多功能发动机台架实验室的建设
摘要：总后油料研究所多功能发动机台架实验室日前正式投入使用，该实验室旨在解决军用油料(包括代用燃料、新型燃料、发动机油)在地面军事装备上的耐久性测试问题，同时也将开展用于改善排放、节约能源油品添加剂的台架评价研究，以适应军用油料专业迅猛发展和技术进步的需要。文章介绍了该实验室的功能及设计原则，对实验室的总体布局及设备选型情况进行了重点阐述，供相关人士参考。
关键词：台架实验室；建设；总体布局；设备选型
中图分类号：TK412.1 文献标识码：A
0 引言
为了解决军用油料(包括代用燃料、新型燃料、发动机油)在地面军事装备上的耐久性测试以及用于改善排放、节约能源的油品添加剂的台架评价问题，适应军用油料专业迅猛发展和技术进步的需要，满足发动机高速、高负荷、节能以及环保、低排放发展趋势的要求，总后油料研究所决定筹建多功能发动机台架实验室。经过近3年的综合建设，多功能发动机台架陆续完成了规划设计、土建施工、设备选型、安装调试等工作，日前正式投入使用。
多功能发动机台架实验室的建设对于军用油料科研技术水平的进步无疑具有强大的带动作用。依托多功能发动机台架实验室开展军用油料的应用研究，不仅可以为军事油料研究学科提供基础性、前瞻性的知识储备，而且有利于研发工作向深层次发展。文章主要介绍了多功能发动机台架实验室的建设情况。
1 功能
多功能发动机台架实验室拥有完整的军用油料品质检测能力：(1)开展燃料油、代用燃料油的品质检测工作；(2)按照GB／T 17752—1999《汽车燃油节能添加剂试验评定方法》、NY／T 377—1999《柴油添加剂发动机台架试验方法》从事燃料油清净剂等汽车排放性能改进产品的使用性能研究工作；(3)承担地面军事装备用润滑油的发动机台架评定工作；(4)依据GB／T 17753—1999《汽车发动机润滑油节能添加剂试验评定方法》进行节能减摩剂等发动机油添加剂的实际使用效果的测试评估工作；(5)进行非标试验方法研究、针对军事油料特殊要求组织试验评估等。
此外，多功能发动机台架实验室还具备GB18297—2001《汽车发动机性能试验方法》规定的全部常规试验能力以及GB／T19055—2003《汽车发动机可靠性方法》规定的耐久性、可靠性试验能力。2设计原则
多功能发动机台架实验室自行设计、施工，将为新一代军用油料及相关产品的研制提供可靠的质量保证，其设计原则如下：
(1)发动机及测试设备的布置要求贯彻“通用性、灵活性”的原则，以便于发动机及其零部件的安装、调整、检查和更换，同时为将来相关试验设备的补充完善预留后续建设余地。
(2)采取完善可靠的安全、消防和隔声、降噪等环保措施，以符合相关法规及规范要求，并尽可能改善试验人员的工作条件。
(3)充分考虑到军用车辆及油料的长远发展，确保发动机实验室具有广泛的适应能力，可以完成不同型号、不同目的、不同项目的发动机台架测试。
(4)采用先进技术，实现对试验参数的严格控制，以使发动机试验不仅能够满足现行及未来相关国标、国军标、石化行业标准的测试要求，同时也可以模拟发动机的实际使用条件或尽可能地接近发动机的实际使用条件。
3 总体布局
多功能发动机台架实验室主要包括以下几部分：大质量台架基础、台架物流系统、排气消声系统、通风换气系统、冷却循环系统、燃油供给系统，其总体布局如图1。
(1)大质量台架基座
发动机试验，特别是重负荷柴油机试验，运行时间非常长，产生的扰力大，震动大，对震动和噪声的控制就显得非常重要，为此发动机台架实验室设置大质量台架基础。
大质量台架基础主要由混凝土基础、铸铁底板、地脚螺栓和隔振层组成。台架床身可以很好地抑制震动，具有足够的刚度和强度，既能承受静载荷，也能承受动载荷。床身做表面处理。台架基础采用地坑式结构，坑内设置安装检修的通道和管道线路，所有供水和燃油通过管道固定在床身上，再通过快换接头与发动机、测功机连接。
