汽车发动机试验学.ppt

1、内燃机试验学主讲教师：钱叶剑动力机械及工程系,教学大纲 (1),一、课程目的与任务 内燃机试验与测量是内燃机领域中科学研究不可缺少的重要手段，是获取内燃机各种特性、深入研究内燃机工作过程内在规律的重要保障。本课程是在学完热力发动机基础、内燃机原理、内燃机设计、热能与动力机械测试技术等课程之后开设的。 目的是使学生了解内燃机试验与测量的地位和作用，系统地掌握该课程的基础知识，为将来从事内燃机产品的开发、设计、制造和试验打下良好的基础。 任务是使学生掌握试验设计与数据整理方法，了解内燃机实验室及其试验装置，主要性能参数的测量方法和国家标准，测试系统和测量仪器的工作原理。,教学大纲 (2),二、课程

2、的基本要求 通过本课程的学习，学生应熟悉内燃机实验室及其试验装置，试验设计与数据整理的方法，气缸动态压力的测量方法，转速和功率的测量方法，示功图测录过程中的影响因素和可能产生的误差，排气成分测量的试验规范和相关的国家标准。通过试验，掌握内燃机常规性能实验和专项实验的方法、步骤和常规测试仪器的使用技术。,教学大纲 (3),三、与其它课程的联系和分工 本课程是热能与动力工程专业热力发动机模块中的主要专业选修课之一。其先修专业课程为热力发动机、内燃机原理、热能与动力机械测试技术等，平行专业选修课程为其他各门专业选修课。 热力发动机基础课程为本课程提供了热力发动机的结构基础知识，内燃机原理课程为本课程

3、提供了内燃机基本理论。而本课程则是以内燃机主要性能参数的测量方法和测试仪器的工作原理为主要研究对象，是热力发动机模块中专业选修课的重要组成部分。,教学大纲 (4),四、课程的内容与学时分配,选用教材： 汽车发动机试验学教程，黄海燕主编，清华大学出版社 主要参考书： 汽车发动机试验，胡朝龙编著，重庆大学出版社 内燃机测试技术，严兆大主编，浙江大学出版社 热能与动力机械测试技术，严兆大主编，机械工业出版社,第一章 概论,本章主要介绍汽车发动机试验学的目的和意义、发动机试验的种类以及如何组织发动机试验过程和发动机试验标准。 主要内容包括： 第一节 汽车发动机试验教学的目的和意义 第二节 汽车发动机试

4、验类别 第三节 汽车发动机试验的组织和实施 第四节 汽车发动机试验标准,第一节 汽车发动机试验教学的目的和意义,随着我国汽车工业的发展，排气污染防治、发动机电子控制等新技术的引入以及各种法规、标准、鉴定程序的完善，汽车发动机试验技术和方法是汽车工程领域技术人员的必备知识，不仅是对理论的单纯验证，而是真正了解和掌握汽车先进技术并实现技术创新的必要手段。汽车发动机试验教学的目的和意义有： 一、发动机试验是汽车专业人才培养的重要实践教学环节 汽车发动机原理和规律是广大科技人员和工程技术人员大量实践和经验的总结，具有极强的实践性质。发动机试验教学可使学生进一步全面了解复杂的发动机，并培养学生根据所学知

5、识来综合分析和解决实践中遇到的各种问题的能力。,二、发动机试验技术和方法是其生产、技术开发的必备知识。 发动机的零部件多，使用条件复杂，对性能、寿命、质量和成本等方面的要求高。而影响汽车发动机质量和性能的因素又很多，涉及的技术领域广泛。因此，无论是新设计、开发的产品还是生产中的产品，即使在设计和制造上考虑充分，也必须经过试验来检验：设计思想是否正确；设计意图是否实现；设计的产品性能是否符合使用要求。 另外，发动机应用范围广泛，使用条件多变，因此，准确确定发动机在各种条件及工况下的各种性能具有重要意义。 三、试验技术与设备是发动机研发创新和理论发展的必备手段。 发动机技术的创新和新产品研发离不开

6、先进的试验测试技术。随着汽车工业的发展，人们对发动机提出了更高的要求，这就对试验标准、试验技术和设备提出了更高的要求。同时为了提高发动机各类参数的测量精度，也需要先进的发动机试验技术。,第二节 汽车发动机试验类别,一、汽车发动机试验类别 按其试验目的和试验对象进行分类，可分为 (1) 产品试验 目的是检查发动机产品的质量， 包括产品出厂试验、定期抽查试验及大修后的性能测试。特点是试验的产品固定、试验项目固定、测试方法和参数变化少，要求测试设备可靠，能适应长期运转的需要。 (2) 新产品性能评定和标定试验 性能评定试验的目的是对新产品或经重大改进的发动机在其研发过程中进行局部的或全面的性能测试，

7、以考核其性能指标是否达到设计或改进的要求。,性能测试主要在试验台架上进行，是用科学的试验方法揭示发动机内部的变化规律，找出提高其动力性、经济性、可靠性、耐久性和运转形等各种性能的途径，以满足整车对发动机的要求。性能测试主要包括起动、负荷特性、速度特性、怠速特性、机械效率、各缸工作均匀性试验以及标定工况、怠速下的稳定性试验。 可靠性和耐久性试验也是性能试验，耐久性试验时间长，工作量大，目的是考核新产品或经过重大改进的发动机的可靠性、耐久性以及其性能指标的稳定性等。 新产品的标定试验是指发动机在开发各阶段对样机个工况的性能指标及可调参数的标定。发动机在特定环境的性能测试，如全天候、高原地区、噪声等

