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北華航天工業(yè)學院
畢業(yè)設計報告(論文)
報告(論文)題目： 某型渦輪增壓柴油
發(fā)動機動力性分析
作者所在系部： 機電工程學院
作者所在專業(yè)： 車輛工程
作者所在班級： B13141
作 者 姓 名 ： 戴維
作 者 學 號 ： 201322088
指導教師姓名： 臧繼嵩
完 成 時 間 ： 2017.06.01
北華航天工業(yè)學院
本科生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性及知識產(chǎn)權聲明
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）
某型渦輪增壓柴油發(fā)動機動力性分析
是本人在指導教師的指導下，獨立進行研究工作取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設計（論文）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本設計（論文）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因本畢業(yè)設計（論文）引起的法律結果完全由本人承擔。
本畢業(yè)設計（論文）成果歸北華航天工業(yè)學院所有。本人遵循北華航天工業(yè)學院有關畢業(yè)設計（論文）的相關規(guī)定，提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本。本人同意北華航天工業(yè)學院有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以營利為目的的前提下，可以公布非涉密畢業(yè)設計（論文）的部分或全部內(nèi)容。
特此聲明
畢業(yè)設計（論文）作者：戴維 指導教師：臧繼嵩
2017年 6 月 7 日 2017年 月 日
渦輪增壓柴油發(fā)動機動力性分析
發(fā)動機對于一輛汽車而言，主要為其提供動力。相當于心臟一樣的存在，而發(fā)動機的輸出特性就直接決定了車輛的行駛特性。將發(fā)動機的性能進行研究以及掌握，對提高整車性能就有了重大的意義。發(fā)動機的速度特性主要可以用轉速、有效轉矩、有效功率來表現(xiàn)，研究發(fā)動機的這些特性，為汽車或其他工作機器選用正確的動力源提供了依據(jù)。
關鍵字: 發(fā)動機特性 動力性指標 選用依據(jù)
Vehicle Dynamics and Performance
The engine is primarily powered by a car. The same as the heart, the engine's output properties determine the driving properties of the vehicle. The performance of the engine is studied and controlled, and it is of great significance to improve the performance of the vehicle. The engine's output characteristics are mainly dynamic, economical and emission. The vehicle's dynamic characteristics are rated by the highest speed, acceleration time and maximum climbing grade. These characteristics of the engine provide the basis for choosing the right source of power for cars or other working machines.
