10.16638/jki.1671-7988.2017.21.057
发动机台架运行时间对应整车行驶里程关系研究
范皖元1，宋长青1，向晓野2
（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601；
2.安徽江淮纳威斯达柴油发动机有限公司，安徽合肥230601）
摘要：发动机的可靠性验证主要以台架试验为主，但是台架试验以运行时间记录，无法直接反应整车运行里程，需要将台架试验的运行时间换算为整车的行驶里程。在主要运动件疲劳寿命的范围内，通过热负荷和机械负荷等效的原则，建立台架运行时间与整车行驶里程对应关系，并通过实例进行说明。
关键词：台架时间；整车里程；热负荷；机械负荷；等效原则
中图分类号：U461.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-166-03
A study on Relationship Between Engine Platform Running Time And Driving Distance
Fan Wanyuan1, Song Changqing1, Xiang Xiaoye2
（1.Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601; 2.Anhui Jianghuai
Navistar Diesel Engine Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）
Abstract: The reliability of engine is mainly based on bench test, But bench test records is running time, It unable to directly respond to the driving distance, So that is necessary to convert running time into driving distance. In the range of fatigue life of the main moving parts, the equivalent principle of thermal load and mechanical load is adopted to build the relationship between running time and driving distance, And the example is illustrated.
Keywords: Running Time; Driving Distance; Thermal Load; Mechanical Load; Equivalence
CLC NO.: U461.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-166-03
前言
为了更快速、更便捷的验证、测试发动机产品，国内外所有的发动机厂商都采用了发动机台架测试，将发动机固定在测试台架上，模拟整车提供电源、供水冷却、供油、进气等等，然后在设定的工况运转发动机一定的时间，用来评估发动机某些方面的性能能否满足要求。
发动机的台架可靠性验证相比较整车验证大大节省的验证时间和费用，但是台架验证的工况并不能完全代表整车的行驶工况，台架验证的结果也无法完全反应整车实际运转情况，如何分析和评估台架运行结果反应整车实际运转情况，就需要将台架在具体某些工况下的运行时间换算成整车行驶的里程。
为了分析发动机的主要运动部件的台架可靠性试验的寿命对应到整车上的情况，本文对台架可靠性试验运行时间换算成整车行驶里程的对应关系进行了初步研究。
1 台架试验描述
发动机台架可靠性验证是将发动机固定在试验台架上，按照某一固定的工况运行数百小时，评估其是否可靠。一般运行的工况和时间是不同公司根据发动机设计的特点进行设计。国标《GB T19055-2003汽车发动机可靠性试验方法》中规定了一些常用的可靠性试验工况和时间，比如交变负荷试验、混合负荷试验。
作者简介：范皖元，就职于安徽江淮汽车技术中心。
范皖元等：发动机台架运行时间对应整车行驶里程关系研究167 2017年第21期
图1 交变负荷试验工况
图2 混合负荷试验工况
2 整车运行工况描述
发动机在整车上的运行工况是要根据整车实际使用循环路谱而来，比如重型车主要载货行驶在两地之间，主要工况是高速满载，少部分在城郊工况；小型乘用车主要工况是市区工况，一部分城郊工况，较
少的高速工况；公交车工况都是城市工况。国内地形复杂，各个省市的城市、城郊等工况都有差别，暂时没有统一的工况路谱。缺少实车路谱的情况下，无法将台架工况运行时间转换为整车实际行驶的里程。
目前我们借助法规中的油耗测试循环，它是由国家环保等部门参考国内外的油耗测试循环结合我国的国情制定的一套测试循环工况，比较接近国内的实车使用条件。所以我们暂时采用国内油耗测试循环来代表整车实际工况。需要注意的是不同的车型油耗测试循环有所不同，如轻型车是NEDC 循环，重型车是C-WTVC循环。另外不同阶段的法规对油耗测试循环的规定也有所不同，如国五阶段轻型车测试循环是NEDC，国六阶段就优化为WLTC循环，需要具体对待分析。
3 换算分析