8、特定试验。,(3) 科学研究专项试验 为了研究、改进发动机的性能或科研探索所组织的专题试验。 以上各类试验，除单项专题研究试验可参照各种标准自行拟定试验规范和方法外，其他试验应按国家标准进行。 (4) 教学与培训试验 目的是让被培训者掌握汽车发动机性能测试的基本方法，了解测试需要的基本的硬件和软件条件及其原理，初步学会试验方案设计，试验数据处理、误差及试验结果分析等技能。针对不同的对象(学生或企业人员)有特定的要求。高校学生除了上述基本要求外，还要求学习和参与某些力所能及的新产品开发和单项试验，以扩展思路，能综合运用所学知识分析试验中观察到的现象及发现的问题，提出解决方案，以达到具有初步的科研

9、和开发试验的能力。,第三节 汽车发动机试验的组织与实施,一、试验前的准备 (1) 制定试验大纲 试验大纲是指导试验的重要技术文件，根据试验目的的不同，试验大纲编制的侧重点也有不同。试验大纲包括：试验目标、试验对象和试验内容、试验项目和测量参数、试验设备、试验条件、试验技术、方法和试验设计、试验数据的处理、误差分析。 试验误差来源于仪器误差、环境误差、方法误差、人员误差。 (2) 试验设备、试验仪器配备和标定 (3) 人员配备和记录表格准备,(4) 安全措施准备 (5) 试验前后的操作规程 二、试验过程 试验过程包括四个阶段：起动预热、工况检测、采样读数和校核数据。 三、试验总结与分析 试验完成

10、后的总结工作包括：对试验中观察到的现象和发现的问题进行定性分析研究；对测得数据进行处理，获取必要的信息和参数，确定实测性能指标和参数间的关系；争取对试验数据和资料进一步归纳上升到理论高度，得出规律；最后对试验作出评价和结论，写出试验报告。,(1) 数据处理 试验总结阶段中，试验数据的处理是重要的一项内容，要求对测量所获得的一系列数据进行深入分析，以便得到各参数之间的关系，甚至用数学解析方法，导出个参数之间的函数关系。 (2) 试验报告 试验报告的内容包括：试验任务来源；试验目的；试验对象；试验条件描述，如环境条件、测试工况等；试验方案设计与试验方法；测试系统仪器选配；传感器定度；数据处理方法、

11、处理结果与误差范围；实验结果分析；结论；存在问题和进一步的改进意见；附录，如典型试验记录曲线、数据处理结果表、试验规律曲线和相关照片等。,第四节 汽车发动机试验标准,一、标准概述 试验标准不同一般性的试验方法，具有一定的权威性、通用性、先进性和相对稳定性，是衡量发动机产品质量和各项工作的依据。 1. 按管理级别和适用范围可分为国际标准、国家标准、地方标准、行业标准和企业标准。 (1) 国际标准 国际标准时国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU)制定的标准，以及国际标准化组织确认并公布的其他国际组织制定的标准。中国于1978年加入ISO。,(2) 国家标准和地方

12、标准 国家标准和地方标准是各国或各地区依据国情、区情而制定的适用于本国和本地区的标准。我国国家标准简称GB，美国国家标准协会制定的美国标准，简称ANSI，日本的国家标准简称JIS。 (3) 行业标准 它是在全国某个行业范围内统一的技术标准。在我国它有国务院行政主管部门制定并报国务院标准化行政主管部门备案。它是为规范本行业所辖各部门产品试验方法而制定的。我国汽车行业标准简称QC，交通部门标准为JT，美国的SAE标准，日本的JASO标准。,(4)企业标准 企业标准是指各汽车发动机生产企业，根据自身特点，参考相应国际、国家标准而制定的标准，只限本企业内适用。一般严于国家或国际标准。 2. 按标准属性

13、可分为强制向标准和推荐性标准。 (1) 强制性标准 它是为了保障人身健康、安全、保护环境和节约能源而制定的强制性标准，这类标准一般称为法规，必须执行。,(2) 推荐性试验标准 强制性标准以外的标准属推荐性标准，在我国，凡是标准代号带有T的，均为推荐性标准。国家鼓励企业自愿采用，推荐性标准一旦纳入指令性文件，将具有相应的行政约束力。 二、试验时对发动机附件的要求 标准中对发动机在进行各项试验时所带的附件进行了规定。另外，还有如下规定 1) 凡属维持发动机工作的附件一律带上。 2) 凡不是为发动机本身服务且是外加负载的附件一律不带。,第二章 发动机试验装置和试验台,本文所述内燃机试验是在发动机台架

14、实验室内进行，试验时，通常将发动机与测功器连接起来，将它们固定在试验台上，然后装上各种测试仪表，按规定的方法和要求，尽量模拟发动机在实际使用下的各种工况进行试验。 试验系统由试验测试系统和实验室环境系统组成，测试系统包括测功机、试验台、燃料消耗量测量系统、冷却水供给系统、空气消耗量测量系统、控制系统及数据采集系统；环境系统包括通风系统、进排气系统和消声及隔声系统。,第一节 试验室测量系统,一、试验台 1. 组成 试验台主要有基础、底板和支架组成。基础由钢筋混凝土制成，用来固定测功机和带槽底板。测试用发动机通过可以调节对中的支架固定在底板上。支架用来支撑测试发动机，可以调整高度，并具有一定的减震

15、作用。,2. 要求 1) 发动机工作时振动较大，为防止这些振动传给四周地面和建筑物，基础必须具有足够的质量，并与地基及四周用隔振垫层隔离开，隔振垫层可以用表面涂有沥青的软木或其它富有弹性的材料。试验台基础所允许的最大振幅没有明确规定，但力求不超过0.1mm。 2) 测功机不宜与发动机台架安装在同一块底板上，防止发动机的振动对测功机测力机构和磅秤表盘造成有害影响。,3) 测功机底板可以用铸铁铸造或用槽钢焊接组成，铸铁底板的工作面一般都加工出几道T型常长槽，四周铸出集水/油槽沟，将它装到基础上时要校准水平并于基础中预先浇入的螺钉牢牢固定。槽钢焊接组成的底板，其槽钢与基础连接的地脚螺钉应该在浇基础水

