CN107727402B - 柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置 - Google Patents

Abstract

一种内燃机技术领域的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，包括：变频主风机、柴油供给系统、机油供给系统、油气混合系统、燃烧室、补气进气段、涡轮进气段、混合腔、稳流段、旁通管路、涡轮增压器等，本发明通过调节喷油量可以调节进入涡轮的排气的温度，通过调节补气量和旁通管段排气量可以调节进入涡轮的流量，通过喷射机油燃烧，可以测试颗粒对涡轮增压器的影响；且流经涡流增压器的温度、流量、排气颗粒等参数可独立控制，线性调节。本发明由于不需对外输出做功，可高效利用柴油能量来对涡轮增压器进行测试，同时具有更宽可调范围的排气温度来进行高低温循环热冲击实验。本发明设计合理，结构简单，适用于增压器耐久装置的优化设计。

Description

柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置

技术领域

本发明涉及柴油机涡轮增压器测试领域，具体涉及一种柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置。

背景技术

为了提高燃油经济性和降低排放，涡轮增压器在发动机技术中越来越普及。涡轮增压器利用排气带动涡轮转动，从而压缩进气，使进气量增大。在工作过程中，涡轮高速运转，不断经受排气的热冲击。因此在设计、生产、使用过程中涡轮增压器在整个生命周期的的耐久可靠性是工程师非常关注的问题。对涡轮增压器进行耐久可靠性测试具有重要意义。在现有的技术中，主要有发动机台架实验，即将涡轮增压器安装在发动机上，发动机连接测功机，在台架上对发动机进行耐久性测试，同时对涡轮增压器进行耐久性测试。此方法比较符合实际情况，但是由于运转发动机，能耗较高。另一种则是采用输入压缩空气，经燃烧室喷油点火燃烧驱动增压器，从而实现对涡轮增压器的耐久性测试。此种方法在汽油机涡轮增压器的耐久性测试中使用较多。

柴油机由于燃点较高，同时柴油雾化效果较差，不易点燃。柴油能否完全燃烧主要有四个条件：1.柴油雾化液滴直径；2.充分的助燃空气；3.足够的温度；4.足够的燃烧空间。因此设计出能使柴油完全燃烧的燃烧装置是非常重要的。由于柴油发动机排气中PM颗粒较多，对涡轮的工作也有较大影响。因此能设计出可以调节PM颗粒浓度的燃烧装置也是非常重要的。

研究表明在柴油机运转过程中，热冲击对涡轮增压器的损坏占了较大比重，形成稳定的可重复的在宽范围温度内可调的排气，控制排气温度和排气流量就能到达对涡轮增压器的热冲击效果。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，可高效利用柴油能量来对涡轮增压器进行测试，同时具有更宽可调范围的排气温度来进行高低温循环热冲击实验。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括第一空气过滤器、第一变频风机、第二空气过滤器、第二变频风机、第一流量计、柴油喷射器、涡流板、机油喷射器、火花塞组、油气混合段、第二流量计、翅片、第一缩口、第二缩口、稳流段、第三缩口、主测试管道、排气管段、增压器涡轮、增压器压气机、第三空气过滤器、涡轮进气段、燃烧室、混合腔、补气进气段、柴油供给系统、机油供给系统、主进气管段，第一空气过滤器布置在第一变频风机的进气管上，第二空气过滤器布置在第二变频风机的进气管上，主进气管段的进气口与第一变频风机的出气口相连接，主进气管段的出气口与涡流板的前端相连接，油气混合段的进气口与涡流板的后端相连接，油气混合段的出气口与燃烧室的前部相连接，第一流量计布置在主进气管段上，柴油喷射器、机油喷射器均布置在油气混合段的前端，火花塞组布置在油气混合段的中部，油气混合段的后端和燃烧室均布置在混合腔内，混合腔内油气混合段后端和燃烧室的外壁面均布置翅片，燃烧室的尾部与第一缩口相连接，混合腔的尾部与第二缩口相连接，第二缩口、稳流段、第三缩口、主测试管道依次首尾相连，主测试管道的尾部与增压器涡轮的进气口相连接，增压器涡轮的出气口与排气管段相连接；补气进气段的进气口与第二变频风机的出气口相连接，补气进气段的出气口与混合腔的前部相连通，第二流量计布置在补气进气段上；第三空气过滤器布置在增压器压气机的进气管路上，涡轮进气段的进气口与增压器压气机的出气口相连接，涡轮进气段的出气口与混合腔的前部相连通。

