 誤差：1.5 2.2.2 設(shè)計的整體方案 總體布置設(shè)計如下： a) 基礎(chǔ)應(yīng)該有足夠的重量，測功器不應(yīng)與發(fā)動機(jī)支架同裝于一 塊底板上；采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)底板設(shè)計，可以減少振動和 成本。 b) 臺架基礎(chǔ)置于開放環(huán)境中，可進(jìn)行微調(diào)，方便操作。 c) 可以測試多種引擎，只需調(diào)節(jié)最少量得零

28、件。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 d) 由于測試的功率不大，所以對于內(nèi)燃機(jī)各缸周期性的慣性力 和力矩引起的受迫振動采用橡膠墊減震。 e) 盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件并減少零件數(shù)。 總裝圖如圖 2.1 所示 圖 2.1 總裝示意圖 2.3 本章小結(jié) 本章論述了如何確定總體方案并擬定了設(shè)計思路，為接下來的 設(shè)計提供了方向。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 3. 測試系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)選擇和分析 3.1 設(shè)計參數(shù)的選擇與分析 測試平臺的設(shè)計參數(shù)是由被測發(fā)動機(jī)決定的，如表中所示的發(fā) 動機(jī)尺寸。 表 2.1 國內(nèi)常見發(fā)動機(jī)

29、尺寸 發(fā)動機(jī)型號 尺寸規(guī)格 長寬高（單位 mm） 豐田 8AFE 690588750 三菱 4G63 670560670 大眾 1.8T 650520600 五菱 B 系列 700570750 底板根據(jù)發(fā)動機(jī)大小、測功機(jī)規(guī)格推算出大致的底板長度和寬 度如式(3.1)與式(3.2) 所示： （3.1）20ml3.5Bl (3.2)w. B(l/w)：地板長/寬 M(l/w)最大的發(fā)動機(jī)長/寬 所以單塊平臺尺寸：長寬厚=3000mm1446mm100mm 由于不需要承擔(dān)橫向力與剪切力，因此挑選了較小的 M12 T 型 槽螺母與 650 標(biāo)準(zhǔn)的 T 型槽作為支架與地板的聯(lián)接件。 3.2 地板螺栓的選

30、擇 地板與引擎支架之間的鏈接如圖 3.1 所示 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 圖 3.1 地板與引擎支架間的鏈接孔 根據(jù) CFM ITBONA 公司提供的標(biāo)準(zhǔn)，直徑 M12 的孔深 H 應(yīng) 為 24mm，孔寬 b 應(yīng)為 23.2mm。加上支架底高 15mm 和螺母 12mm，所以應(yīng)選用由此才能對應(yīng) T 槽專用的螺栓 GB/T 37-1988 M1250。 地板使用 M48 地腳螺栓安裝固緊、M36 調(diào)整螺釘調(diào)平，其間距 設(shè)置為橫向 1000mm、縱向 500mm；設(shè)有吊裝孔及接地螺孔（不小 于 M12）（根據(jù)行業(yè)規(guī)則，以上參數(shù)無需在工程圖中畫出

31、，由地板 生產(chǎn)廠商設(shè)計）。 臺架支架其高度由最大可測試的柴油發(fā)動機(jī)大小計算，單支架 尺寸：長寬厚=226mm224mm 750mm。使用 HT200 鑄造臺 架支架，減震效果很好，但是成本高；因此需要使用減震性能較好 但價格便宜的材料進(jìn)行制造。10mm 熱軋鋼板（牌號: 08F）價格較 便宜，易于加工，因此成了較好的選擇。 08F 的材料性能如下： 拉延級別|Z|抗拉強(qiáng)度:275365MPa 拉延級別|S 和 P|抗拉強(qiáng)度 :275380Mpa 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 3.3 支架的微調(diào)裝置 因為整套裝置的安裝是需要吊車的，因此是不太容易

32、使用吊車 進(jìn)行精確的安裝，但是測功機(jī)對于精度的要求還是非常高的。所以 一套能微量調(diào)節(jié)的裝置是很有必要的。垂直方向上的調(diào)節(jié)可以使用 螺桿與螺母調(diào)節(jié)。由于各個發(fā)動機(jī)的重量不一，因此要挑選最大的， 并給予一定的安全系數(shù)，本設(shè)計中為 0.7。 表 3.1 國內(nèi)常見發(fā)動機(jī)重量及輸出軸半徑 發(fā)動機(jī)型號 重量（Kg） 輸出軸半徑(mm) 豐田 8AFE 140 28 三菱 4G63 127 26 大眾 1.8T 180 25 五菱 B 系列 176 28 如表 3.1 所示，各個發(fā)動機(jī)的重量不是很高，根據(jù)最大扭矩和 安全系數(shù)計算最大的壓力如式（3.3）所示： ( 3.3）SRTWg)(Pmax 其中： P

