汽车发动机原理课件：发动机台架试验

发动机试验是考核发动机的动力性、经济性和工作可靠性以及检查整机和零部件的制造质量、可靠性和耐磨性等不可缺少的手段，也是研究、设计、制造新型发动机的一个必不可少的重要环节。发动机台架试验是将发动机与测功设备及各种测试仪器组成一个测试系统，按照规定的方法和要求(即标准)模拟发动机实际使用的各种工况所进行的试验。一、发动机台架试验标准台架试验内容十分广泛，包括新产品或强化、改进、变形、转厂生产的发动机性能及耐久可靠性试验，产品出厂前的性能调整及定期抽查试验，商业贸易中的验收试验以及各种研究性的试验等。但由于试验方法、试验条件、使用仪表、试验环境等的不同，可能使试验结果有很大差异。为了避免由此引起的争论和混乱，使试验得到客观上可比的结果，就必须规定统一的试验标准。目前，世界各国都根据各种内燃机的用途和使用条件制定了相应的试验标准，用于考核和评价内燃机主要性能指标和设计参数的合理性。我国于1974年制定了适应于一般用途的往复式内燃机(汽油机、柴油机)的«内燃机台架试验方法»(GB1105—1974)，它包括三种试验，即性能试验、耐久性和可靠性试验，出厂试验和定期抽查试验的标准。１.汽车发动机性能试验方法(GB/T18297—2001)该标准规定了汽车发动机性能台架试验方法，其中包括各种负荷下的动力性及经济性试验方法，无负荷下的起动、怠速、机械损失功率试验方法以及有关汽缸密封性的活塞漏气量及机油消耗量试验方法等，用来评定汽车发动机的性能。该标准适用于轿车、载货汽车及其他陆用车辆的发动机，不适用于摩托车及拖拉机用发动机。２.汽车发动机可靠性试验方法(GB/T19055—2003)该标准规定了汽车发动机在台架上整机的一般可靠性试验方法，其中包括负荷试验规范(如交变负荷、混合负荷和全速全负荷)、冷热冲击试验规范及可靠性评定方法，适用于乘用车、商用车的水冷发动机，不适用于摩托车及拖拉机用发动机，可作为发动机制造厂和汽车制造厂之间交往的技术依据。３.汽车发动机定型试验规程(JB3745—1984)凡新设计或重大改进的汽车发动机在投入生产准备前，必须按该规程进行定型试验，考核其性能、可靠性和耐久性是否达到经主管部门批准的设计任务书的要求，为发动机定型提供主要依据。二、发动机试验台架装置发动机试验台要保证试验条件达到标准要求，并能迅速、准确测录发动机各项工作参数。典型发动机试验台架的组成及布置简图如图6-3所示。它主要包括以下几部分。１.试验台架它是将待测发动机与测功器用联轴器连接，并固定于坚实、防振的水泥基础上，基础振幅一般不得大于0.05~0.1mm。安装发动机的铸铁支架和底板常做成可调节高度和位置的形式，以便迅速拆装和对中。２.辅助系统发动机试验台架要能够正常、安全使用，必须配置一些辅助系统。例如，为了保持发动机工作时冷却液温度不变，必须有专门可调水量的冷却系统，燃料应由专用油箱通过油量测量装置供给发动机的燃料供给系统，又如，发动机排出的是高温有毒气体，排气噪声又是主要噪声源，故试验室内须有特殊的通风装置，废气要经消声地坑排出等。３.各种测量仪器、仪表及操纵台随着发动机研究工作的深入和发展，对试验设备和手段提出更高的要求，通常要求测试精度高、测量和记录速度快、能同时测量与储存大量数据并能对数据进行处理和分析等。发动机试验台架安装的设备和仪器大致分为三类:基本设备、监测仪器、特殊设备。基本设备包括测功器、转速表和油耗测量装置，目前，台架试验越来越多地采用自动控制系统。