进一步地，本发明还包括第一旁通管、电控两通阀门、第二旁通管、电控三通阀，第一旁通管的进气口与主测试管道相连通，第二旁通管的进气口与涡轮进气段相连通，电控两通阀门、电控三通阀分别布置在第一旁通管、第二旁通管上。

进一步地，本发明还包括第三流量计、第四流量计，第三流量计布置在增压器压气机的进气管上，第四流量计布置在排气管段上。

进一步地，在本发明中，第一流量计、第二流量计、第三流量计、第四流量计均布置在直管段。

进一步地，在本发明中，柴油供给系统包括柴油油箱、柴油增压泵、柴油调压阀、柴油流量计；柴油增压泵入口与柴油油箱相连，柴油增压泵出口与柴油调压阀入口相连；柴油调压阀出口与柴油流量计相连，另一出口通过回油管与柴油油箱相连；柴油喷射器通过油管与柴油流量计相连接。

进一步地，在本发明中，机油供给系统包括机油油箱、机油增压泵、机油调压阀、机油流量计；机油增压泵入口与机油油箱相连，机油增压泵入口出口与调压阀入口相连；机油调压阀出口与机油流量计相连，另一出口通过回油管与机油油箱相连；机油喷射器通过油管与机油流量计相连接。

进一步地，在本发明中，涡流板上开设多组斜孔，斜孔的孔径在4-12mm，斜孔与轴心相对的倾斜角在15-75度；油气混合管段前端沿周向开设喷油器插孔，插孔与轴心相对的倾斜角在10-45度，插孔数是多个，柴油喷油器(12)和机油喷油器(14)均通过斜孔与油气混合管段相连。

进一步地，在本发明中，柴油喷油器的个数为2-6个，机油喷射器的个数为1-2个。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，结构简单；通过调节喷油量可以调节进入涡轮的排气的温度，通过调节补气量和旁通管段排气量可以调节进入涡轮的流量，通过喷射机油燃烧，可以测试颗粒对涡轮增压器的影响；且流经涡流增压器的温度、流量、排气颗粒等参数可独立控制，线性调节。本发明由于不需对外输出做功，可高效利用柴油能量来对涡轮增压器进行测试，同时具有更宽可调范围的排气温度来进行高低温循环热冲击实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明流量温度测点示意图；