16、泥前事先焊接，拼焊槽钢时需用夹具固定，以保证槽钢之间的平行度。 4) 测试发动机与测功器连接方式，一般采用弹性联轴器或万向联轴节。弹性联轴器连接，两轴的允许偏心量不超过0.2mm；万向联轴节连接时两轴中心线的允许偏差宽，较长且不平衡，不适合高速传动。,二、燃料消耗量测量装置 测量燃油消耗量的方法可分为稳态测量和瞬态测量，稳态测量包括容积法和质量法，动态测试可采用科里奥利质量流量计，整车转鼓试验时采用尾气碳平衡法。 1) 容积法 使用葫芦形玻璃量瓶，用连通管与燃料箱相通，中间装一个三通阀进行转换。如果已知两瓶上刻线A和下刻线B之间的容积，则测定燃料液面有A下降到B所需的时间，即可按下式求出单位时

17、间的燃料消耗量。 其中G为燃料消耗量(kg/h)；V为量瓶两刻线之间的容积(mL)；为燃料的密度；t为液面通过两刻线之间所需的时间。,需要注意的是：量瓶容积随发动机功率和运转工况而有所不同，使测定的时间大致为30-60s。量瓶刻线部分作得较细，可以使液面通过该部分的速度加大，使测定比较正确。 2) 重量法 实质是测定消耗一定量燃料的时间。测定方法的基本原理时：首先油箱的燃料分别供给发动机和测量用油杯，直到天平上油杯中的燃油质量大于砝码；然后，转动三通阀，发动机的燃料由油杯供给，随着油杯中燃料的减少，砝码和油杯重量逐渐趋向平衡，在平衡的瞬间，开始计时，并去掉重量为的砝码；最后，当油杯重量与砝码平

18、衡时，时间测定结束，并将三通阀转回原位。这样就测出了消耗重量为的燃油时间，进而可按下式计算单位时间燃料消耗量。,G为燃料消耗量(kg/h)；为燃料重量(g)；t为测定时间(s) 需要注意的是：容积法和重量法测定燃料消耗量时关键是时间的测定，若以人工操作来测定时间，会引入人为误差，其大小决定于操作者的熟练程度。 容积法自动测量燃料消耗装置是利用在刻线A、B两处各装上一组光电系统，利用燃料对光线的光折作用产生光电信号，并用电磁三通阀实现控制油路的转换，以达到自动测量的目的。 重量法自动测量燃料消耗装置可将油杯放在灵敏度极高的压力传感器上，直接得到重量变化的信号以及相应的时间信号，配上计算机后就可以

19、实现动态过程的连续测量燃料消耗量。,3) 科里奥利质量法 它利用流体在管内进行直线运动的同时处在一旋转系中，则会产生于质量流量成正比的科里奥利力。 它适用于动态测试，测试频率可达10Hz，与空气流量计结合使用可计算出瞬时空燃比。 管内壁磨损、腐蚀或沉积结垢会影响测量精度，油管内气泡也会影响测试，需在流量计前加增压泵。 连接方法有两种： 方法A动态性能好，精确，需使用两个流量计，成本高。 方法B只使用一个流量计，冷却器容量大，动态性能差。,4) 碳平衡法 利用所消耗燃油中的含碳量与排气中CO、CO2、HC所含碳的总量应相等的特点，由排气分析结果计算燃油消耗量。可不解体测量油耗，精度高、试验稳定性

20、好。 汽油机： Fc=0.1154(0.273WCO2+0.429Wco+0.866WHC)/SG 柴油机： Fc=0.1155(0.273WCO2+0.429Wco+0.866WHC)/SG 其中Fc燃油消耗量，L/100km； SG-288K(15)下试验燃油的密度，kg/L WCO-测得的CO排放量，g/km； WCO2-测得的CO2排放量，g/km； WHC-测得的HC排放量，g/km。,三、冷却水供给系统及其装置 冷却水系统主要作用有：冷却测功机热量、冷却发动机、控制燃料及润滑油温度。水冷式发动机试验时，要控制和调节进、出水的温度，还要测定发动机冷却水的流量。使用水力测功器时，需要用

21、水作制动器的工质并带走发动机输出功转化的全部热量。 冷却水循环系统有两个循环通路组成：发动机冷却水循环系统和测功器水循环系统。 测功器水循环系统要保持稳定的水压，水平面的高度不小于4m。,四、空气消耗量测量装置 内燃机在进行工作过程的试验研究时，需要测定空气消耗量。空气消耗量的测量方法有容积法和流速法。 1. 容积法 可准确测定空气消耗量，但内燃机工作时，空气消耗量以体积来计量时数值非常大，测量装置的体积也会大，建造困难。 2. 流速法。 通过测量空气经过一定长度的管子或圆孔的流速，计算出消耗量。内燃机工作时，进气管中气体流动存在脉动，一般在实验室中测量空气消耗量测量时，要将脉动流动变为等速稳

22、定的流动。稳压罐的容积不小于被测发动机一个气缸容积的200倍，罐底部用橡皮膜封住，以减少缸内气压的脉动和气罐爆炸。,3. 电控发动机空气量测量 电喷发动机中空气量的测量不但要有一定的测量精度，还要求有很好的动态响应速度。常见的有热膜式、热线式和文丘里管流量计等。安装时要考虑连接传感器的前后管径、长度大小及长度与管径之比。 1) 热线式空气质量流量计 工作原理： 气流通过加热的电阻丝时，热量被吸收，温度下降，电阻丝的电阻与温度有关。因此可通过测量电阻来确定流速。 结构： 由防护网、取样管、白金热线、温度补偿电阻和控制线路板组成。白金热线是感知空气流量，温度补偿电阻根据进气温度进行空气流量修正。根