33、為最大壓力 Wg 為發(fā)動機(jī)重量 R 為最小軸半徑 Tmax 為最大扭矩 S 為安全系數(shù) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 最后得出 P=(180*10+100/0.025)x1.7= 9860 N 由上面的需求可以得出調(diào)節(jié)上下的全螺紋螺柱最小直徑設(shè)計規(guī) 格 工作載荷 Fc = 10 kN 殘余預(yù)緊力系數(shù)K = 1.6 總載荷 F0 = 26.00 kN 相對剛度 = 0.25 預(yù)緊力 Fp = 23.50 kN 螺栓機(jī)械性能等級 = 6.8 螺栓屈服強(qiáng)度 s = 480 MPa 安全系數(shù) Ss1 = 3 螺栓許用應(yīng)力 = 160.00 MPa 材料

34、種類 = 碳鋼 螺栓公稱尺寸 = M20 螺栓小徑 d1 = 17.294 mm 3.4 全螺紋螺柱 挑選了 M30 x750 GB/T 9125-2003，如圖 3.2 所示。 圖 3.2 全螺紋螺柱 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 雖然此產(chǎn)品是用于與管法蘭標(biāo)準(zhǔn)配套使用的連接件標(biāo)準(zhǔn)，是管 法蘭系列標(biāo)準(zhǔn)之一。但是其工作環(huán)境和受力方式相似，并沒有劇烈 受力變化循環(huán)，并配給了金屬墊片，而且通過上節(jié)的計算，得知螺 桿的公稱直徑只需 M20 即可，為保證安全使用 M30，可以這此使用。 支架的引擎連接螺栓設(shè)計與分析： 表 1 中的發(fā)動機(jī)均使用 M10 螺

35、栓作為緊固件（共 8 個），由于 連接部分需要承受剪切力（橫向），因此其設(shè)計時需要考慮其強(qiáng)度， 校核如下：受橫向力 10000/8 N，既 1250 N 工作載荷 Fc = 1.25 kN 殘余預(yù)緊力系數(shù)K = 1.6 總載荷 F0 = 3.25 kN 相對剛度 = 0.25 預(yù)緊力 Fp = 2.94 kN 螺栓機(jī)械性能等級 = 6.8 螺栓屈服強(qiáng)度 s = 480 MPa 安全系數(shù) Ss1 = 4 螺栓許用應(yīng)力 = 120.00 MPa 材料種類 = 合金鋼 螺栓公稱直徑 Md = M10 螺栓小徑d1 = 8.376 mm 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)

36、結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 螺栓計算應(yīng)力 = 76.92 MPa 校核計算結(jié)果： 滿足 為統(tǒng)一支架上的螺栓外徑，方便使用，所有支架上支撐用螺栓 均為 M10。 3.5 支架零件校核 3.5.1 剪切力分析校核 為加工方便，使用了與支架加工相同的板材10mm 熱軋鋼 板，由于零件需要承受橫向剪切力如圖 3.3 所示。 圖 3.3 支架零件受剪力圖 因此需要校核。校核如下： =7104Pa 275Mpa 安全 3.5.2 縱向壓力分析 支架零件所受壓力如圖 3.4 所示 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 圖 3.4 支架零件所受壓力圖 校核結(jié)果： =7014Pa

37、275Mpa 安全 3.6 切應(yīng)力變形分析 金屬在彈性范圍內(nèi)，外力和變形成比例地增長，即應(yīng)力與應(yīng)變 成正比例關(guān)系時（符合虎克定律），這個比例系數(shù)就稱為彈性模數(shù) 或彈性模量。根據(jù)應(yīng)力，應(yīng)變的性質(zhì)通常又分為：正彈性模數(shù)（E） 和剪切彈性模數(shù)（G），彈性模數(shù)的大小，相當(dāng)于引起物體單位變 形時所需應(yīng)力之大小，所以，它在工程技術(shù)上是衡量材料剛度的指 標(biāo)，彈性模數(shù)愈大，剛度也愈大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生的 彈性變形愈小。對于支架零件的校核如式（3.4）所示，示意圖如圖 3.5 所示。 =15671 Pa G=7.83 GPa 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2