如AVL公司的PUMA系统、申克公司的X－MOT系统、西门子公司的CATS系统都是产品化的计算机控制的测试系统，这些系统对试验台架进行控制和数据采集，同时也将相关数据传送给用户网络系统的上位计算机系统，自动完成主要参数监控、试验结果显示、曲线拟合、测点配置等工作，提高了测量的精度和速度。三、有效功率的测量有效功率是发动机最重要的性能参数之一，在发动机试验参数中大都需要测量有效功率。发动机有效功率的测定属于间接测量，即测定发动机的输出转矩和转速后，由公式Pe=Ttpn/9550求出功率。发动机在台架试验中通常用测功器来测量发动机输出的转矩。测功器是用来吸收试验发动机发出的功，改变其负荷及转速，模拟实际使用的各种工况。常用测功器有水力测功器、直流电力测功器和电涡流测功器三种。１.水力测功器１)水力测功器的结构与工作原理我国第一代水力测功器主要是传统的销钉式和闸套式。第二代水力测功器吸收了上述测功器的特点，采用国际上流行的体积小、转动惯量小、吸收功率大的蜗壳结构。图6-4为PSI-22型水力测功器的外形示意图。测功器由制动器和测力机构两部分组成。制动器结构如图6-5所示，转子12由滚动轴承支承于左右轴承外壳10上。外壳13可来回摆动，并与测力机构(图中未画出)通过一制动臂相连。转子12和定子11组成偶件，工作时发动机通过万向节4使转子与定子产生相对运动。有一定压力的水通过进水管进入转子与定子形成的涡壳室，由于转子旋转所产生的离心力及转子涡壳的作用，在侧壳与转子之间形成强烈的水涡流，通过水与外壳的摩擦，使外壳摆动。控制排水阀门开度可以调节水层厚度，水层越厚，水与转子和外壳的摩擦力矩越大，吸收功越多，此时外壳摆动的角度也越大，测力机构的读数随之增加。这样，发动机输出的机械能被水吸收变为热能并将转矩传递到外壳上，通过外壳上的制动臂将制动力传递给拉压传感器，经电子显示装置显示制动力的大小。在转子轴两端锥部安装有联轴器(万向节4)，其中一侧装有测速齿轮15，通过测速传感器16，转子轴转速可在数字显示表上显示出来。２)水力测功器的特性测功器特性是指测功器吸收的功率或转矩随转速变化的关系。它是选购合适的水力测功器的依据。PSI-22型水力测功器特性如图6-6所示OA——最大功率线。表示不同转速、满水层时能吸收的功率，它是转速的三次方曲线。水力测功器轴上的转矩与转速的平方成正比。显然，在OA线上以A点工作时转子承受的转矩最大，A点表示了转矩已达到转子转矩强度所允许的限值转矩。AB———最大转矩线。表示在极限转矩下，增加转速来增加吸收的功率。此时需要相应减少测功器的水层厚度。BC——额定功率线。表示受测功器排水温度限制的限制功率。水力测功器吸收的功率越大，其排水温度越高，测功器的最高排水温度不得超过７０℃。否则，水层中会产生气泡，使测功器指针不稳定。BC段内的水层厚度会进一步减少。CD——最大允许转速线。如果转速再加大，旋转部件的离心惯性力过大，可能引起损坏。DO——空载特性线。表示测功器中没有水时，空转所吸收的功率。这部分功率用于克服转动的空气阻力和转子轴承的摩擦阻力。图形OABCDO所包围的面积是测功器的工作范围。若被测发动机的功率曲线在所选测功器的特性曲线范围内，则可进行试验。不同型号的水力测功器有不同的特性范围，应根据被测发动机与测功器的匹配情况，选用合适的水力测功器。２.直流电力测功器１)直流电力测功器的结构及工作原理直流电力测功器大都制成如图6-7所示的平衡电机式结构，主要由平衡电机、测力机构、交流机组、激磁机组、负载电阻等组成。直流电机转子1由发动机带动并在定子(外壳)磁场中旋转。定子(外壳)支承在与转子轴同心的滚动轴承上，可自由摆动。外壳与测力机构相连，根据外壳摆动角度的大小，由测力机构指示力矩数值。发动机带动转子在定子磁场中旋转时，转子线圈切割磁力线而产生感应电流。