其中：1、第一空气过滤器，2、第一变频风机，3、第一流量计，4、柴油油箱，5、柴油增压泵，6、柴油调压阀，7、柴油流量计，8、机油流量计，9、机油调压阀，10、机油增压泵，11、机油油箱，12、柴油喷射器，13、涡流板，14、机油喷射器，15、火花塞组，16、油气混合段，17、第二流量计，18、第二变频风机，19、第二空气过滤器，20、翅片，21、第一缩口，22、第二缩口，23、稳流段，24、第三缩口，25、主测试管道，26、第一旁通管，27、电控两通阀门，28、排气管段，29、增压器涡轮，30、增压器压气机，31、第三流量计，32、第三空气过滤器，33、电控三通阀，34、第二旁通管，35、涡轮进气段，36、燃烧室，37、混合腔，38、补气进气段，39、柴油供给系统，40、机油供给系统，41、主进气管段，42、第四流量计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1至图2所示，本发明包括第一空气过滤器1、第一变频风机2、第一流量计3、柴油油箱4、柴油增压泵5、柴油调压阀6、柴油流量计7、机油流量计8、机油调压阀9、机油增压泵10、机油油箱11、柴油喷射器12、涡流板13、机油喷射器14、火花塞组15、油气混合段16、第二流量计17、第二变频风机18、第二空气过滤器19、翅片20、第一缩口21、第二缩口22、稳流段23、第三缩口24、主测试管道25、第一旁通管26、电控两通阀门27、排气管段28、增压器涡轮29、增压器压气机30、第三流量计31、第三空气过滤器32、电控三通阀33、第二旁通管34、涡轮进气段35、燃烧室36、混合腔37、补气进气段38、柴油供给系统39、机油供给系统40、主进气管段41、第四流量计42，第一空气过滤器1布置在第一变频风机2的进气管上，第二空气过滤器19布置在第二变频风机18的进气管上，主进气管段41的进气口与第一变频风机2的出气口相连接，主进气管段41的出气口与涡流板13的前端相连接，油气混合段16的进气口与涡流板13的后端相连接，油气混合段16的出气口与燃烧室36的前部相连接，第一流量计3布置在主进气管段41上，柴油喷射器12、机油喷射器14均布置在油气混合段16的前端，火花塞组15布置在油气混合段16的中部，油气混合段16的后端和燃烧室36均布置在混合腔37内，混合腔37内油气混合段16后端和燃烧室36的外壁面均布置翅片20，燃烧室36的尾部与第一缩口21相连接，混合腔37的尾部与第二缩口22相连接，第二缩口22、稳流段23、第三缩口24、主测试管道25依次首尾相连，主测试管道25的尾部与增压器涡轮29的进气口相连接，增压器涡轮29的出气口与排气管段28相连接；补气进气段38的进气口与第二变频风机18的出气口相连接，补气进气段38的出气口与混合腔37的前部相连通，第二流量计17布置在补气进气段38上；第三空气过滤器32布置在增压器压气机30的进气管路上，涡轮进气段35的进气口与增压器压气机30的出气口相连接，涡轮进气段35的出气口与混合腔37的前部相连通；第一旁通管26的进气口与主测试管道25相连通，第二旁通管34的进气口与涡轮进气段35相连通，电控两通阀门27、电控三通阀33分别布置在第一旁通管26、第二旁通管34上；第三流量计31布置在增压器压气机30的进气管上，第四流量计42布置在排气管段28上；柴油增压泵5入口与柴油油箱4相连，柴油增压泵5出口与柴油调压阀6入口相连；柴油调压阀6出口与柴油流量计7相连，另一出口通过回油管与柴油油箱4相连；柴油喷射器12通过油管与柴油流量计7相连接；机油增压泵10入口与机油油箱11相连，机油增压泵10入口出口与调压阀9入口相连；机油调压阀9出口与机油流量计8相连，另一出口通过回油管与机油油箱11相连；机油喷射器14通过油管与机油流量计8相连接。

在本发明的工作过程中，空气通过第一空气过滤器1进入第一变频风机2，第一变频风机2的功率由风机自带的变频器进行调节，通过RS485与计算机进行通讯，从而实现计算机对变频主风机的鼓风量进行控制。第一变频风机2鼓入的风量经第一流量计3进行测量，第一流量计3可采用孔板流量计，在第一流量计3前后均设置稳压直管，同时设置温度、压力补偿，从而保证流量计的精准度。

第一变频风机2鼓入的空气经第一流量计3后，通过涡流板13，在油气混合段16内形成涡流，涡流板13上开满设计好的多组斜孔，斜孔的孔径在4-12mm，斜孔与轴心相对的倾斜角在15-75度；斜孔的组数有一组或多组。涡流板13设计的斜孔组会形成沿周向的旋转空气，使油雾不易附壁。

柴油在柴油增压泵5的作用下，从柴油油箱4中泵出，经柴油调压阀5调整油压，通过柴油流量计7，将柴油送至柴油喷油器12处。柴油经柴油调压阀5后的油压不低于6bar，多余的油将通过回油管回到柴油油箱4。同理，机油在机油增压泵10的作用下，从机油油箱11中泵出，经机油调压阀9调整油压，通过机油流量计8，将机油送至机油喷油器14处。柴油经机油调压阀9后的油压不低于6bar，多余的油将通过回油管回到机油油箱11。柴油喷油器12的个数在2-6个，以实现大流量高温度范围内可调。机油喷油器14的个数在1-2个，以控制产生PM颗粒浓度。柴油喷油器12和机油喷油器14均通过PWM信号进行独立控制。在小流量低温度排气时，柴油喷油器12开启的个数少，且PWM脉宽降低，以实现较小的喷油量，同时第一变频风机2鼓入气量随着喷油量的降低也降低。保证燃烧室36内柴油始终在理论空燃比14.3附近燃烧。