38、2 圖 3.5 切應(yīng)變示意圖 （3.4） 由此計算出應(yīng)變?yōu)?=0.002mm 安全 3.7 支架的振動分析 傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)采用彈性支承降低振動，隔振裝置結(jié)構(gòu)簡單， 成本低，性能可靠。橡膠支承一般安裝在車架上，根據(jù)受力情況分 為壓縮型， 剪切型和壓縮-剪切復(fù)合型等。壓縮型結(jié)構(gòu)簡單，制造 容易，應(yīng)用廣泛，且由于自振頻率較高，一般限于垂直方向上使用。 剪切型自振頻率較低，但強(qiáng)度不高。壓縮- 剪切復(fù)合型綜合了前面兩 種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可以滿足耐 久性和可靠性要求。這是目前國內(nèi)外最廣 泛采用的。為了使隔振橡膠支承系統(tǒng)具有較好的減振性能參數(shù)求一 具方向的彈簧常數(shù)不變，其他方向剛度加強(qiáng)的情況下，可采取在橡 膠中間加

39、入鋼板來改變縮剪切的彈簧常數(shù)。這樣也可使旬形尺寸減 小。 本設(shè)計中也使用順丁橡膠墊來隔絕振動的發(fā)動機(jī)，順丁橡膠 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 23 的性能如下： a) 強(qiáng)度: C 級 b) 耐磨: AB 級 c) 防振: A 級 由于橡膠墊安裝后除壓力和振動外無需承受其他力，因此強(qiáng)度 無需考慮。而且采用了 HT200 制造的地板來減少振動。 3.8 聯(lián)軸器的設(shè)計與分析 根據(jù)最大的扭矩和安全系數(shù)，如下式 3.5 計算： （3.5）)1(STMax 其中： 為許用扭矩 為最大扭矩Max S 為安全系數(shù)，此取 0.2 得出聯(lián)軸器可選擇型號:GY4,GYS4

40、,GYH4 (GB/T 5843-2003),如 圖 3.6 所示 圖 3.6 GY4,GYS4,GYH4 型聯(lián)軸器 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 技術(shù)參數(shù)如下： 公稱轉(zhuǎn)矩 Tn/(Nm): 224 許用轉(zhuǎn)速n/(r/min): 9000 軸孔直徑 d1、d2: 25mm 3.9 測功機(jī)支架選擇與分析 測功機(jī)根據(jù)設(shè)計要求選擇，最后通過對比選擇了海安航成機(jī)電 制造有限公司的 ZJ-20 型，最高轉(zhuǎn)速 4000RPM，最大扭矩 200Nm。 如圖 3.7 所示 圖 3.7.測功機(jī)外形示意圖 測功機(jī)的詳細(xì)精度參數(shù)如下： a) 靜標(biāo)精度:在標(biāo)定傳感器系

41、數(shù)的相同環(huán)境溫度下（不相同時 按溫度系數(shù)修正），靜標(biāo)定誤差應(yīng)不超過0.2%。 b) 在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，套筒固定在任意位置時，不同轉(zhuǎn)速下扭 矩測量讀數(shù)變化應(yīng)不大于0.2% 。 c) 傳感器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,中間套筒在不同位置時,讀數(shù)誤差應(yīng)不超過 0.2%;或者中間套筒轉(zhuǎn)動（啟動驅(qū)動電機(jī)），軸在不同位置 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 25 時，讀數(shù)誤差應(yīng)不超過0.2% 。 d) 測量精度:傳感器與 TR-1 配合,其測量誤差不超過 0.5%。 e) 允許測量的最大扭矩：120%額定值。 f) 輸出電壓信號幅度：不小于 0.7V 有效值。 g) 工作時間：可連續(xù)運(yùn)

42、行。 可見是滿足設(shè)計要求的，因此無需再進(jìn)行選型。 由于此公司提供了減震片及附件，所以不需要進(jìn)行測功機(jī)附件 的設(shè)計，僅需要設(shè)計其支架。根據(jù)測功機(jī)規(guī)格，推算出支架規(guī)格： 長寬厚=370mm210mm 300mm。 由此，測功機(jī)構(gòu)成了一個簡單的測試系統(tǒng)，如圖 3.8 所示 圖 3.8 測試系統(tǒng)示意圖 3.10 本章小結(jié) 本章論述了如何確定發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中 零件的參數(shù)及進(jìn)行校對。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 26 4 測試系統(tǒng)的安裝與使用 安裝大致方向是使用吊車將發(fā)動機(jī)輸出軸與測功機(jī)對齊，使用 微調(diào)系統(tǒng)將兩者用聯(lián)軸器連接。示例安裝視圖如