(2)台架物流系统
台架物流系统主要是指用于发动机的装卸、运输、上下台架、安装等设备，主要包括铸铁平板、调整导轨、支架、电动单梁悬挂起重机等。
铸铁平板上设置5组T型槽，用于调整导轨纵向移动及安装其他辅助设备；调整导轨为全加工铸铁件，通过六组固定脚与铸铁平板固定，此外，调整导轨上还设置两组T型槽，以调整支架横向移动。
支架是一个将发动机牢牢地固定在台架基础上的装置，其决定了发动机旋转中心与测功机主轴中心同轴的程度，对减少台架震动、延长传动装置的寿命起着决定性的作用。支架由支架基体、中间支撑板及定位销、垫块、压紧臂等组成，针对不同类型的发动机，只要稍微调整一下垫块位置和更换一个夹紧臂即可，技术先进、设计巧妙、结构合理，从而为试验人员带来了极大的便利。
(3)排气消声系统
排气消声系统的用途是排出发动机的燃烧废气，降低发动机的排气噪声，控制发动机的排气背压，降低排气设施在室内的辐射散热。对排气消声系统的要求是尽量把全部废气都排出室外，并且应有良好的消音系统，减少噪音和废气对发动机测功的影响以及对人身健康的危害。
多功能发动机台架实验室采用下排式排气消声系统：将发动机废气经延伸到地下的排气管线排到设置在室外地下的消音坑内，然后通过向上直通式不锈钢烟囱排放到大气中。消音坑尺寸为0.5 m×0.5 m×0.3 m，为了降低排气阻力，不仅提高了排气管路内表面的光整度，降低排气管路的弯头和异形件的使用量，而且将烟囱直径加大至300一。
发动机试验产生的噪声可分为排气噪声、机械噪声和燃烧噪声。排气噪声主要依靠消音坑中的排气消声器消除。这种方式有效地隔离了排气噪声，并且使噪音在通过消声器和排气总管时能量不断减弱，减小了向地表的传递。同时，将有害废气排到室外，有助于减小室内油气污染。为了消除机械噪声和燃烧噪声对实验室及周围环境的影响，发动机实验室墙壁上贴附了吸声材料(穿孔的铝板和吸声纤维)，同时安装了具有隔声功能的门窗。
(4)通风换气系统
为了把实验室内发动机辐射的热量和泄漏的废气、油气排出室外，保持室内空气的温度和废气、油气浓度在规定的范围以内，同时也为了避免对试验操作人员的身体健康造成危害，多功能发动机台架实验室设置了通风换气装置。
对于易于控制的发动机尾气，主要是采取通过消声器、排气总管直接排放到室外的措施，并且在排气总管上设置了轴流式风机，以降低排气总管内的压力，同时减少排气总管及排气接口垫等处的废气泄漏量。
针对从发动机机油口和曲轴箱通风系统等部位泄漏的少量油气，多功能发动机台架实验室则采用了上送下排式机械强制通风技术：实验室下部设置4个向外排气的排风扇，上部设置4个向内鼓风的
排风扇，形成空气对流，直接将废气排出室外。
(5)冷却系统
冷却系统是确保发动机正常工作的重要组成部分，其不仅为电涡流测功机提供冷却水，而且也通过一系列恒温控制装置实现对燃油温度、机油温度、冷却液温度及中冷器温度控制并恒定在某一要求的范围之内。
多功能发动机台架实验室的冷却系统采用循环水池供水方式，冷却水为淡水，进水口加装进水阀门以调节流量；同时为了避免异物进入，在进水口处设置了过滤器。控制系统的进水温度在30℃以下，出水温度为50～60℃，进水压力在O.05～0.3 MPa之间。
(6)燃油供应系统
燃油供应系统是发动机试验过程中的重要环节，其供应装置的性能和配置直接影响着发动机试验工作的进行。
燃油是易燃易爆危险品，出于安全性考虑，多功能发动机台架实验室建立了容积为20 m3的地下油罐，通过油泵将燃料油送入室内油箱中。为了保证油耗仪的供油压力，从实际出发确定室内油箱容积为0.2 m3，并将其置于高出地面3 m的支架上，同时特别设置了液位计，以便于观察油箱存贮量。
4 设备选型
(1)发动机