Key words: Vehicle Dynamics Performance Selection basis
目錄
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 國內(nèi)外渦輪增壓柴油機發(fā)展背景和現(xiàn)狀 1
1.2.1 國外渦輪增壓技術以及柴油機的發(fā)展和現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內(nèi)渦輪增壓技術以及柴油機的發(fā)展和現(xiàn)狀 2
1.3 渦輪增壓以及柴油機的發(fā)展趨勢和研究意義 3
1.3.1渦輪增壓以及柴油機的發(fā)展趨勢 3
1.3.2 渦輪增壓以及柴油機的研究意義 3
第2章 發(fā)動機臺架試驗的主要設備 4
2.1 發(fā)動機試驗臺架 4
2.2 測功機 5
2.3. 油耗儀 8
2.4. 排放物的檢測 10
2.5 進行發(fā)動機臺架試驗的目的 10
第3章 發(fā)動機特性試驗流程 11
3.1 試驗的安全操作規(guī)范 11
3.2 發(fā)動機速度特性試驗 11
3.2.1 試驗原理 11
3.2.2 試驗內(nèi)容和要求 11
3.2.3 試驗方法和步驟 12
3.2.4 試驗注意事項 12
3.4 試驗計算結果校正以及分析方法 13
第4章 發(fā)動機速度特性試驗數(shù)據(jù)處理以及分析 15
4.1 油門開度為50%時的試驗數(shù)據(jù)處理及分析 15
4.2 油門開度為60%時的試驗數(shù)據(jù)處理及分析 18
4.3 油門開度為70%時的試驗數(shù)據(jù)的處理及分析 21
4.4 油門開度為80%時的試驗數(shù)據(jù)的處理及分析 24
4.5 油門開度為90%時試驗數(shù)據(jù)的處理及分析 27
4.6 油門開度為100%時的試驗數(shù)據(jù)的處理及分析 30
4.7 總的數(shù)據(jù)處理和分析 33
4.7.1 對于油耗率be的分析 33
4.7.2 對于功率Ttq的分析 34
4.7.3 對于功率Pe的分析 35
第5章 總結 36
致 謝 37
參考文獻 38
第1章 緒論
1.1 前言
在17世紀90年代左右，德國著名工程師狄塞爾(Rudorf Diesel)最早發(fā)明了柴油機，其熱效率為0.262。柴油機的發(fā)展在之后只能用勢不可擋來形容，20世紀初期，柴油機在船只上的應用已經(jīng)開始了。過了4年，常年潛水在深不可測的海底的潛水艇上也得到了應用。又過了5年，柴油機又大顯身手作為大型游輪的心臟取得了驚人的成績。柴油機不管怎么說，它的一些相對于汽油機來說無可厚非的優(yōu)勢，比如在經(jīng)濟性、使用的時間長短等諸多好處，在一些交通領域，體現(xiàn)衣食住行中的行的那一部分上被廣泛應用，由于其功率大、又省錢、安全便捷，為我國的經(jīng)濟做出了不可磨滅的貢獻。`
1905年，瑞士蘇爾壽（Sulzer）兄弟研發(fā)公司的總工程師阿爾佛雷德·J·波西（Alfred J Buchi）博士首次提出了渦輪增壓概念，從此渦輪增壓技術正式宣布誕生，并且應用于船舶、航空工程等諸多領域。1953年，美國Garrett公司就已經(jīng)將渦輪增壓技術應用于車用柴油機上，在1965年左右，國外車用柴油機已經(jīng)大量安裝了渦輪增壓器。在其后20年，汽油機也相繼采用渦輪增壓技術。從最原始的純增壓技術，到自帶旁通閥的增壓器、兩級增壓系統(tǒng)以及電控可變截面VGT增壓器等，經(jīng)過了一個世紀的經(jīng)驗積累，渦輪增壓技術已經(jīng)非常成熟，現(xiàn)如今渦輪增壓器幾乎已經(jīng)成為發(fā)動機上一種不可或缺的零件。
1.2 國內(nèi)外渦輪增壓柴油機發(fā)展背景和現(xiàn)狀
1.2.1 國外渦輪增壓技術以及柴油機的發(fā)展和現(xiàn)狀