柴油喷油器12和机油喷油器14喷出的油雾与经过涡流板13形成的涡流空气在油气混合段16内进行充分混合，经火花塞组15进行点燃，火花塞组15周向布置，一组4个火花塞，为了保证能有效点燃油气混合物，也可以设置2-3组火花塞。由于第一变频风机2不断鼓入空气，火花塞组15点燃的火焰将随空气向后流动，进入燃烧腔36中。由于涡流板13产生的沿周向的旋转空气，因此火焰形状也会呈旋转状。燃烧腔36的管径大于油气混合段16的管径，以便消除燃烧产生的气体膨胀导致的压力波动。在燃烧器36出口处设置缩口21，以使火焰能保持在燃烧腔36内。燃烧腔36外管布置换热翅片20，以使补气进气段38和涡轮进气段35导入的补气对燃烧腔36降温，同时预热导入的补气。

空气通过第二空气过滤器19，进入第二变频风机18，然后经第二流量计17进行测量，第二变频风机18通过RS484与计算机进行通讯，另一路涡轮进气段35，通过增压器压气机30将空气导入混合腔37。增压器压气机导入的空气由第三空气过滤器32进行过滤，由第三流量计31进行测量流量。当需要高排气温度低流量时，第二变频风机18将关闭，而涡轮进气段35将通过电控三通阀33将增压器压气机30导入的空气由第二旁通管旁通，不进入混合腔37。

燃烧室36产生的燃烧排气和补气进气段、涡轮进气段导入的补气在混合腔37内混合，混合腔37出口设置第二缩口22，以使燃烧排气和补气进行充分混合，稳流段23与第二缩口22相连，混合气体通过稳流段23，混合气体的温度，浓度将变得均匀稳定。

均匀混合的排气经第三缩口24由稳流段23进入主测试管路25,主测试管路25出口连接增压器涡轮29，以对涡轮增压器42进行测试。在主测试管路上设置旁通管路26，通过电控阀门27控制旁通管路的背压，以使得能够对涡轮增压器42进行流量扫描，即在相同温度下，可以测试不同流量，从而获得涡轮增压器42不同的转速。

增压器涡轮29出口通过排气段28与大气相连，进行排气。排气段28上设置第四流量计42，从而测得精确的排气流量。第四流量计42前后设置稳压直管，同时进行温度、压力补偿。增压器涡轮29通过转子带动增压器压气机转动，从而实现能量的再利用。

在具体实施过程中，装置各点的温度流量如图2所示。由第一变频风机2导入T1温度Q1流量的空气，由第二变频风机18导入T1温度Q2流量的补气，和由增压器压气机30导入的T2温度Q3流量的补气，构成了整个装置的总进气。Q1和Q2流量可以通过变频器调节，Q3流量可以通过电控三通阀33调节控制。Q1流量空气，经喷油点火膨胀后产生Q4流量T3高温的排气。Q2流量空气和Q3流量空气与Q4流量空气在混合腔37内混合，在稳流段23内形成所需的T4温度Q5流量的排气，经旁通管路26旁通Q6流量后，获得最终的所需的Q7流量T4温度的排气，来对涡轮增压器进行耐久可靠性测试。

