某大功率柴油机机械损失试验研究-车用发动机投稿

1、某大功率柴油机机械损失试验研究曹杰，牛军，梁永森，曲栓，高英英，梁红波，和龙（中国北方发动机研究所（天津），天津 300400）摘要：为了获得某大功率柴油机的机械损失随机油温度和转速的变化规律以及各系统机械损失组成比例，采用倒拖法进行了机械损失试验研究。试验表明，同一转速下，机油温度每升高10，平均机械损失压力减小约0.1bar；将倒拖法测得的机械损失通过Chen-Flynn模型进行修正，和油耗线法测得的平均机械损失压力进行对比，倒拖法更为准确；获得了各系统摩擦损失分配比例，活塞连杆组摩擦损失所占比例最大，活塞平均速度为11.7m/s时摩擦损失比例达65.5%。关键词：机械损失；平均机械损失压

2、力；大功率柴油机；倒拖法随着柴油机的强化水平日益提高，柴油机转速和平均有效压力的提高导致机械损失随之增大。降低柴油机机械损失，从而提高机械效率是提高柴油机性能的一个重要途径。目前，测量发动机机械效率的方法主要有倒拖法、示功图法、油耗线法和灭缸法等1，这几种测试方法各有优缺点，主要取决于测试的试验条件。本文采用倒拖法测量了某大功率柴油机的机械效率，并通过逐步分解柴油机各系统进行倒拖试验测得了燃油供油系统、配气机构、活塞连杆组等系统组件的机械损失，为柴油机的进一步强化和机械效率的提高提供了依据。1 试验条件及方法1.1 试验条件试验样机：某大功率柴油机，标定转速时的活塞平均速度11.7m/s，为探

3、索柴油机强化后机械损失情况，实际试验时将柴油机的活塞平均速度增高至14.9 m/s。电力测功机：美国GE的SKAF511电力测功机，最大倒拖转速3000rpm，最大倒拖功率515kW。机油和冷却水温度控制：采用温控系统控制油水温度。整机倒拖试验进行了三组不同油水温度试验：1）控制发动机回水温度30±5、机油进油温度30±5；2）控制发动机回水温度50±5、机油进油温度60±5；3）控制发动机回水温度75±5、机油进油温度90±5。其它系统和部件倒拖试验时控制回水温度75±5、机油进油温度90±5。1.2 试验方法1

4、.2.1 整机倒拖试验采用电力测功机倒拖柴油机运转，测控系统控制机油和冷却水的温度，采集倒拖转速和扭矩以及必要的测量参数。采集气缸压力曲线测量缸内泵气功大小。由于试验样机为空-空中冷机型，试验时未安装设备中冷器，使柴油机进气管直接与试验室环境连通，排气管经过增压器涡轮后与试验室环境连通。柴油机倒拖时为模拟燃油系统正常工作而又不使燃油喷入缸内，高压油泵出口重新连接一套高压油管和喷油器，并将喷出的燃油收集回油箱。整机倒拖功试验台架布置示意图见图1。图1 整机倒拖功试验台架布置示意图1.2.2 系统部件摩擦损失试验将可以拆除或脱开传动的系统部件逐项分解，进行倒拖试验，控制冷却水回水温度75±

5、;5、机油进油温度90±5。在整机基础上分别脱开高压油泵传动、拆除活塞连杆组、脱开配气机构传动进行倒拖试验。2 整机机械损失和机械效率2.1 机械损失的计算方法机械损失定义为整个循环缸内作用在活塞上的指示功与输出功的差，以平均压力形式定义的机械损失可表示为： （1） 式中，pmm为平均机械损失压力，pme为平均有效压力，pmi为缸内平均指示压力。其中： （2）式中，pmep为一个工作循环进气行程与排气行程缸内气体对活塞做功代数和，pmig为一个工作循环压缩行程与膨胀行程缸内气体对活塞做功代数和。将（2）带入（1）中得到： （3）倒拖试验时缸内不发火，pmig0，通过电力测功机测得的倒