現(xiàn)如今，國際上主要由ABB、MAN和三菱這三家公司專門從事大功率的中高型渦輪增壓柴油發(fā)動機的研發(fā)設計和制造。多年來的設計和生產(chǎn)經(jīng)驗，使得他們形成了一系列完整地從設計評估到測試再到仿真分析的流程，以CAD / CAE / CFD / CAM繪圖，開發(fā)獨立的測試分析系統(tǒng)以及搭建系統(tǒng)訪問評估的路徑和建立信息數(shù)字化開發(fā)的平臺讓這三家公司立足于世界前列。
柴油機從被發(fā)明到研究了這么多年的現(xiàn)在，早就不再是我們在腦殼里想象的那樣，國外以及國外自身一些國情政策的原因，在柴油機上下得功夫那可真不小，就國內(nèi)柴油的質量問題以及國內(nèi)推廣汽油的政策下，對于柴油機的研究可能就沒資本主義國家的大，在資本主義的一些國家里，我們用汽油機的一些機器，他們可以用柴油機來代替，比如在城市里，因柴油機的噪聲、體積等問題，大多在路上跑的車都用汽油，但在一系列的研究下，使的這些問題已經(jīng)不再是問題。經(jīng)過這么多年辛勤的研究，柴油機在國外發(fā)展的如火如荼，那些噪聲大、體積大、顯得笨重的問題對于現(xiàn)如今的一些柴油機那都是不存在的。
1.2.2 國內(nèi)渦輪增壓技術以及柴油機的發(fā)展和現(xiàn)狀
隨著中國的不斷發(fā)展，中國的綜合國力也不斷增強，即使中國沒有經(jīng)歷西方工業(yè)革命，但也堅持不懈地在各個領域向著國際一流水平看齊，其中伴隨著人民經(jīng)濟水平的提升所促使汽車市場也被大幅度開拓，現(xiàn)如今，中國也出現(xiàn)了像是長城、廣汽、北汽、長安、比亞迪等諸多優(yōu)秀的車企，在汽車的諸多技術問題上這些優(yōu)秀的企業(yè)也獨自攻克，甚至在某些方面上已經(jīng)和國際水平一致。當然，在當前激烈的市場競爭下，各種技術也不斷催生，就拿現(xiàn)在柴油機標配的渦輪增壓技術來說。21世紀的到來，改革開放的果實逐漸開出了成果，各方面的需求量也開始迸發(fā)，比如增壓器的市場的供應量每年都以近三成的速度上升。我國從新中國剛建國左右就開始著手研究增壓器，新中國成立的5年到9年之間，我國第一臺徑流渦輪增壓器被制造出來，相對的軸流渦輪增壓器則在成立新中國快10年左右被研制成功的。其后我國在增壓技術的研究進展不是特別明顯，車用增壓技術的也遇到了研究瓶頸，進展緩慢。直到新中國80年代左右，集大成之作的柴油機的增壓機型才陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)，針對動力性和經(jīng)濟性的一些問題才被解決；到年，我國有關部門發(fā)表了汽車和發(fā)動機排放法規(guī)，出臺了一些相關規(guī)定和標準，使得渦輪增壓柴油機的研究更為徹底?，F(xiàn)如今，渦輪增壓技術已經(jīng)深深地融入整個汽車市場，無論是柴油機、汽油機還是大型貨車、小型轎車或者其他一些工程機械上都能夠看到它的身影。
我國目前汽車市場主要以汽油機為主，在一些工業(yè)發(fā)達國家柴油機的使用量遠遠大于中國柴油機的使用量。我國柴油機發(fā)展在80年代以后才逐漸有了起色，現(xiàn)如今，我國對于柴油機的研發(fā)經(jīng)費的占比依然很重，不斷地引進外國柴油機進行研究，但我國柴油機的技術層面仍然面臨著許多問題，相比于歐洲柴油機的使用量我國主要還是在某些關鍵技術上未能克服。目前，就國內(nèi)柴油機所表現(xiàn)出來的主要有以下幾點問題:一是柴油機的體積一般都比汽油機的體積要大得多，這使得在制造成本上比汽油機要昂貴，加之體積大占地面積大，我國柴油機一般都用于大型車輛上，一般民用轎車還是采用的汽油機。二是柴油機噪聲大、排放的污染物相比于汽油機要大，在京津冀地區(qū)已經(jīng)受到了嚴重的環(huán)境污染影響，為保證空氣質量京津冀地區(qū)也采取了車牌限號等措施，所以諸多原因我國城市里行駛車輛還是以汽油機為主。三雖然柴油機的低速扭矩大，但想要加速則比汽油機要困難，在錯綜復雜的交通樞紐中，還是汽油機比較占優(yōu)勢，柴油機還是適合在道路變化情況下使用。當然，隨著柴油機的發(fā)展，諸多像是以上問題的都已經(jīng)解決，可能只是由于開發(fā)成本高，維修成本高，導致目前問題較為繁多柴油機的使用率始終提不上來。