23、据白金热线在壳体内安装部位的不同，分主流测量方式和旁通测量方式两种结构形式。,2) 热膜式空气质量流量计 其结构与工作原理和热线式空气流量计基本相同，发热体为热膜，热膜由发热金属铂固定在薄树脂上构成。发热体不直接承受气流作用力，增加了发热体强度，提高工作可靠性。 热膜式流量计对小流量敏感，响应时间短，量程范围宽，精度高。 热线和热膜式空气流量计测量的是进气质量流量，测量精度高，测量探头小，对气流的干扰小。另外，它们的热惯性小，适于非定常气流的测量，但测量时一般增加补偿电路。,五、排气系统 每一套实验装置应设有单独的排气管，将其安在地沟中并引到室外，地沟中填充黄沙并覆有盖板，用以隔绝热量和噪声。

24、 排气系统的要求 从发动机排气口到地沟管道，最好采用不锈钢制成的皱纹管连接。 排气管的流通截面应不小于发动机排气口的截面积，总长度不大于6m，排气管平缓拐弯，不应多于三处。 废气中含有一定量的水蒸气，所以管道应倾斜一定的角度，以方便排出冷凝的水和残液。 发动机排气中存在可燃混合气，为防止爆炸事故，可在管道中串入鼓风机或利用高速空气流引出废气。,第二节 实验室环境,一、通风系统 作用是将热量和废气才排出室外，保持控制室温度和废气浓度在规定范围内。方式有： (1) 上送下排式，利于发动机废气和烟尘排出室外； (2) 下送上排式，直接冷却发动机，冷却效果好，结构简单，投资少。 二、进排气系统 1)

25、发动机进气 可直接采用台架室的空气，也可采用专用空气源系统。 一种采用直接管道法取得室外新鲜空气，一种采用进气调节系统供气。,2) 发动机排气 排气管直径要大于发动机排气管直径，要进行消声、防爆和过滤处理。利用节气门等节流改变背压。 三、实验室消声与隔声系统 常规实验室一般在实验室墙壁周围用吸音材料。控制间的观察窗用双层、加厚、高强度的玻璃窗。但对用于发动机噪声试验和开发研究的实验室，需经过特别的消声处理，降低背景噪声。,第三章 试验设计,在生产和科学研究工作中，为了寻找最优生产条件或最优设计，往往需要进行试验。对于比较复杂的问题，影响试验结果的因素很多，有些因素单独起作用，有些因素则互相制约

26、联合起作用。如果试验安排得好，通过少数几个试验，就能获得所需的信息，得出明确的结论。如果试验方案安排得不好，即使作了大量试验，仍然得不到所需的结论。因此，如何合理地安排试验方案，是测试工作者必须考虑的一个重要问题。 一个良好的试验方案包括设计、试验和分析三个部分，其中试验设计是确保获得可靠试验结果的基础 。,第一节 试验设计概述,一、定义 试验设计是为了达到预期的试验目的，采用某种数理统计方法，制定合理的试验方案，以便尽可能顺利与简捷地取得理想的试验数据。 二、试验设计包含的内容 一个好的试验设计包含几个方面的内容。 1) 明确衡量产品质量的指标。这个质量指标必须是能够量化的指标，在试验设计中

27、称为试验指标，也称为响应变量或输出变量。,2) 寻找影响试验指标的可能因素，也称为影响因子和输入变量。因素变化的各种状态称为水平，要求报据专业知识初步确定因素水平的范围。 3) 根据实际问题，选择适用的试验设计方法。试验设计的方法有很多，每种方法都有不同的适用条件，选择了适用方法就可以事半功倍，选择的方法不正确或者根本没有进行有效的试验设计就会事倍功半。 4) 科学地分析试验结果，包括对数据的直观分析、方差分析、回归分析等多种统计分析方法。,三、试验设计的种类 试验设计的发展大致经历了三个阶段：早期的单因素和多因素方差分析，传统的正交试验法和近代的调优设计法。常用的试验设计方法有：正交试验设计

28、法、均匀试验设计法、双水平单纯形优化法。可供选择的试验方法很多，各设计方法都有其特点。所面对的任务与要解决的问题不同，选择的试验设计方法也应有所不同。 工程中试验设计的方法很多，如：为了考虑单因素对试验结果的影响，试验设计方法有完全随机化法，拉丁方方法等；考察多因素对试验结果的影响时，往往采用正交试验设计法，它对于多因素、周期长的各种试验问题，是一种行之有效的方法，获得广泛的应用。,四、试验设计的常用术语 1. 试验指标：试验研究过程的因变量，是表征试验结果特征的量或是衡量试验效果的指标。 2. 因子：试验研究过程的自变量，是在试验中需要考察的，对试验指标有影响的因素。 3. 因子的水平：试验

29、中每个因子在考察范围内分成若干个等级，这些等级就称为水平。如试验中温度有3个不同值，就说温度有3水平。 4. 因子的交互作用：如果两个因子不同水平的搭配，对试验指标有影响，则称这两个因子具有交互作用。 5. 全面试验：每个因子各选一个水平组成一种试验条件，对所有不同组合的试验条件进行试验，称为全面试验。 6. 部分试验：为减少试验次数，只能从所有不同组合的试验条件中，选择一部分进行试验，称为部分试验。,第二节 正交试验设计,一、定义 正交试验设计法是研究与处理多因素试验的一种科学方法。它利用一种规格化的表格正交表，挑选试验条件，安排试验计划和进行试验，并通过较少次数的试验，找出较好的生产条件，

30、即最优或较优的试验方案。 二、全面试验和简单对比试验法 以三因子三水平的试验为例。 1. 全面试验法 取三因子所有水平之间的组合进行试验。令三因子为A、B、C，每个因子分为三水平，分别为Ai、Bi、Ci（i=1，2，3），则三因子所有水平的组合为A1B1C1、A3B3C3，共27次试验。工作量大。随着因子和水平的增加，全面试验所包含的试验条件的数目将大大增加。,例某化工厂想提高某化工产品的质量和产量，对工艺中三个主要因素各按三个水平进行试验(见表2-1)。试验的目的是为提高合格产品的产量，寻求最适宜的操作条件。,此方案数据点分布的均匀性极好，因素和水平的搭配十分全面，唯一的缺点是实验次数多达3