6、拖扭矩计算可得到倒拖pme，采集缸内压力曲线计算得到倒拖pmep，倒拖试验测得的机械损失可表达为： （4）2.2 不同机油温度不同转速下的机械损失按照1.2.1的试验方法，测得了三种机油温度、不同转速下整机倒拖扭矩和相应工况下的缸内压力曲线，按照式（4）进行处理，得到不同油温不同转速下的整机机械损失，见表1和图2。表1 不同转速下的倒拖pmmCm/(m/s)pmm/bar机油30机油60机油904.3 1.390.990.815.3 1.501.140.926.4 1.621.281.047.5 1.771.451.189.6 2.091.791.5010.7 2.271.981.6811.7

7、 2.472.181.8812.8 2.662.372.0813.3 2.772.482.1813.9 2.882.582.2914.1 2.942.642.3514.4 3.002.692.4014.7 3.062.762.4714.9 3.122.812.53图2 不同转速下的倒拖pmm从表1可以看到：1）某一转速下，pmm随着机油温度的上升而减小，机油温度每升高10，pmm减小约0.1bar。可见机油温度对摩擦损失影响较大，机油温度上升，机油粘度减小，流动性增强，润滑充分，油膜内摩擦阻力减小，摩擦副之间摩擦功减小2。2）同一机油温度下，pmm随着转速升高大幅增加。机油温度90时，活塞平均

8、速度14.9m/s的pmm约为4.3m/s时3.2倍，相对11.7m/s时增加34.6%。可见，转速对摩擦损失影响较大，主要原因是活塞组摩擦表面的机械摩擦损失大致与活塞平均速度成正比，驱动附件的损失也随转速增加而增大，摩擦面上的惯性力载荷与转速的平方成正比3。2.3 机械损失的修正平均机械损失压力pmm与活塞平均速度vm和最高燃烧压力pmax有关。通过倒拖试验得到的pmm是在缸内较低压力状态下的平均机械损失压力，倒拖试验时缸内最高压力与正常工作状态时的缸内最高燃烧压力有很大差异。考虑到发动机正常工作时缸内最高燃烧压力对pmm的影响，采用Chen-Flynn模型4对试验得到的pmm进行修正。 （

9、5）式中，c0=0.30.5， c1=0.0040.006，c2=0.080.1，c3=0.00060.0012，pmm和pmax的单位是bar，vm的单位是m/s。整机倒拖试验时，缸内最高压力为pmax0，倒拖平均机械损失压力为： （6）整机正常工作时，缸内最高燃烧压力为pmax1，平均机械损失压力为： （7）爆压修正后的平均机械损失压力为： （8）采用Chen-Flynn模型对倒拖试验测得的90机油温度下倒拖平均机械损失压力进行爆压修正，见表2。表3所示为采用油耗线法测的平均机械损失压力。图3为采用倒拖法且进行爆压修正后得到的平均机械损失压力与油耗线法测的平均机械损失压力对比。表2 倒拖平

10、均机械损失压力及爆压修正vm（m/s）倒拖试验pmm0（bar）正常工作最高燃烧压力pmax1（bar）倒拖试验缸内最高压力pmax0（bar）爆压修正后的pmm1（bar）Chen-Flynn模型拟合pmm上限（bar）下限（bar）4.3 0.817325.8 11.091.39 0.95 5.3 0.928025.9 1.141.241.54 1.06 6.4 1.048626.6 1.281.401.71 1.18 7.5 1.1813327.0 1.611.822.12 1.47 9.6 1.5013927.3 1.952.172.40 1.68 10.7 1.6813927.7 2

11、.132.352.54 1.78 11.7 1.8813627.8 2.312.532.65 1.86 表3 油耗线法测的平均机械损失压力vm/(m/s)11.710.710.19.69.18.58.07.5pmm/bar2.582.312.111.891.751.531.341.12图3 倒拖法与油耗线法测的平均机械损失压力从图3可见，倒拖试验法测的pmm落在各转速下Chen-Flynn模型拟合的上下限内，而油耗线法部分数据落在上下限外，因此倒拖法测量pmm较油耗线法更加准确。油耗线法测定机械损失是基于指示热效率和pmm不随负荷增减变化的假设前提下进行的，对于强化程度较高的柴油机采用油耗线法