感应电流的磁场与定子磁场相互作用产生方向相反的电磁力矩，定子外壳受到的电磁力矩与转子旋转方向相同，与发动机加于转子的转矩大小相等。因此，外壳摆动角度经测力机构可反映发动机输出功率的大小。在一定转速下，改变定子磁场强度及负载电阻即可调节负荷大小。平衡电机既可作为发电机运行，吸收发动机转矩，也可加一换向机构作为电动机运行而拖动发动机，从而测量发动机的摩擦功率和机械损失，还可起动、磨合。交流机组由交流异步电机和直流电机组成。当平衡电机作为发电机运行时，其发出的直流电由交流机组变成三相交流电输入电网，当其作为电动机运行时，交流机组又把三相交流电变成直流电进入平衡电机的电枢中。激磁机组是小型交流机组，它供给平衡电机及交流机组激磁电流以产生磁场。平衡式电力测功器结构复杂，价格昂贵，但它可回收电能，反拖发动机，且工作灵敏、精度高，因此也得到广泛应用。２)直流电力测功器的特性测功电机所吸收的功率与定子磁场强度的平方及转速的平方成正比，与负荷电阻成反比。如图6-8是典型的电力测功器特性曲线。OA——最大激磁电流时所能吸收的功率。AB——转子所能承受最大转矩时的功率。BC——电枢所产生的电流不能超过允许限值及其对应的最大功率。CD——转子绕组所能承受的离心力及其对应的最高转速。DO——激磁电流为零时吸收的功率。３.电涡流测功器１)电涡流测功器的结构与工作原理电涡流测功器是利用涡电流效应将被测发动机的机械能转变为电能，继而又转为热能的过程。它由电涡流制动器、测力机构及控制柜组成。电涡流制动器工作原理简图如图6-9所示，转子盘为圆周上加工有齿槽的钢齿轮，定子包括摆动壳体、涡流环(摆动体)、励磁线圈。当给励磁线圈中通以直流电时，即产生通过外壳、涡流环、空气隙和转子盘的磁力线。发动机带动转子盘旋转。由于转子盘外周涡流槽的存在，会在空气隙处产生密度交变的磁力线，因而在涡流环内产生感应电动势而形成涡电流。此电流与产生的磁场相互作用即形成一定的电磁力矩，从而使涡流环(摆动体)偏转一定角度，由测力机构可测出力矩数值。调节励磁电流的大小，可调节电涡流强度，从而调节吸收负荷的能力。涡流制动器把吸收的功率转换成热能，靠冷却水的流动把这些热量带走，以保证正常运行。２)电涡流测功器的特性电涡流测功器的特性曲线如图6-10所示。OA———达到额定吸收功率之前所能够吸收的最大功率线。AB———所允许吸收的最大功率线(额定功率)。BC———允许的最高转速线。CO———空转吸收功率线，即励磁电流为零时的吸收功率线。OD———达到额定功率前的最大转矩曲线。DE———允许的最大转矩曲线。n0———达到额定吸收功率时的转速。图中曲线OABCO所包括的范围就是测功器所能吸收的功率范围。因此，凡是发动机的特性曲线落在该范围内的都能被测试。选用测功器必须首先根据发动机的特性曲线按以上原则进行，其次还要考虑测量范围的合理选择以保证测量精度。图6-10中曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为3种不同发动机的特性曲线，曲线Ⅱ发动机的选用是正确的，曲线Ⅰ、Ⅲ发动机的选用是不合适的，该测功器无法测试。四、燃油消耗率的测量燃油消耗率是发动机的重要参数之一。在发动机试验室中，通过测定发动机的燃油消耗量，可根据公式计算得到发动机的燃油消耗率。油耗仪是测量发动机燃油消耗量的仪器或装置，也称为燃油流量计。它有各种不同的类型和结构式样，适用于不同的目的和要求。燃油消耗量的测量方法按测量原理可分为容积法和质量法。１.