43、圖 4.1 所示， 圖 4.1 最后安裝完畢后示意圖 由于支架和測功機(jī)在 XY 平面上有 2 個自由度，因此引擎的位 置并不固定，所以可以視用戶的需求調(diào)整兩者之一達(dá)到調(diào)整目的。 安裝完整順序： a) 首先將 4 個地板用螺栓放入槽內(nèi)，測功機(jī)底盤對正螺栓，并 放置于地板上，使其中心能對正地板的槽線，并使用地板螺 栓將其固定于地板上。如圖 4.2 所示。 圖 4.2 測功機(jī)底盤安裝示意 b) 測功機(jī)的安裝參照測功機(jī)生產(chǎn)廠商的說明。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 c) 放入 4 個地板用螺栓以便安裝引擎支架，將引擎支架按附中 的裝配圖 2 安裝完畢后

44、將其底部的四個槽對其地板上的螺栓； 至少需要如此安裝四個引擎支架。 d) 分別為引擎輸出軸和測功機(jī)輸入軸裝上聯(lián)軸器，但不連接。 e) 將引擎輸出軸吊裝至與測功機(jī)水平，同時將引擎支架移動至 固定位置將引擎固定，連接聯(lián)軸器后即可使用。 支架后蓋是作為調(diào)整單元的支撐部分，必須安裝，同時，后蓋 還可以提供一定的保護(hù)作用。為了減少振動對測試系統(tǒng)的影響，其 他需要連接的部分應(yīng)使用非剛性連接。 為使系統(tǒng)處于最佳的狀態(tài)，應(yīng)盡量減少拆裝。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 5 總結(jié) 本文完成了“發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計”的 構(gòu)建，針對汽車發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊

45、、扭矩不高等特點(diǎn)，設(shè)計了與其配 套的測試機(jī)構(gòu)，由于大量使用標(biāo)準(zhǔn)件及沖壓鋼材，使得此測試機(jī)構(gòu) 的可以方便擴(kuò)展、價格廉價、實用性強(qiáng)。在設(shè)計過程中得到了導(dǎo)師 的大力支持，在此表示感謝。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 29 參考文獻(xiàn) 1 柯常忠，黃曉波.汽車發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配的計算機(jī)測試系統(tǒng)J. 汽 車科技，2004（5） 2 伍東升.小型高速汽油機(jī)燃燒測試平臺的研究和應(yīng)用D.重慶大學(xué)碩士 學(xué) 位論文，2007.4 3馬凡華，許忠厚內(nèi)燃機(jī)的光學(xué)測試方法川車用發(fā)動機(jī)，1999，6(124) 4林洪樺動態(tài)測試數(shù)據(jù)處理M北京理工大學(xué)出版社，1995 5嚴(yán)兆大等

46、熱能與動力機(jī)械測試技術(shù)M機(jī)械工業(yè)出版社，1999 6梁德沛機(jī)械參量動態(tài)測試技術(shù)M重慶大學(xué)出版社，1987 7吳光夏內(nèi)燃機(jī)測試技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展叨車用發(fā)動機(jī)，1994(6) 8馬元驥，施潤昌內(nèi)燃機(jī)測試技術(shù)M浙江大學(xué)出版社，1986 9Michael Mladek，Lino GuzzellaA Model for the Estimation of Inducted Air Mass and the Residual Gas Fraction Using Cylinder Pressure MeasmementsModeling of SI Engines(Part c&D)，SAE 2000 Wo

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48、1Knock-limit Measurement in Hight Speed SIEngineSAE paper 850127，1985 12吳光夏內(nèi)燃機(jī)測試技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展M車用發(fā)動機(jī)，1994(6) 13范萌等發(fā)動機(jī)測試分析系統(tǒng)的研究與開發(fā)明M內(nèi)燃機(jī)工程， 1993，14(4) 14王吉華內(nèi)燃機(jī)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)研究川M內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，1999，17(4)， p391396 15小野測試株式會杜CB-466 多通道發(fā)動機(jī)分析儀使用說明書M1985 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 16吳波，劉建偉內(nèi)燃機(jī)示功圖測量與分析技術(shù)的發(fā)展陰山東內(nèi)燃機(jī)， 2

49、000，(1) l7吳光夏內(nèi)燃機(jī)測試設(shè)備發(fā)展的嶄新階段們M車用發(fā)動機(jī)，1999，(1) 18 胡軍軍，閻小俊，周龍寶，曾科，潘克煜內(nèi)燃機(jī)燃燒分析儀的開發(fā)與應(yīng) 用J西安交通大學(xué)學(xué)報，2001，35(3) 19 熊仕濤，張騖發(fā)動機(jī)燃燒分析系統(tǒng)的國產(chǎn)化研制叨J內(nèi)燃 機(jī)2000，(6) 20 史紹熙內(nèi)燃機(jī)燃燒研究的現(xiàn)狀和動向J西安交通大學(xué)學(xué)報， 1994，28(5) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 31 譯 文 柴油機(jī)引擎發(fā)展和耐久性 先進(jìn)的柴油發(fā)動機(jī)和后處理技術(shù)的發(fā)展，第 2 級排放。 Rakesh Aneja 底特律柴油機(jī)公司 Brian Bolton 底