31、327次(指数3代表3个因素，底数3代表每因素有3个水平)。因素、水平数愈多，则实验次数就愈多，例如，做一个6因素3水平的试验，就需36729次实验，显然难以做到。因此需要寻找一种合适的试验设计方法。,2. 简单对比试验法 首先，变化一个因子A，将B、C固定为B1C1，如果A3测得结果为最佳，则将A固定为A3，C仍固定为C1，B因子发生变化，若测得结果B2以为最佳，则将B固定为B2，A仍固定为A3再使C变化，若结果显示为C2最佳，则最后选定为最佳试验方案A3B2C2。这种方法虽然试验次数较少，但对各因子各水平不是同等对待的，试验结果缺乏代表性。 仍以例1为例。先固定T1和p1，只改变m，观察因

32、素m不同水平的影响，做如图(1)所示的三次实验，发现m=m2时的实验效果最好，合格产品的产量最高，因此认为在后面的实验中因素m应取m2水平。,固定T1和m2，改变p的三次实验如图(2)所示，发现p=p3时的实验效果最好，因此认为因素p应取p3水平。 固定p2和m2，改变T的三次实验如图(3)所示，发现因素T宜取T2水平。 因此可以引出结论：为提高合格产品的产量，最适宜的操作条件为m2p3T2。,与全面试验法方案相比，简单比较法方案的优点是实验的次数少，只需做9次实验。但必须指出，简单比较法方案的试验结果并不可靠。因为 在改变m值(或p值，或T值)的三次实验中，说m2(或p2或T2)水平最好是有

33、条件的。在TT1，p p时，m2 水平不是最好的可能性是有的。 在改变m的三次实验中，也可固定TT2，pp3 ，这是随意的，故在此方案中数据点的分布的均匀性是毫无保障的。 用这种方法比较条件好坏时，只是对单个的试验数据进行数值上的简单比较，不能排除必然存在的试验数据误差的干扰。,三、正交试验法 克服了全面试验法试验次数过多和对比试验法缺乏代表性的缺点，使所有因子和水平在试验过程中均匀分配，试验点具有代表性，且试验次数大大减少。 以3水平3因子为例，正交试验设计图例如图所示。 对应于每个因子的每个水平都有一个平面，对每个因子和每个水平均同等看待。因此，在9个平面上所选择的试验点应一样多。由于每个

34、平面都有3行3列，若要每行每列所选的试验点一样多，则应选出9个有代表性的试验点，如图所示，这样可满足试验点均匀分布的要求。这是正交试验设计的基本思想。,1.正交表 正交试验法根据正交表设计试验方案，选择试验条件。正交表的种类很多，主要分为两大类： 1) 标准表 各列水平数均相同的正交表，也称单一水平正交表。写法如下： 各列水平均为2的常用正交表有：L4(23)，L8(27) 各列水平数均为3的常用正交表有：L9(34)，L27(313)。 各列水平数均为4的常用正交表有：L16(45) 在标准型正交表中，试验次数(行数) =,2) 混合型正交表 各列水平数不相同的正交表，叫混合水平正交表，混合

35、水平正交表写法： L8(4124) 常简写为L8(424) 。此混合水平正交表含有1 个4水平列，4个2水平列，共有145列。 在混合型的正交表中，试验次数,2. 试验方案的设计 以3因子2水平的试验为例。 1) 选择合适的正交表 一般是先确定试验的因素、水平和交互作用，后选择适用的正交表。在确定因素的水平数时，主要因素宜多安排几个水平，次要因素可少安排几个水平。选择正交表的基本原则： (1) 先看水平数。若各因素全是2水平，就选用L(2)表；各因素全是3水平，就选L(3)表。若各因素的水平数不相同，就选择适用的混合水平表。,(2) 每一个交互作用在正交表中应占1列或2列。看所选的正交表是否够

36、大，能否容纳下所考虑的因素和交互作用。为了对试验结果进行方差分析或回归分析，还必须至少留一个空白列，作为“误差”列，在极差分析中要作为“其他因素”列处理。 (3) 看试验精度的要求。若要求高，则宜取实验次数多的L表 (4) 若试验费用很昂贵，或试验的经费很有限，或人力和时间都比较紧张，则不宜选实验次数太多的L表。 (5) 按原来考虑的因素、水平和交互作用去选择正交表，若无正好适用的正交表可选，简便可行的办法是适当修改原定的水平数。,(6) 对某因素或某交互作用的影响是否确实存在没有把握的情况下，若条件许可，应尽量选用大表，让影响存在的可能性较大的因素和交互作用各占适当的列。某因素或某交互作用的

37、影响是否真的存在，留到方差分析进行显著性检验时再做结论。这样既可以减少试验的工作量，又不至于漏掉重要的信息。 选择好正确的正交表后，即可进行表头设计。,2) 表头设计 正交表的每一列可以安排一个因子，将试验中需要考察的各个因子，分别安排到正交表的各列上去，这个过程称为表头设计。表头设计时，若各个因子之间存在交互作用，表头设计需严格按有关规定进行安排；若不考虑因子的交互作用，各因子可以任意安排。 表头设计完成后，即可进行试验方案的确定。 3) 试验方案确定 正交表中增加一列。将每行中的数字1和2，换成对应因子的水平等级(1和2)。这时，每一行表示一种试验条件。,3. 正交试验方案的特点 1) 正

38、交性 在每一列中，各个不同的数字出现的次数相同。 2) 代表性 表中任意两列并列在一起形成若干个数字对，不同数字对出现的次数也都相同。在表L9(34)中，任意两列并列在一起形成的数字对共有9个：(1,1)，(1,2)，(1,3)，(2,1)，(2,2)，(2,3)，(3,1)，(3,2)，(3,3)，每一个数字对各出现一次。 由此可见，用正交表设计的试验方案，对全体因子来说是一种部分试验，但对任意两个因子来说，都是重复次数相等的全面试验。试验条件是均衡搭配的，具有很强的代表性。,3) 综合可比性 由于任一因子各水平的试验条件相同，这就保证了在每列因子各水平的效果中，最大限度地排除了其他因素的干

