图1  发动机试验室能量分布

经过不断的技术探索与进步，结合自身研发实际，奇瑞汽车建成了国内先进的发动机试验室，实现了良好的试验室环境控制，为发动机的进一步研发奠定了坚实的基础。

汽车研发技术的发展在很大程度上取决于试验技术的发展。

随着试验标准对试验环境的要求越来越高，大气参数对发动机性能的种种影响和各类试验标准的功率校正系数的局限性也越来越大，加之各项试验需要在人工模拟的标准大气状态下进行以保证试验结果的准确性、同一性和可比性，越来越多的试验也对整车环境温度、湿度、气压甚至日照强度都提出了要求，因此，试验室的环境控制就成为了试验开发技术不断发展和提高的关键因素之一，也是发动机试验室和整车室内试验室现代化的标志之一。

试验室的环境控制主要是通过通风系统和进/排气系统等控制整个试验室工作区域的温度、空气质量、空气压力等环境条件，保证试验数据的准确性。本文将主要就这几个方面详细探讨发动机试验室的环境控制。

图2  通风系统布置

通风系统

试验室通风系统的作用是把发动机台架室内发动机辐射出来的热量和泄漏的废气排出室外，使观察室内空气的温度和废气浓度保持在规定的范围内。

由于发动机台架室的热源——发动机燃烧散热，散发的热量随试验负荷变化很大，如果准确计算比较困难，同时由于发动机排出的有害气体对环境和人体都有不良影响，因此，对发动机试验室的通风设计提出了更高的要求。

图3  理想状态空调系统

1、发动机试验室能量分布

发动机台架室中发动机的散热占主要地位。由于试验工况的变化和种类的不同，其散热量的变化很大，一般以试验机的最大功率为依据确定发动机的散热。（在设计过程中，考虑的发动机的品种较多，也可根据台架所选用的测功机的最大吸收功率作为计算依据），根据有关资料和经验计算，我们得出了如图1所示的发动机试验室内能量分布图。

从图1中可以看出，发动机冷却水和测功机吸收的能量均由循环水系统或通过电能反馈带走，而散发到某个台架室的热量占燃料燃烧热量的40%，约为发动机功率的130%，这是进行通风系统设计的重要依据。

图4  发动机进气调节系统

2、通风量的确定

通常按照满足最小换气次数和带走散发到室内的热量来确定风量。按常规的设计标准，通风换气次数为10～15次/h，但实际中这个频次远远不能满足散热量的要求，通常根据下列关系进行设计计算：

G＝0.825q/（T2-T1）

N=3600G/V

式中，G：体积流量（m3/s）

N：换气次数（次/ h）

q：热流量（W）

T2：当地夏季最高温度（K）

T1：发动机试验的国家和有关标准确定的室内温度（K）

V：台架室的空间容积（m3）。

图5  典型发动机试验通风系统

3、通风方式的选择

通风方式可以采用所有试验台共用一个通风系统、几个试验台共用一个通风系统或者每个台架各有独立的通风系统三种方式，但前两种方式的控制系统比较复杂，系统会出现故障或存在安全性问题，从而影响到其他台架的正常使用，一般适合规模较小的试验室。如图2所示，每个台架各有独立的通风系统，由于各个系统互不干扰，容易实现控制和调节，同时也比较节约能源。

台架试验时会产生有害气体和不洁气体，因此采用直流通风比较合适，有利于室内空气的清洁。直流空气尽可能直接导向发动机的轴线，有利于发动机的冷却。

目前，发动机试验室的通风有两种方式：

□ 非空调系统——自然风直送直排；

□ 空调系统——系统根据室内温度的要求，进行调节，并补充必要的新风，即全室空调系统。

以上两种通风方式在试验标准要求上并没有严格要求，能够采用全室空调系统，对改善环境温度和提高数据的一致性是有一定裨益的，但一些大型汽车公司发动机试验室的资料表明，全室空调系统也不是完全必要的。如果采用全室空调系统，则必须将室内空气进行内循环，一般要求达到10000m3/h以上，并且要补充15%左右的新风，能耗非常大，同时，由于循环冷却会使室内的空气受到污染，对试验人员及工作人员都是不利的。

另外，由于发动机工况变化较大，通风系统的风量变化较频繁，根据发动机试验标准，对室内的气压和温度有所要求，因此需要对室内的空气参数进行控制以达到一定范围的平衡。一般通过对风机进行分级调速的方式降低能耗。

表1  不同通风系统布置方式比较

由于台架室和试验人员观察室的要求不同，同时考虑到人员工作的舒适性和测试仪器的要求，观察室的空调通风系统以及台架室的通风系统可以分开。观察室的空调通风系统可以按照一般工厂办公室设计规范执行。