50、特律柴油機(jī)公司 Adedejo Bukky Oladipo 底特律柴油機(jī)公司 Zornitza Pavlova MacKinnon， 底特律柴油機(jī)公司 Amr Radwan 底特律柴油機(jī)公司 【摘要】 先進(jìn)的柴油發(fā)動機(jī)和后處理技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出來，用于多種發(fā)動機(jī)和車輛平 臺。第 2 代（ 2007 年及以后）的排放水平已證明了輕型貨車車輛超過 75 個試 驗周期對車輛底盤式功率機(jī)。柴油發(fā)動機(jī)在得到了這些低尾氣排放水平的，同 時又保留了燃油經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢特點(diǎn)。 通過將原型后處理系統(tǒng)與先進(jìn)的燃燒方式（潔凈燃燒）結(jié)合，性能和排放取得 了不少成果。潔凈燃燒在綜合處理之后控制部分種類廢氣，同時達(dá)到氮氧化物 和

51、 PM 降低的目的。啟用引擎的分析工具能夠使子系統(tǒng)發(fā)展和系統(tǒng)整合。實驗技 術(shù)的開發(fā)方法，利用各種設(shè)施，以簡化開發(fā)的最終解決方案，包括利用穩(wěn)態(tài)和 暫態(tài)機(jī)的測試床，模擬底盤機(jī)的測試周期。 【關(guān)鍵詞】：柴油發(fā)動機(jī)，第 2 級，可控硅，后處理，排放，燃燒 【導(dǎo)言】 在 20 世紀(jì) 90 年代后期，燃料的使用規(guī)劃已對未來的運(yùn)輸要求作好準(zhǔn)備。 展望未來，從 2000 至 2020 年汽車能源的使用是相對穩(wěn)定的，而第三至第八類 卡車（重型機(jī)器類型車輛）卻被認(rèn)為在這 20 年時間里將有微弱的增長。然而， 一個顯著的上升主要出現(xiàn)在第 1 類至第 2 類車（皮卡，面包車和多功能車） 。在 某些情況下，這些都是用在

52、商業(yè)上，但是增加的主要的來源被視為是客車市場 用于個人的運(yùn)輸?shù)娜找嬖鲩L的一部分。汽車使用的增加后來將主要增加能源的 使用，從而帶動每天數(shù)百萬桶的原油消費(fèi)，從 20 世紀(jì) 90 年代后期的大約 800 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 32 萬桶增加至 2020 年的 12.5-13 萬桶 1,2 。 有人預(yù)測，到那時，汽車的柴油機(jī)使用率，開始主要是第一類及第二類輕 型卡車的柴油機(jī)使用率在美國的交通能源的使用中將有顯著的減少。 不過，很 多人質(zhì)疑柴油發(fā)動機(jī)實行次級排放的能力是否會影響其可行性。而那些認(rèn)為可 以掃除排放的障礙的人又質(zhì)疑所有的氮氧化物減排技術(shù)應(yīng)

53、用和燃油效率降低之 后，燃料經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)將是怎樣。 為應(yīng)對這個問題，一系列的同能源部的合作項目已經(jīng)開展，包括三角洲計 劃以及后來的底特律柴油公司的“領(lǐng)導(dǎo)者”計劃。這些計劃的目的是研究達(dá)到 次級排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)可行性以及對燃料經(jīng)濟(jì)性可能產(chǎn)生的影響。底特律柴油公 司所采用的方案是一套綜合分析和應(yīng)用的方案，該方案利用這個項目早期階段 的模擬來發(fā)展發(fā)動機(jī)設(shè)計和策略發(fā)展需要的觀念。 圖 1 ： 柴油的汽車 的使用，使美國運(yùn)輸 能源使用顯著減少。 方法及結(jié)果 控制系統(tǒng)與引 擎控制系統(tǒng)用適中 有效的方法綜合在 一起，這種方法使得在保持柴油機(jī)對汽油機(jī)固有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的同時，發(fā)動機(jī)的 總體排放特性也有明顯的提升。最初