容积法容积法是通过测定消耗一定容积VT(ml)的燃油所需的时间t(s)，然后按下式算出:式中:ρf——燃油密度，g/ml；Pe——消耗容积为VT的燃油时，测得的发动机有效功率，kW；B——小时耗油量，kg/h；be——燃油消耗率，g/(kW·h)。其装置示意图如图6-11所示。试验时操作如下:(１)打开油箱开关，三通阀处于位置Ａ，发动机由油箱供油。(２)测量前将三通阀旋至位置Ｂ，油箱同时向发动机和量瓶供油，直到量瓶油面高于选定圆球容积的刻线，将三通阀仍置于位置Ａ等待测量。(３)测量开始时，将三通阀旋至位置C，发动机直接由量瓶供油，量瓶油面下降，记录燃油流过所选圆球上下部刻线间容积VT所用时间t，同时测量功率Pe。(４)测量完毕，将三通阀旋至位置Ｂ，量瓶再次充满燃油，准备下一次测量。２.质量法质量法是通过测量消耗一定质量ｍ的燃油所花费的时间t，然后按下式计算:式中:t——消耗m(g)燃油所需时间，s；Pe———消耗m(g)燃油时测量的有效功率，kW；B———小时耗油量，kg/h；be———燃油消耗率，g/(kW·h)。其装置示意图如图6-12所示。测量方法基本同前。为了保证测量精度，减轻测试人员的劳动强度，实现远距离操作，发展了数字式自动油耗测量仪，这种油耗仪只要预先设定量甁容积或砝码质量，油耗仪能自动进行准备、充油、测量等操作，并以数字显示出消耗时间及燃油容积或质量，经计算就可得出燃油消耗率。五、功率标定与大气校正１.功率标定发动机的功率标定，是指制造厂商根据发动机的用途规定该机在标准大气条件下输出的有效功率及对应的转速，即标定功率和标定转速。它们通常在发动机铭牌上标明。国家标准规定的功率标定可分为以下四种:(１)15min功率。发动机可连续运转15min仍保持正常状态的最大有效功率。例如，汽车、摩托车、摩托艇等发动机使用最大有效功率的时间很短暂，故应用15min功率进行功率标定，以获得更好的动力性。(２)1h功率。发动机可正常连续运转1h的最大有效功率。例如，适用于有较长时间连续重载工作的拖拉机、工程机械、船舶等发动机的功率标定。(３)12h功率。发动机可正常连续运转12h的最大有效功率。例如，适用于有更长时间连续重载工作的拖拉机、农业排灌、电站等发动机的功率标定。(４)持续功率。发动机允许长期连续运转的最大有效功率。例如，适用于日夜连续重载运行的远洋船舶、铁路牵引、农业排灌以及电站等发动机的功率标定。可见，发动机的功率标定一方面应考虑发动机自身的潜力，保证其正常工作的可靠性和寿命，另一方面更要考虑实际用途和使用特点。最大有效功率的使用时间越短和频率越低，则最大有效功率可标定的越高。２.大气校正大气状况是指发动机运行地点的环境大气压力、大气温度和相对湿度。当大气压力降低、大气温度升高和相对湿度增大时，吸入汽缸的干空气量都要降低，所以发动机所能发出的有效功率会减少，其他参数也会变化。因而从制造和使用两方面来考虑，都需要规定一个标准进气状态并对大气状况对发动机运行产生的影响进行校正。从制造方面来考虑，为了使功率标定不至于混乱，产品质量有统一的检验标准，同时也为了比较和选用发动机方便，需要规定一种标准大气状况，并且还应有一种办法，把在不同大气状况下试验所得的结果换算成标准大气状况下的数值。而从使用方面来考虑，同一台发动机由于在不同大气状况下使用，其性能差别很大。例如在高原地区和高温湿热地区，发动机不能按正常所能发出的有效功率工作，必须降低功率使用，否则必然造成发动机的损坏。汽车发动机的标准进气状态规定为:进气温度T为298K(25℃)；进气总压p为100kPa

(其中:干空气分压ps为99kPa，水蒸气分压为1kPa)。并且规定测试时的大气状态应在如下范围:点燃式发动机大气温度288K≤T≤313K干空气分压80kPa≤ps≤110kPa