39、扰，从而可综合比较该因子不同水平对试验结果的影响。 四、正交试验数据的极差分析法 极差指的是各列中各水平对应的试验指标平均值的最大值与最小值之差。 1. 极差分析的目的 对试验结果进行极差分析，主要是解决以下两个问题： 1) 在所考察的因子中，哪个因子对试验指标的影响最大？哪个因子的影响最小？ 2) 在所选取的水平中，各因子取哪个水平最为有利？最优试验条件是什么？,2. 分析 1) 在因子没有交互作用的条件下，Ij/kj(均值)之间的差异反映了该因子的不同水平对试验指标的影响。如果试验指标的数值越大(或越小)越好，则I1/kj中，数值最大者(或最小者)所对应的水平，就是该因子的最优水平。各因子

40、的最优水平组合起来，就是试验方案的最优设计。 2) 极差是某因子在不同水平的试验指标平均值的最大值和最小值的差值。它反映了各因子的水平变动时试验指标的变动幅度。极差越大，该因子对试验指标的影响越大，因而也就越重要。按照极差的大小，可以列出因子的主次顺序，对于主要因子，应该选取最优水平，对于次要因子，可以参考其他情况(节约成本，减少工时，便于操作等)，选取适当水平。 上述两点可以概括为：水平优劣比均值，因子主次看极差。,试验结果的极差分析法，是一种计算工作量小、简单易行的分析方法，但是它不能区分试验过程中，由于试验条件改变所引起的试验数据的波动，以及试验误差引起的数据波动。为了解决这个问题，可以

41、方差分析法处理试验数据。,第四章 示功图的测量,示功图是研究发动机燃烧过程的重要手段。它是发动机动力性、经济性和燃烧性能以及机械和热负荷的综合反映。示功图的实质就是缸内压力随时间的变化曲线。 第一节 压力的测量 第二节 上止点的测量 第三节 点火和喷油提前角的测量 第四节 空燃比的测量,第一节 压力测量,发动机实验中需要测量的压力包括进气管真空度及绝对压力、喷油压力、中冷前后压力、涡轮增压器进、出口压力、排气背压、机油压力、气缸压缩压力、缸内压力和曲轴箱压力。缸内压力是示功图制取的关键。示功图指气缸内的瞬时压力随曲轴转角(或气缸容积V)的变化关系，即所谓的P-V图或P-图。 一、测录示功图的作

42、用 通过对示功图的计算可得到平均指示压力、指示功率、指示效率，确定发动机的机械效率。从图中可标出工作过程的许多重要参数，如进气压力、压缩终点压力、最大爆发压力等。还可得到与燃烧有关信息量，如压力升高率、放热率。,由示功图可计算出作用在内燃机各主要机构上的压力，以作为动力计算和强度校核的依据。 二、示功图测量对设备的要求 1. 所测出的动态压力曲线应精确地反映压力的变化而无畸变。压力信号、上止点信号与曲轴转角或时间的记录应严格同步而无相位差。 2. 测录仪器与内燃机的连接应尽可能不影响原有参数的改变既不使原工作状况发生变化。 3. 测录仪器的动态特性要好，灵敏度高，工作稳定。仪器的工作稳定性不受

43、温度、振动等外界条件的影响。 4. 测录设备应能同时记录供分析计算所需要的各参数或讯号。,三、动态压力测试方法 1.模拟法 通过适当的传感器，将被测压力按比例转换成相应的电量或电参量，再通过动态应变仪，调频解调电路或电荷放大器等二次仪表，将中间变量转换成电流、电压或电荷信号，由记录仪绘制相应的波形图。这种方法是在内燃机的工作循环中连续进行的，最终得到的是一条连续变化的曲线。 2.采样法 它是将测量电路输出的电信号，通过采样保持器和A/D转换器转换成数字信号，再由以计算机为核心的动态参数采集和处理系统对采集的数据进行记录、分析和运算。采样法的测试过程是间断进行的，用离散的数据点描述被测参量的变化

44、过程，故也称采样集点法。,采样是指测取被测参数某一时刻数值的过程，对于数字式仪器，采样需要一定时间，所以采样时还需把被测信号保持一段时间，这样实际得到的结果是信号随时间变化的某个点。 采样集点法测量动态压力有两种形式： 1) 横向集点法 对应某些确定的压力值，采集气缸压力与确定压力相平衡时的曲轴转角(或活塞位移)信号值。 2) 纵向集点法 在某些离散的时刻(或某些特定的曲轴转角下)采集相应的压力信号值。,制取示功图的仪器(示功仪)有机械式示功仪、气电示功仪、应变式示功仪和压电式示功仪。其中气电式示功仪采用横向集点法，要求测试工况稳定，测试精度不高，现在很少使用。随着高速数据采集和实时处理功能的

45、实现，压电式示功仪获得了广泛应用。 四、压电式示功仪 1.测量的基本方法 压电式示功仪将气缸压力、曲轴转角等非电量通过传感器转换为电量，经放大器放大和信号处理后，由信号采集系统进行采集，再由现实记录装置进行显示的一种专用测量仪器。,压电传感器有水套冷却和无水套冷却两种，还有和火花塞做成一体的结构。 2.测量过程中应注意的问题 1) 压电传感器的标定 分静态和动态。 静态压力特性标定是确定传感器所受压力和示功仪指示值之间的对应关系，包括检查压力特性的直线性、有无迟滞以及漂移等现象。迟滞现象会使示功图面积变大，影响计算值的准确性。静态标定一般使用砝码式标准活塞压力计进行，也可用专门制作的标定仪，使