54、，廣泛的仿真指引著人們?nèi)ピO(shè)計一個清潔 的單缸引擎。這個模型，以實際設(shè)計和生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)以及做好穩(wěn)定狀態(tài)模態(tài)的 發(fā)展得到了驗證。這方面的努力使該模型變得適用并且使得在穩(wěn)定模式下的工 作有質(zhì)量保證。一旦這種實驗得到校準(zhǔn)和完善，引擎工況水平穩(wěn)定，它將被用 于預(yù)測瞬時的引擎工作性能，又仍處在穩(wěn)定狀態(tài)類型中。與分析的工具結(jié)合在 高度被控制的一種穩(wěn)定的狀態(tài)測試，然后再在一個穩(wěn)定狀態(tài)中測試運(yùn)行。這就 回答了如何在空氣系統(tǒng)，EGR 系統(tǒng)和提高發(fā)動機(jī)性能的燃燒系統(tǒng)間找到平衡的 問題。 伴隨穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)展，這些工作和理論被暫態(tài)發(fā)動機(jī)測功計驗證，這個測 功機(jī)位于發(fā)動機(jī)能夠進(jìn)行暫態(tài)發(fā)動機(jī)類型工作的位置。同時，車輛綜合在

55、預(yù)報 和車輛噴射類型的的推動的周期，諸如聯(lián)邦城市的驅(qū)車周期，F(xiàn)TP-75，US06， 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 33 而公路燃料經(jīng)濟(jì)測試方式被編入瞬時的引擎測力計。這些可以在一個非?？刂?設(shè)置下運(yùn)行，從而允許為控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)得到改進(jìn)。 伴隨著馬力測力計系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)被用來帶動一系列商用輕型卡車： 道奇杜蘭戈，道奇 Dakota ，也是世界第 1 類戴姆勒克萊斯勒霓虹客車車輛， 并且部分驗證控制系統(tǒng)發(fā)展校準(zhǔn)已制定。這種車輛綜合后，再往回到仿真領(lǐng)域 中發(fā)展高保真控制系統(tǒng)和校準(zhǔn)發(fā)展。這是一條線索，通過一個迭代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動 機(jī)和后處理的發(fā)展。至于第二，

56、第三和第四次迭代，通過這樣的循環(huán)，后處理 日益一體化。 圖 2 ：達(dá)科他輕型 卡車平臺 如圖 2 所示， 該平臺也可用于 該計劃中，為第 2 級示范的是戴 姆勒克萊斯勒道 奇 Dakota 輕型卡車平臺。搭載的是一臺加強(qiáng) 4 升 V6 發(fā)動機(jī) 3,4 。這種發(fā) 動機(jī)采用可變幾何渦輪充電時，共軌燃油噴射，獨(dú)特的高壓力回路，冷卻 EGR 系統(tǒng)，創(chuàng)造了 235 馬力， 4000 rpm 優(yōu)越性能表現(xiàn)，并在 2002 年展示， ，并參 加了 2002 年在圣迭戈的乘坐和駕駛展示。在項目早期，一個綜合性的減排路線 被開發(fā)為輕型卡車和 SUV 的平臺，如圖 3 所示。它是基于與 FTP - 75 廢氣排放

57、 性，并它在兩個領(lǐng)域得以體現(xiàn)。第一個領(lǐng)域是利用清潔燃燒的引擎控制策略和 進(jìn)步來確認(rèn)發(fā)動機(jī)的排放。這個項目專利性和先進(jìn)性的燃燒技術(shù)在顯著減少發(fā) 動機(jī)排放的同時，對燃油經(jīng)濟(jì)性沒有重大的影響，事實上，對瞬態(tài)燃油經(jīng)濟(jì)性 沒有任何切實的影響。 圖 3 ：輕型卡車/ 越野車平臺綜合排 放削減路線 一旦這個發(fā)動機(jī) 外排放是既定的， 那么第二個目標(biāo) 就確定了：排氣 管排放通過后處 理顯示這個先進(jìn)發(fā)動機(jī)控制策略的綜合性。發(fā)動機(jī)外排放的目標(biāo)是在第 2 級 10 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 34 個等級，然后逐年下降非常接近第 2 級的 9 級水平，這是有針對性的，其最

58、終 目標(biāo)是達(dá)到 2 級的 5 級的最終的目標(biāo)。 在 2002DEER 會議，初步的結(jié)果被顯示發(fā)動機(jī)在第 2 級的 10 水平且沒有后 處理5的外排放 。這有重要意義，因為它在取得了非常低的發(fā)動機(jī)排放的同 時保持了非常高的燃油經(jīng)濟(jì)性，比以汽油機(jī)作動力的車高出 50%。加入催化的 煙塵過濾器，尿素為基礎(chǔ)的可控硅技術(shù)和相關(guān)的管制措施，氮氧化物和粉塵減 少，并且在 FTP-75 無任何氨滑移的情況下實現(xiàn)第 2 級 6 水平的排放。同汽油機(jī) 相比，這種排放效益要高 45%。 自 2002 年 DEER 會議以來，發(fā)動機(jī)外排放有了很大的提高，如圖 4 所示。 非常接近第 2 級 9 水平的排放，在沒有活躍