在了解发动机台架可靠性试验工况、时间和整车试验循环后，就需要到台架试验工况和整车试验循环的等效原则，把台架运行时间转换为整车行驶的里程。不同的零部件在台架试验工况和整车试验循环之间的等效原则不一定相同，比如活塞的疲劳失效与起动机的工作失效不能用同一个等效原则，前者与发动机的负荷、转速等有关，后者与起动的频次有关。这里仅仅分析研究发动机主要运动件的寿命等效原则。
3.1 等效因素
发动机本质是将燃料燃烧的能量转换为机械能，即热能转换为机械能，发动机在实际运行过程中承受热负荷和机械负荷的作用。所以可以利用热负荷和机械负荷等量关系，建立台架运行时间与整车行驶里程的对应关系，其中热负荷与燃料的消耗有关，机械负荷与转速和作用力矩有关。
负荷率：是指台架测试工况与整车循环工况单位时间或者里程内的负荷加载的比例，主要通过热负荷强度和机械负荷强度来对比分析。
①热负荷强度
累计燃油消耗量可以代表各自的热负荷来对比换算。
②机械负荷强度
机械负荷是发动机转速和发生扭矩的关系。所以，可以用发动机累计转速*累计扭矩来表示。
考虑上述热负荷和机械负荷，评价不同情况下的负荷率：负荷率=热负荷*机械负荷=累计燃油消耗量*（累计转速*累计扭矩)
3.2 负荷率的计算
发动机台架运行工况的热负荷和机械负荷可以确定，通过油耗仪和测功机记录循环工况中每个点的燃油消耗量、扭矩和转速。但整车的循环工况可以通过在整车测试循环时记录燃油消耗量、发动机扭矩和转速。
收集了以上数据后，就可以通过发动机的热负荷和机械负荷等效的方法计算负荷率。热负荷与燃料的消耗量有关，机械负荷与转速和载荷有关，加权系数是台架工况的结果与整车循环工况结果的比值。
通过对试验循环工况的转速、扭矩和油耗量积分计算平均值，再与整车循环工况中的转速、扭矩和油耗量的平均值进行对比，分别计算热负荷加权系数A、载荷加权系数B和转速加权系数C。
载荷加权系数B =扭矩（台架循环工况平均值）/ 扭矩（整车循环工况平均值）
转速加权系数C = 转速（台架循环工况平均值）/转速（整车循环工况平均值）
图3 整车功率平衡图
热负荷加权系数应为同等条件下台架循环工况的油耗量与整车循环工况的油耗量比值，因为整车循环的油耗单位为L/100Km，里面有里程的单位，所有选择同等条件为单位里程内。台架循环的油耗量单位为kg/h，转换为kg/km的单位需要了解循环工况对应整车的车速。根据整车匹配的功率平
汽车实用技术
168 2017年第21期
衡图中的功率和档位到对应的车速，档位按照经验选择近似1:1的档。
到台架工况对应整车车速后，把台架油耗量和整车循环油耗量转化为相同单位，计算热负荷加权系数。
热负荷加权系数A= 油耗量（台架循环工况平均值）/ 油耗量（整车循环工况平均值）
以上三个加权系数计算完成后，需要计算台架循环工况和整车循环工况之间总的加权系数，称为加速因子。热负荷和机械负荷是同时作用的，所以是乘积关系；转速和扭矩同属于机械负荷，所有是和的关系，再根据循环自身加权系数为1。初步建立加速因子N公式如下：
N = A * (B+C-1)
加速因子计算完成后，发动机的行驶里程L与台架运行时间T的关系：
L = T（台架运行时间）*V(整车行驶平均车速)*N（加速因子）。
4 实例分析
某国五汽油发动机额定转速5500转/分钟，额定功率120Kw，最大扭矩251Nm，在台架上按照国标《GB T19055-2003汽车发动机可靠性试验方法》中规定的交变负荷试验工况运行了800小时，主要5C运动件磨损正常，没有发生失效，根据已经建立台架运行时间与整车行驶里程对应关系，分析此款发动机在整车上的大修寿命。
根据台架试验过程中记录的交变负荷的转速、扭矩和油耗量，通过积分计算平均值。如图4所示。
平均转速：4014转/分钟；
平均扭矩：201Nm；
平均循环油耗：26.3kg/h；
平均功率：4014*201/9550=84.5Kw；
根据功率平衡图，对应的车速为135Km/h。
图4 某国五汽油机交变负荷工况表
整车循环采用油耗循环NEDC，通过转毂测试NEDC循环的数据经过积分计算平均值，如下：
平均转速：1543转/分钟；
平均扭矩：25Nm；
平均油耗：9L/100Km；
安徽江淮汽车平均车速：33.66Km/h；
汽油密度：0.74Kg/L；
循环时间：0.327h。
计算NEDC循环的单位油耗量：
9*0.74/100=0.0666Kg/Km。
计算台架交变循环的单位油耗量：
26.3/135=0.194815 Kg/Km。
热负荷加权系数A=0.194815/0.0666=2.93；
载荷加权系数B=201/25=8.04；
转速加权系数C=4014/1543=2.60
加速因子N= A * (B+C-1)=2.93*（8.04+2.60-1）=28.25 根据发动机的行驶里程L与台架运行时间T的关系：
L = T（台架运行时间）*V(整车行驶平均车速)*N（加速因子）
= 800*33.66*28.25=760716Km。
通过换算，此款国五汽油机的台架800小时交变负荷试验对主要5C运动件的寿命考核相当于整车NEDC循环工况运行约76万公里。
5 结束语
本文针对发动机主要5C运动件的疲劳失效方面，根据热负荷和机械负荷等效的原则，建立起了台架运行时间和整车行驶里程的对应关系。并通过此对应关系分析了某款国五汽油发动机的台架交变负荷试验800小时对应整车的寿命情况。此方法的等效原则虽然有一定的使用要求，仅能用于发动机主要运动件的疲劳失效方法，对于其他的发动机分析有一定的参考意义。
参考文献
[1] 周龙保.内燃机学.北京：机械工业出版社.
[2] GB T19055-2003汽车发动机可靠性试验方法.
[3] GB T19233-2008轻型汽车燃料消耗量试验方法.
[4] 黄海燕.汽车发动机试验学教程.北京：清华大学出版社.