46、用方便。 动态压力标定也叫瞬态响应法，目的是得到传感器的频率特性，以便在使用时根据它的输出响应得到准确的输入信号。,动态标定有两种方法，一种是对传感器输入已知频率及幅值的压力信号，记录它的输出，称为对比法，一种是通过激波管产生阶跃压力，施于被校传感器上，根据其输出曲线求得其频率响应特性，称为激波管动态校正。 2)传感器的安装 传感器承压面靠近燃烧室，压力通道小，冷却效果好。 3) 示功图的误差 (1) 测压通道引起的误差 改变了发动机工作状态，减小了压缩比，引起滞后和腔振，导致图形失真。 (2) 上止点相位引起的误差 修正方法有两种，一是燃烧分析仪采集倒拖压缩示功图，找出压缩压力线上最高点对应

47、的曲轴转角，定作上止点，再利用上止点设定拨盘开关进行修正。,二是建立在热力学基础上的上止点修正法，对p-V图取对数lgp-lgV，上止点位置正确则压缩线高于膨胀线，且呈直线分开。 (3) 示功器频率特性引起的误差 对正弦规律变化曲线，若使测得幅值误差不超过1%，要求仪表的固有频率达到被测信号频率值的10倍。 (4) 温度变化引起的误差 温度会使预紧力变化及传感器元件产生热变性，压电元件的压电常数变化，会使输出产生漂移。,第二节 上止点位置确定,利用曲轴齿盘宽脉冲信号或其他方法显示上止点相位时，其准确度取决于曲轴上止点实际位置的判定。内燃机实验中上止点脉冲信号是从缸体上的上止点标志(机械上止点)

48、提取的，该标志可利用千分表、等行程中点法获取。从机械上止点获取上止点信号的方法有： 一、磁电法 工作原理与磁电式传感器相同，绕有线圈的永久磁铁固定在机体上，飞轮或皮带轮上对应上止点位置处安装有导磁材料制成的凸尖，飞轮旋转时会产生感应电动势，可测得上止点位置。 二、光电法 在发动机输出轴上安装一透光盘，透光缝隙刚好在飞轮上止点标志处，利用光电传感器测量。,二、动态上止点 上述两种测量上止点的方法都是利用机械上止点获取的，虽然机械上止点可看为一个固定位置。但内燃机在运转过程中，活塞受到燃气压力和往复惯性力的影响，活塞与曲柄连杆机构受力变形，活塞的热变性、轴承间隙的变化都使得运转状态下上止点位置与机

49、械上止点(静态下)位置不同。因此，如何准确确定动态上止点位置对研究发动机工作过程十分重要。 1. 气缸压缩线法(倒拖法或灭缸法) 利用缸压传感器记录不着火发动机的压缩机膨胀压力线。在压缩线上部作若干平行于大气压力的直线，连接这些直线的中点即可得到上止点线。实际上缸内压缩空气与缸壁存在热交换，而这种热交换在压缩过程和膨胀过程不一致，同时还存在泄漏现象，因此压缩线和膨胀线不完全对称。上止点线可能与大气压力线不垂直。,2. 电容法 电容传感器安装在气缸盖上，以活塞作为变换器的动极板，当活塞运动到上止点时，两极板间距最小，电容量最大，利用电容测量装置可得到上止点信号。 需要注意的是：四冲程发动机的一个

50、工作循环中有两次上止点信号(换气上止点和燃烧上止点)，而且这两个上止点信号因为缸内工作状态不同导致出现位置不同。需要找出燃烧上止点信号。 一般来说，制取示功图时上止点相位的准确确定，对燃烧过程分析具有重要作用。因此，在制取示功图时，我们通常要对获取到的静态上止点信号进行修正，一般是通过动态上止点信号进行修正，常用的方法是气缸压缩线法。,第三节 点火和喷油提前角的测定,一、曲轴位置及气缸识别传感器 曲轴位置传感器可提供相对于活塞上止点位置的曲轴转角信号、发动机转速和曲轴转角信号，以便确定点火时刻或喷油时刻。这要与气缸识别传感器联用，气缸识别传感器安装在凸轮轴上，又称凸轮轴位置传感器。 两个信号发

51、生器都固定在缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成，永久磁铁上带有磁头。 4缸机凸轮轴信号转子的一转为一周期，一个周期内有4个均匀分布的正常齿，每缸对应一个，并有一个多齿，在第一缸正常齿和第三缸正常齿之间的1/5处，作为判缸标志。,曲轴信号转子为齿盘式，圆周上有58个凸齿、57个小齿缺和一个大齿缺。每个凸齿和小齿缺占3曲轴转角，大齿缺占15曲轴转角。测试信号中15宽脉冲信号处，对应1缸或4缸上止点，结合凸轮轴信号的多齿信号，可判别缸号。,第四节 空燃比的测量,空燃比是个可调参数，对发动机的动力性、经济性和排放性有重要影响。汽油机的空燃比变化范围不大，但柴油机的变化范围大，因此一般只是测定最

52、大油门位置时的平均空燃比。空燃比的测量方法主要有： 一、测量进气量和燃料消耗量计算空燃比 用同一时间内测量的进气量和燃料消耗量，计算出空燃比。稳定工况时具有高可靠性，不适用于瞬态空燃比的测量，只能测量多缸机的平均空燃比，不能测各缸空燃比。 二、直接用测量排气成分来计算空燃比 与空燃比有关联的成分有CO2、CO、HC和O2。可根据这4种成分或三种成分(CO2、CO和O2或CO2、CO和HC)直接计算空燃比。,一般认为100mol空气与燃料CnHm中Xmol的碳与Ymol的氢反应时，反应式为： 20.99(O2)+X(C)+Y(H2)=A(CO2)+B(CO)+C(H2O)+D(H2)+E(O2)