4、通风系统的布置

按照不同的试验室工艺，送排风系统有三种布置方式：上送下排、下送上排和上送上排。

进、排气系统

试验室内通风系统主要是控制整个工作区域环境、区域温度和区域空气质量，而发动机的进、排气系统将直接关系到试验数据的准确性。

1、进气调节系统的必要性

根据有关资料，1台4缸自然吸气柴油机连同燃油，置于温度、压力可调的封闭试验室内，试验齿条位置不变，通过调节温度、压力，大气参数对发动机性能的影响如下：

□ 当进气温度在-20℃～40℃范围内变化，每上升20℃，发动机功率下降6％，燃油消耗下降1％，最大气缸压力下降7％，空燃比下降1％，排气温度上升15％；

□ 海拔在0m和2000m时，功率下降10％，燃油喷入量减少1.5％，空燃比降低21％，烟度增加3个波许值，排气温度升高110℃；

2、功率校正公式的局限性

因为大气参数对发动机性能影响很大，造成了在不同大气参数下同一台发动机在同一工况下的试验结果有不容忽视的差异，为了统一比较标准，国内外规定了“标准进气状态”（表2）。

表2 《GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法》规定发动机标准进气状态

□ 发动机性能参数的修正

根据《GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法》规定，车用发动机净功率采用以下公式修正

Peo=α×Pe

式中，Peo：校正功率（标准大气状态下的功率）

α：校正系数（汽油机用αa，柴油机用αd）

Pe：实测功率（试验功率）。

标准大气状态是指大气温度25℃、大气压100kPa、相对湿度60％。

对于空燃比不变、电控点燃式汽油机，可用下式求得校正系数αa：

αa＝（99/Pd）1.2×（T/298）0.6

式中，Pd＝P－Pw

P：进气总压（kPa）

Pw：水蒸气分压（kPa）

Pd：进气干空气压（kPa）。

功率校正公式存在几方面的局限性：

（1）校正公式的成立以及准确度建立在一定的前提之上，如假定空燃比一定或燃料喷射量一定，假定燃烧过程不变；

（2）各种功率校正公式都规定了使用范围。如汽油机功率校正系数仅用于汽油机全负荷的工况等；

（3）由于设计结构及有关参数的差异乃至实际存在的加工和装配上的差异，使不同型号的每台发动机对大气参数的敏感性都有不同程度的差异。

表3  风量平衡表

□  进气空调系统形式

（1）理想形式

图3的这种方案是将整台被试发动机连同燃油供应系统、冷却系统置于密闭的绝热试验间内，试验间内的环境温度、压力、湿度有专门的空调系统保证，使之置于标准状态。这种方式需要投入大量的设备资金和运行时的能耗，一般来说适合于专业研发发动机部门和特种试验的需要。

（2）模拟系统

图4所示，在这种方式中，仅仅调节控制发动机进气（燃烧空气）的温度、压力、湿度和排气压力，使其置于标准状态，而发动机则置于试验间非标状态的大气中。

理由如下：

（1）除进排气及燃油供应系统外，发动机工作时并无其他系统与大气相通；

（2）燃油供应系统温度——可由燃油温控装置给予实现；

（3）曲轴箱通风——现代发动机均采用强制曲轴箱通风，与大气环境无关；

（4）发动机冷却液及润滑油温度——可由冷却液温控和机油温控装置给予实现；

（5）发动机机体散热——综上所述，试验室内通风系统已经充分考虑到发动机散热，室内大气状态本身也不会对发动机性能造成影响，而事实上，任何车上发动机的状态和室内台架相比，其散热条件均没有在台架上容易实现；

（6）排气系统——排气环境的温度对发动机性能毫无影响，只要通过室内发动机排气控制排气背压即可。

□ 进气空调系统技术指标的确定

（1）进气量

Q≥（120VH.n）/1000i

式中，Q：进气量（m3/h）；

VH：发动机总排量；

n：发动机转速（r/min）；

i：冲程系数，二冲程，i＝2;四冲程：i＝4。

（2）控制精度

由于工程实践中误差的存在是绝对的，考虑到试验标准《GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法》的要求，以及使用精度和工艺设备的可行性：

气温控制精度：298K±2K；

干空气压精度：99kPa±0.4kPa；

水蒸气分压精度：

1

用汽油机功率校正系数检验工程上的能接受的给定公差范围对系统性能的影响得到：

αamax＝1.014

αamin＝0.989

上述计算结果表明，按工艺要求在调控误差最大的情况下，αa＝0.989～1.014之间，比规定的αa的使用范围0.93～1.07缩小了。如果将气压控制在±0.2kPa，温度控制在±2K，系统提供的进气校正系数为αa＝1.000＋0.006－0.009。可见供气参数误差及其影响非常微小，可以认为系统提供的空气就是标准大气，可以不用使用校正公式。

3、供气状态适应性要求

□ 气象适应性

系统应满足当地一年四季气温、气压、湿度变化条件下提供标准状态的发动机进气，应查取当地大气最高比焓值，以准确地设计估算系统冷动力，查取当地大气最低比焓值，以合理估算系统热动力。

□ 用气量跃变适应性

要考虑到进气系统供应的台架数量，工况变化。

□ 开机的稳定时间

要合理制定开机稳定时间，可以利用台架预热和准备时间作为进气空调系统的稳定时间。

4、发动机排气通风

对于发动机排风，目前一般采用独立的排风系统，用专用的排气风管，发动机的排气管尾端对着风口即可，设计时只要不使发动机排气混入到台架室内，一般排风机的抽风量略大于发动机排烟量。

实际应用案例

图5所示，某发动机试验室为三层建筑物结构，楼上为空调与冷冻机组房，中间为试验室，地下室为试验设备基础。