本发明的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，可以在宽范围内调节进入涡轮增压器的温度、流量，以及PM颗粒浓度。通过实时调节涡轮增压器入口温度，可实现对涡轮增压器的抗热冲击性能测试。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，包括第一空气过滤器(1)、第一变频风机(2)、第二空气过滤器(19)、第二变频风机(18)，第一空气过滤器(1)布置在第一变频风机(2)的进气管上，第二空气过滤器(19)布置在第二变频风机(18)的进气管上，其特征在于还包括第一流量计(3)、柴油喷射器(12)、涡流板(13)、机油喷射器(14)、火花塞组(15)、油气混合段(16)、第二流量计(17)、翅片(20)、第一缩口(21)、第二缩口(22)、稳流段(23)、第三缩口(24)、主测试管道(25)、排气管段(28)、增压器涡轮(29)、增压器压气机(30)、第三空气过滤器(32)、涡轮进气段(35)、燃烧室(36)、混合腔(37)、补气进气段(38)、柴油供给系统(39)、机油供给系统(40)、主进气管段(41)，主进气管段(41)的进气口与第一变频风机(2)的出气口相连接，主进气管段(41)的出气口与涡流板(13)的前端相连接，油气混合段(16)的进气口与涡流板(13)的后端相连接，油气混合段(16)的出气口与燃烧室(36)的前部相连接，第一流量计(3)布置在主进气管段(41)上，柴油喷射器(12)、机油喷射器(14)均布置在油气混合段(16)的前端，火花塞组(15)布置在油气混合段(16)的中部，油气混合段(16)的后端和燃烧室(36)均布置在混合腔(37)内，混合腔(37)内油气混合段(16)后端和燃烧室(36)的外壁面均布置翅片(20)，燃烧室(36)的尾部与第一缩口(21)相连接，混合腔(37)的尾部与第二缩口(22)相连接，第二缩口(22)、稳流段(23)、第三缩口(24)、主测试管道(25)依次首尾相连，主测试管道(25)的尾部与增压器涡轮(29)的进气口相连接，增压器涡轮(29)的出气口与排气管段(28)相连接；补气进气段(38)的进气口与第二变频风机(18)的出气口相连接，补气进气段(38)的出气口与混合腔(37)的前部相连通，第二流量计(17)布置在补气进气段(38)上；第三空气过滤器(32)布置在增压器压气机(30)的进气管路上，涡轮进气段(35)的进气口与增压器压气机(30)的出气口相连接，涡轮进气段(35)的出气口与混合腔(37)的前部相连通。

2.根据权利要求1所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，还包括第一旁通管(26)、电控两通阀门(27)、第二旁通管(34)、电控三通阀(33)，第一旁通管(26)的进气口与主测试管道(25)相连通，第二旁通管(34)的进气口与涡轮进气段(35)相连通，电控两通阀门(27)、电控三通阀(33)分别布置在第一旁通管(26)、第二旁通管(34)上。

3.根据权利要求2所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，还包括第三流量计(31)、第四流量计(42)，第三流量计(31)布置在增压器压气机(30)的进气管上，第四流量计(42)布置在排气管段(28)上。

4.根据权利要求3所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，第一流量计(3)、第二流量计(17)、第三流量计(31)、第四流量计(42)均布置在直管段。

5.根据权利要求4所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，柴油供给系统(39)包括柴油油箱(4)、柴油增压泵(5)、柴油调压阀(6)、柴油流量计(7)；柴油增压泵(5)入口与柴油油箱(4)相连，柴油增压泵(5)出口与柴油调压阀(6)入口相连；柴油调压阀(6)出口与柴油流量计(7)相连，另一出口通过回油管与柴油油箱(4)相连；柴油喷射器(12)通过油管与柴油流量计(7)相连接。

6.根据权利要求5所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，机油供给系统(40)包括机油油箱(11)、机油增压泵(10)、机油调压阀(9)、机油流量计(8)；机油增压泵(10)入口与机油油箱(11)相连，机油增压泵(10)入口出口与调压阀(9)入口相连；机油调压阀(9)出口与机油流量计(8)相连，另一出口通过回油管与机油油箱(11)相连；机油喷射器(14)通过油管与机油流量计(8)相连接。

7.根据权利要求6所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，涡流板(13)上开设多组斜孔，斜孔的孔径在4-12mm，斜孔与轴心相对的倾斜角在15-75度；油气混合管段(16)前端沿周向开设喷油器插孔，插孔与轴心相对的倾斜角在10-45度，插孔数是多个，柴油喷油器(12)和机油喷油器(14)均通过斜孔与油气混合管段(16)相连。

8.根据权利要求7所述的柴油机涡轮增压器耐久可靠性测试装置，其特征在于，柴油喷油器(12)的个数为2-6个，机油喷射器(14)的个数为1-2个。