经过周密而细致的军内调研，多功能发动机台架实验室确定使用潍柴动力出品的WP10.290柴油机。该柴油机是潍柴动力的主导产品，广泛应用于重型汽车、大客车、工程机械等，被总装备部指定为军车配套产品。
WP10.290柴油机是潍柴动力与AVL合作，采用全新设计理念开发的满足国Ⅲ排放法规并具有同Ⅳ潜力的节能环保柴油机，也是我国柴油机进入自主创新时代的标志。WP10.290柴油机的突出特点在于：①汽缸体为框架式主轴承结构；②为了承载16.5 MPa的最高爆发压力，曲轴连杆系设计时采用了较大的主轴径和连杆径，曲轴强度更高；③一缸一盖，4气门进排气结构；④Bosch公司的高压共轨油泵，能够提供最高160 MPa的喷油压力；⑤增压器中置；⑥多层复合板油底壳材料。
(2)测功机
目前，主流的测功机包括水力测功机、电涡流测功机以及交流电力测功机，相对其他两种测功加载设备而言，电涡流测功机在性能、价格、可靠性、维护难易程度等方面都具有比较明显的优势。
多功能发动机台架实验室以WP10.290柴油机为主配置测功机，选择电涡流测功机，型号为CW250，额定吸收功率250 kW，额定扭矩1000N·m，主轴最高转速6000 r／min。
CW250电涡流测功机是一种圆柱感应型测功机，由制动器、测力机构和减速装置等几部分组成，其突出的特点包括以下几方面：①结构简单、操作维护方便；②制动力矩大，测试精度高，工作稳定；③转动惯量小，动态响应速度快。
(3)油耗仪
在发动机试验中，燃油消耗量的测量方法可分为容积法和质量法两种。容积法是通过测量一定时间间隔发动机消耗的燃油容积，然后乘以燃油的密度，求出所消耗的燃油质量；质量法则是直接测量一定时间间隔发动机消耗的燃油质量。一般来说，汽油机试验常用容积法，而柴油机测试则采用质量法。
多功能发动机台架实验室选用了AVL LISTGmbH公司制造的连续油耗测试系统，包括称重式油耗仪、燃油温度控制单元、溢流传感器、精细过滤器(25 μm)及火焰过滤器，并内置精度检查及标定、气泡诊断与分离装置，测量温度范围10～80℃，在低油耗及快速测量的情况下测量精度也能够达到0.12％。
(4)烟度计
目前，世界各国排烟标准中规定的烟度计主要是透光式和滤纸式。透光式烟度计(亦称为不透光烟度仪)的设计原理是依据比尔·兰伯特定律，测量光穿过被测的具有一定长度废气后到达接收器的那部分光与入射光的比例，从而确定废气的不透光度；而滤纸式烟度计的测量原理则是将一定容量废气中的碳烟积存在滤纸上，通过光电监测仪测出被染黑滤纸的碳粒吸光率，以此代表排气烟度。透光式烟度计的优点是可以测定变化工况中烟度排放的瞬时值，而滤纸式烟度计则特别适用于稳定工况下的烟度测定，即在发动机台架上以相对稳定的转速下逐点测量的烟度值。
多功能发动机台架实验室配置AVL 415S可变采样体积滤纸式烟度计，测量范围0～10FSN，分辨率0.001FSN。AVL 415S是以滤纸式烟度FSN为单位的烟度计，符合ISO 10054要求；此外，AVL 415S采用连续工作的膜片泵进行排气采样，该方式允许根据发动机排放烟度的浓度改变采样体积，因此可以在碳烟值很小的测量工况下保持很高的测量精度。
5 总结
多功能发动机台架实验室的建成，标志着总后油料研究所在新一代军事装备用油研发方面又迈上了一个新台阶，也使总后油料研究所在新一代油料体系建设方面承担了更多的责任和使命。
多功能发动机台架实验室不仅可以为军事油料应用领域中重大科研工作提供技术支撑和人才储备，而且可以实现科研项目、研究基地、技术人员的有机结合，集中培育一批高素质的中青年学科带头人和优秀的学术团队。此外，多功能发动机实验室的建设也将成为探索新型科研运行管理模式的示范基地，成为与有关科研院所进行学术交流和讨论的技术平台，从而形成一种军队依托地方进行科研的战略格局。