59、的氮氧化物后處理情況下實現(xiàn)。氮 氧化物的 0.3 克每英里很低的微粒。這超過了在初期階段的計劃路線確立的 目標(biāo)。通過把以尿素為基礎(chǔ)的 SCR 技術(shù)添加到發(fā)動機(jī)中，F(xiàn)TP-75 實現(xiàn)了第 2 類 第 3 級排放 ，同時與汽油機(jī)相比，燃油效益高出 40%。再次，這些排放水平是 在 FPT-5 周期無任何氨滑移的情況下取得的。此外， US06 水平也是第 2 級排 放水平在利用催化的煙塵過濾器和以尿素為基礎(chǔ)的 SCR 技術(shù)的情況下取得的。 圖 4 ： NOx 還原經(jīng) 燃燒和后處理發(fā)展輕 型卡車/越野車平臺 用以顯示這項先 進(jìn)技術(shù)的好處的 一種方法是將氮 氧化物減少原因 的歸類，可分為由于燃燒或者發(fā)動

60、機(jī)不同，以及通過比較 FTP-75 汽車的外氮氧 化物排放量和 FTP-75 發(fā)動機(jī)的外排放量對后處理綜合性能的影響。在 FTP-75 放入循環(huán)中，后處理效率通常在 80%-95%。對于低溫的 FTP-75 循環(huán)來說，這些 是相當(dāng)高水平的氮氧化物減少量。這個項目顯示，去年，通過進(jìn)一步利用清潔 燃燒技術(shù)，提升檢查和控制策略，發(fā)動機(jī)氮氧化物外排量有了顯著的降低。發(fā) 動機(jī)氮氧化物外排量減少了一半以上。而且，F(xiàn)TP-75 循環(huán)氮氧化物排放減少技 術(shù)有意義的提高表現(xiàn)在從去年的 85%上升到今年的 90%。這是通過充分開發(fā)控制 系統(tǒng)和先進(jìn)的復(fù)合模式燃燒的潛能實現(xiàn)的。這些充分表現(xiàn)了先進(jìn)的發(fā)動機(jī)和后 處理綜合

61、技術(shù)，這些是這些技術(shù)和項目內(nèi)在的要求，尤其當(dāng)你考慮從模擬反復(fù) 開始，經(jīng)過穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)發(fā)動機(jī)，最終到達(dá)汽車使用階段。我們經(jīng)歷的那種循環(huán) 越多，我們就越能通過發(fā)動機(jī)設(shè)計，發(fā)動機(jī)控制和先進(jìn)的潛能將后處理與發(fā)動 機(jī)結(jié)合。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 35 圖 5 ： NOx 還原經(jīng) 燃燒和后處理的發(fā)展 輕型卡車/越野車平 臺 而實現(xiàn)第二級， 尤其當(dāng)破壞傳統(tǒng)的 NOx 折衷方案曲線 時，找出這種氮氧 化物權(quán)衡曲線仍然停留在上述每個單獨(dú)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)顯得很重要。氮氧化物/燃油經(jīng) 濟(jì)性權(quán)衡曲線仍然以同樣的方式存在。我們可以在曲線上標(biāo)出氮氧化物從 7 級 到 3 級的變化

62、情況，以顯示出：當(dāng)?shù)趸餃p少時 FTP-75 的燃油經(jīng)濟(jì)性也減少 到同樣的水平。內(nèi)在的燃油經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇潛力的確認(rèn)是很重要的。在發(fā)展思路的每 一步，燃油經(jīng)濟(jì)性下降的原因都被確認(rèn)，并且記錄在下面的循環(huán)中。 因此，對于 2002 年第 2 級 6 級水平，F(xiàn)TP - 75 的燃油經(jīng)濟(jì)性為：輕型卡 車每加侖行駛 20 英里。在 2003 年，雖然我們有燃油經(jīng)濟(jì)性和氮氧化物的綜合， 但我們現(xiàn)在可以在沒加侖同樣里程數(shù)的情況下達(dá)到第 2 類第 5 級的水平。這表 明在同樣的燃油經(jīng)濟(jì)性條件下，氮氧化物的排放量比以前減少了 55%。反過來 說，如果我們保持相同的氮氧化物，以 2003 年確定的排放標(biāo)準(zhǔn)，燃油經(jīng)濟(jì)性