12、计算会带来较大误差。2.4 各系统部件的机械损失通过分解各系统部件进行倒拖试验，在整机基础上逐步拆除燃油泵、活塞连杆组、配气机构进行试验，将机械损失逐项相减得到图4所示的各部分机械损失随活塞平均速度的变化规律曲线，其中活塞连杆组包含活塞环组、活塞裙、连杆轴承摩擦功，余项中包含机油泵、冷却水泵、曲轴和传动齿轮摩擦功。图4 各系统平均机械损失压力随活塞平均速度的变化曲线从图4可以看到，随着活塞平均速度的提高，各系统平均机械损失压力增大。活塞平均速度的变化对各系统平均机械损失压力的影响程度不同，燃油泵和配气机构的平均机械损失压力数值较小但随转速提高线性增大，活塞连杆组的平均机械损失压力数值较大而且随

13、转速提高而大幅增加，导致整机机械损失随转速提高大幅上升。图5不同活塞平均速度下各系统平均机械损失压力的组成比例图5为不同活塞平均速度下各系统平均机械损失压力的组成比例。可以看到，配气机构功耗比例最小，而且随着转速提高比例缓慢降低，最大比例为4.9%；燃油泵功耗比例也较低，随着转速上升比例略有提高，最大比例7.5%；余项比例较大，并随着转速提高比例由17.2%上升到26.0%；活塞连杆组比例最大，虽然随着转速上升比例降低，但其比例高达63.3%75.4%。图6 活塞平均速度为11.7m/s各系统平均机械损失压力的组成比例将倒拖试验余项中的机油泵、水泵在专用台架上进行功耗测量试验，获得了发动机标定

14、转速工况下机油泵和水泵的功耗，图6为可以看到发动机标定工况下各系统的平均机械损失压力组成比例，其中活塞连杆组所占比例最大为65.5%，活塞连杆组的减摩降耗是提高整机机械效率的关键途径。3 结论（1）某一转速下，pmm随着机油温度的上升而减小，机油温度每升高10，pmm减小约0.1bar。同一机油温度下，pmm随着转速升高大幅增加，机油温度90时，活塞平均速度14.9m/s的pmm约为4.3m/s时的3.2倍，相对11.7m/s时增加34.6%。（2）强化程度较高的柴油机采用倒拖法测量平均机械损失压力较油耗线法更加准确。（3）通过倒拖试验获得了不同转速下各系统机械损失变化曲线及分配比例。随着活塞

15、平均速度的提高，各系统平均机械损失压力增大。活塞平均速度的变化对各系统平均机械损失压力的影响程度不同。各系统机械损失分配中活塞连杆组摩擦功比例最大，标定转速时活塞连杆组的平均机械损失压力所占比例为65.5%，活塞连杆组的减摩降耗是提高整机机械效率的关键途径。参考文献1周龙保.内燃机学M.第二版.北京：机械工业出版社，2005:16-292Millington B W，Hartles E R. Frictional Losses in Diesel EnginesJ.SAE Paper 680590，1968. 3杜家益.高速直喷柴油机机械损失的预测J.内燃机工程，2003，24(1)：51-5

16、44Engine Performance Application Manual. Gamma TechnologiesThe Mechanical Loss Measurement Study of One Large Power Diesel EngineCAO Jie，NIU Jun，LIANG Yong-sen，QU Shuan，GAO Ying-ying，LIANG Hong-bo，HE Long（China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300400，China）Abstract：In order to measur

17、e the mechanical loss of one large power diesel engine and the distribution ratio of mechanical loss for each system, the mechanical loss is studied experimentally by motoring test method. The effect of oil temperature and engine speed on mechanical loss is studied, the loss reduces approximately 0.

18、1 bar when the oil temperature increases per 10 at the same speed. Corrected friction loss which is obtained by motoring experiment through Chen-Flynn model, motoring test method is more accurate relative to fuel consumption line method. The distribution ratio of mechanical loss for each system is obtained by the motoring experiment，in