53、 式中A,B,C,D为生成物的物质量，E为多余氧的物质量。 氧气不足时，发生的部分水煤气反应的平衡常数K为 K=C*B/A*D。斯平特根据上式得出空燃比的计算公式为： Fb=(CO量+O2量)/(CO量+CO2量+CH量) R=CO量/CO2量；Q=O2量/CO2量 Fc表示燃料中C的质量百分比。,三、测量排气中氧的浓度计算空燃比 须保证被测样气中存在氧，一般在仪器中专门加入氧(空气)，进入110保温取样管路与样气混合，并有输送泵送入600左右的催化室内完全燃烧，再进入750的氧化锆传感器内，测出多余的氧量Ea,其规律服从Nemst定律，形式为：Ea(750)=50.6log(C1/C)mv

54、式中C为多余氧的质量浓度，C1为空气中氧的质量浓度。 氧的浓度C与过量空气系数的关系为 式中x为加入的氧量(%)，n为燃料中氢碳比。,根据发动机中燃料完全燃烧方程式： 则空燃比(质量)可由下式计算： 这种仪器可测瞬态的及各缸的空燃比，还可显示 和O2的体积分数，测量精度可达,第五章 功率的测量,功率是内燃机最重要的性能参数之一，由发动机输出轴输出的功率称为有效功率。如果测量出发动机输出轴上的扭矩Me和发动机的转速n，发动机的有效功率可由下式求得： 因此，发动机的有效功率是间接地从扭矩和转速的直接测量结果计算得到的。即有效功率的测量归结于扭矩和转速的测量。扭矩测量方法： 根据扭矩测量原理的不同，

55、扭矩测量装置有吸收式(平衡力法)和传递式两种。,平衡力法利用作用在测试仪器上的作用扭矩和反作用扭矩大小相等，方向相反的原理测量扭矩。发动机稳态运转扭矩的测试多用这种方式，它不但测量扭矩，还将其吸收并转化为热量和电量。这种测功装置通常称为测功机。 传递法一般通过测量轴变形，利用应力与应变的关系来测量扭矩。该方法的测量精度高，瞬态性能好，常用在动态测试试验台上。它只测扭矩，不能吸收转化这部分能量。这种测功装置通常称为扭矩仪。,第一节 测功机概述,一、测试原理 测功机作用力矩与反作用力矩大小相等，方向相反的原理。 二、测功机基本要求 1) 在发动机全部工作转速和载荷范围内造成稳定的运转工况。 2)

56、能平顺、精细地调节载荷。 3) 能准确地测定载荷，操作简单、安全可靠。 三、测功机的组成 测功机一般由制动器、测力机构、测速装置及调节和控制系统等组成。 四、测功机的种类 根据制动器工作原理的不同，分为机械测功机、气力测功机、水力测功机和电力测功机。,第二节 水力测功机,用水作为工作介质而产生制动力矩。 一、构成及工作原理 水力测功机的主体为水力制动器，制动器由转子和定子外壳组成。外壳定子有滚动轴承支撑，可自由摆动，固定在外壳上的力臂可将作用在外壳上的力矩转换为力而作用于测力装置。转子与发动机输出轴相连，被封闭在外壳内，其间充以水。工作时水由转子带动获得动量矩并传给外壳。这样由发动机加给转子的

57、扭矩以一个相同量作用到外壳上，发动机输出功率经过水分子间相互摩擦变成热能。,在改变水层厚度来调节制动力矩的测功机中，水不是始终充满壳体内腔。转子旋转时，由于离心力的关系，水被甩向转子外缘形成圆环，转子部分地浸湿在圆环水层中。 二、水力测功机的固有特性和工作范围 测功机固有特性是指测功机在某一调节位置下，测功机转速与其吸收扭矩或功率之间的关系。 测功机工作范围是指因测功机本身结构强度、允许温升和转速的限制而有一定的测量使用范围。一般用测功机的特性曲线和限制线来表示。,设转子圆盘的外半径为R0，放水的内半径为Ri，则圆环形水层厚度为R0-Ri。距圆盘中心R处，划出无限小的环形浸湿面积dF，以 表示

58、摩擦阻力系数，V表示半径R处的圆周速度，K表示水与圆盘的相对速度系数，则圆盘两侧和水摩擦时微小圆环与水的摩擦扭矩： 其中， 将上式在Ri到R0内积分，得,可见，制动力矩与圆盘对水的摩擦力成正比，还与转速的平方以及圆盘半径R0和浸湿在水中的内半径Ri的五次方的差成比例。若摩擦力不变，制动转矩与转速平方成正比，吸收功率与转速立方成正比。 线段A为测功机在最大负荷调节位置(最大水层厚度)时的性能曲线，虚线为其他调节位置下(水层厚度减小后)的性能曲线。 线段B为测功器转子和轴允许的最大扭矩下的强度限制线。在此情况下，通过提高测功机转速来增加吸收功率。,线段C为测功机出水温度达到最大允许值的功率限制线，

59、即测功机所能吸收的最大功率。测功机的出水温度一般要求在50-70之间，过高的出水温度会使工作腔中水层汽化，形成局部泡沫，影响测功器的工作稳定性。 线段D为受离心力负荷或轴承允许转速所限制的最高转速限制线。 线段E为测功机空转时吸收的最小扭矩和功率特性。此时内腔中无水，阻力矩由转子和空气的摩擦以及轴承的摩擦产生的。 三、水力测功机的种类 根据转子的形状不同，水力测功机可分为柱销式、叶轮式和涡流室式。,第三节 电力测功机,一、工作原理和构成 电力测功机的工作原理和普通发电机和电动机基本相同。它主要由转子和定子外壳组成。 当作为测功机使用时，它是发电机，其电枢绕组所受的电磁力将产生与转向相反的电磁力矩(制动力矩)，它吸收发动机输出功率，将机械能转化为电能。 当作为电动机使用时，则电枢绕组所受的电磁力将产生与转向相同的电磁力矩(驱动力矩)。它驱动发动机转动，将电能转换为机械能，常用于发动机起动、磨合和测量摩擦损失等