63、可 以增長到?jīng)]加侖行駛 20.5 英里?；蛘撸覀兛梢詫⒌趸锏呐欧帕坑行У臏p 少到第 2 類第 3 級標(biāo)準(zhǔn)，這相當(dāng)于在燃油經(jīng)濟(jì)性減少最少的基礎(chǔ)上將氮氧化物 排放量減少了 70%以上。有這樣一個信息：經(jīng)過發(fā)動機(jī)不斷的發(fā)展，燃油經(jīng)濟(jì) 性不斷的提高，因此進(jìn)一步減少氮氧化物的排放量不會對燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生多大 不利的影響。如果我們把乘用車平臺作比較，這些結(jié)果可以被進(jìn)一步說明，前 面的結(jié)果已經(jīng)有所呈現(xiàn)。我們有和輕卡相類似的路線圖，區(qū)分兩種體制：一種 是發(fā)動機(jī)具有氮氧化物外排和 FTP-75 粉末的，另一種是與瞄準(zhǔn)第 2 類第 5 級的 后處理系統(tǒng)相結(jié)合的。在這種情況下，發(fā)動機(jī)外輪廓在沒有后處理的情況下被

64、 提煉到一個更加清潔的水平：氮氧化物 0.4g/mi 和 0.5g/mi。通過一個煙塵催 化過濾器，F(xiàn)PT-75 在沒有任何氮氧化物后處理的情況下實現(xiàn)了第 2 類第 8 級水 平。以尿素為基礎(chǔ)的 SCR 技術(shù)的應(yīng)用減少了 V，并且氮氧化物和微粒達(dá)到第 2 類第 3 級水平，同時不存在氨滑移。這些結(jié)果顯示在表 6 中。 這個項目顯示了燃油經(jīng)濟(jì)性隨著發(fā)展思路的提升而產(chǎn)生的重大進(jìn)步，同時 在燃油經(jīng)濟(jì)性不受損害的情況下氮氧化物排放量有初步降低。第 2 類第 5 級結(jié) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 發(fā)動機(jī)與起動機(jī)性能匹配測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 36 果是在 67mpg 的混合經(jīng)濟(jì)，這是 FTP-75 和高

65、速路燃油經(jīng)濟(jì)的結(jié)合。這清晰的顯 示出當(dāng)利用合成分析和實驗方法時，燃油經(jīng)濟(jì)如何得以提高。 圖 6 ：客運(yùn)車平臺 的綜合排放削減路 線 總結(jié)和結(jié)論 總之，這個 項目利用綜合柴 油機(jī)和具有含 SCR 系統(tǒng)的催化過濾器后處理及技術(shù)來說明輕卡 SUV 和乘用車平臺的第 2 類第 3 級排放。第 2 類用來說明超過 US06 循環(huán)的輕卡平臺和 FTP-75 結(jié)果。用同樣 的汽車做測試，這比輕型汽油機(jī)卡車高出 41%的燃油經(jīng)濟(jì)性。排放量的減少首 先歸功于先進(jìn)的燃燒技術(shù)，并且通過在沒有活躍的氮氧化物后處理的情況下實 現(xiàn)第 9 級氮氧化物排放和 PM 水平實現(xiàn)的。尿素噴射控制策略是取得良好排放的 首要原因，它在

66、最大程度減小氨滑移的同時最大程度的減小了氮氧化物排放量。 同時，概括地說，強(qiáng)調(diào)綜合測試和分析的發(fā)展策略是短時間內(nèi)輕卡和乘用 車實現(xiàn)第 2 類第 3 級排放的核心原因?？紤]到司機(jī)們都看重一項技術(shù)的商業(yè)潛 能，要過發(fā)動機(jī)后處理綜合來降低后處理系統(tǒng)的復(fù)雜性就必須使這項技術(shù)有更 大范圍的實用性?？紤]到復(fù)合模式的燃燒策略，并且把尿素還原劑噴射策略和 過濾器換代策略融合在一個 ECU 中，我們需要精密的控制技術(shù)。這是該項目發(fā) 展的一個重大障礙。 。 我們需要一些諸如在 15PPM 水平以下的必需的低硫燃料和 SCR 尿素還原劑。 我們相信尿素還原劑將被用于重工作領(lǐng)域，而這又將為輕工作的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 測量技術(shù)和第 2 類水平的排放多樣性是需要重點(diǎn)考慮的。后處理的有效壽命和 設(shè)備多樣性，以及這兩者的結(jié)合在預(yù)言長期排放中起著重要作用。處理低排放 發(fā)動機(jī)的結(jié)果時數(shù)據(jù)分析是很必要的。 最后，由于資源有限，短期性和高風(fēng)險，綜合分析和實驗方法是很有用， 也是絕對必要的?；A(chǔ)的動力數(shù)據(jù)也是很關(guān)鍵的，因為它將這些工具與理論結(jié) 合，并且將發(fā)動機(jī)與后處理技術(shù)結(jié)合。因此，暫態(tài)時的后處理設(shè)備對整合設(shè)備 和進(jìn)一步簡化它們起