1.3 渦輪增壓以及柴油機的發(fā)展趨勢和研究意義
1.3.1渦輪增壓以及柴油機的發(fā)展趨勢
無論是對什么的研究，都秉承著突破現(xiàn)有層面，不斷創(chuàng)新、不斷前進。就比如計算機的發(fā)展，從最初的二極管到三極管再到8位、16位、32位、64位，有了這些技術基礎的沉淀才使得計算機在短短幾十年時間里得到了翻天覆地的變化，大大的改變了今天人們的生活方式，每一種技術的發(fā)展都可能為另一種領域的開拓提供幫助。依照現(xiàn)如今的科技水平，相比于幾十年前的渦輪增壓器而言進步的不是一點點?，F(xiàn)在的渦輪增壓器體積更小、結構更簡單、維修替換更方便、轉速也更高、壓縮比也更好。在國外，渦輪增壓器已經(jīng)占據(jù)真?zhèn)€市場份額的半壁江山，隨著各種新能源、新材料、新的要求與規(guī)范。渦輪增壓在未來還有很大的發(fā)展空間。
渦輪增壓的研究仿佛無形之中與柴油機有著密不可分的關系，現(xiàn)如今柴油機體積大、噪聲大、排放物污染嚴重，這些都是當前所要解決的。提高柴油機性能，從渦輪增壓出現(xiàn)提高了壓縮比，再到中冷技術降低了壓縮空氣的溫度，再到共軌四排、電控，就國際上研究者的這些項目都是渦輪增壓柴油機的發(fā)展藍圖，而規(guī)定這些的標準比如歐Ⅱ標準上，我國還市有一些差距，這表明渦輪增壓在我國的發(fā)展還有無限可能性。
這么多的研究表明，柴油機的潛能比汽油機要大，只要能解決上述的那些技術問題，柴油機的優(yōu)勢也就更能顯示出來了，當然對汽油機的研究也不停留在現(xiàn)狀，也有可能出現(xiàn)兼具柴油機和汽油機的發(fā)動機出現(xiàn)。國內(nèi)目前任然馬不停蹄地追趕著主流研究腳步。我相信隨著我國人民不斷專研的精神，只有更好沒有最好的理念一定能夠開發(fā)出水平一流的發(fā)動機。
1.3.2 渦輪增壓以及柴油機的研究意義
既然渦輪增壓市場研究的發(fā)展空間很大，就代表了渦輪增壓技術確實是一項值得研究的技術，沒有安裝渦輪增壓柴油機和安裝了渦輪增壓柴油機的具體區(qū)別又體現(xiàn)在什么地方。渦輪增壓又使得柴油機發(fā)生了那些變化，為什么現(xiàn)如今，有這么多的人要去研究渦輪增壓，渦輪增壓的魅力又何在。下面就列舉了其對柴油機的作用也就是其研究意義何在。
（1）小型化
渦輪增壓不同于機械增壓對于格局的要求，即使發(fā)動機在體積和重量不需要有多少改變的情況下在，也很容易提高近兩成功率。由于諸多優(yōu)點，故近年來高增壓的比率愈發(fā)明顯。高增壓時，提高的功率甚至可超過百分之百。因此，采用渦輪增壓技術的發(fā)動機，可在保持原先功率的情況下，大大降低了發(fā)動機的結構大小，這對發(fā)動機及車輛的成本以及小型、輕量化都有不言而喻的效果。
（2）節(jié)能
渦輪增壓其實是廢氣渦輪增壓的一般叫法，可見廢氣渦輪增壓的節(jié)能效果。渦輪增壓利用本應排出的氣體來驅動渦輪，渦輪轉動同時帶動同軸的壓氣機一起轉動，然后壓氣機在對進入氣缸內(nèi)的新鮮空氣進行壓縮，直接使柴油機的進氣量被增加，相應地也提高了柴油機一系列的特性，增加了動力性，降低了燃油經(jīng)濟性。從能量守恒的角度看，即使排除的廢氣，它同樣具有很大的動能、熱能。廢氣渦輪增壓相當于把這一部分的能量利用，因此整體效率也就提高了。
（3）環(huán)保
渦輪增壓利用了廢氣，廢氣排放量減少，產(chǎn)量化渦輪增壓器，總的排放量也就減小了。我們在發(fā)展工程技術的同時，不斷地開采地球資源，破壞生態(tài)環(huán)境，當我們回過神來發(fā)現(xiàn)，我們的環(huán)境問題已經(jīng)相當嚴重，有人在說，人類現(xiàn)在正乘坐一輛高速通往地球能源終結的列車，能源枯竭，人類不得不去尋找新的能源，就拿煤礦、石油來說，按照現(xiàn)在的開采速度，幾十年后必將枯竭，普通使用石油的汽車必將推出歷史舞臺，所以現(xiàn)在推出各種新能源汽車、電動汽車等來替代，環(huán)保問題已經(jīng)相當嚴重，人類必須重視這些問題，否則這是人類自己給自己挖坑。渦輪增壓技術的環(huán)保減少了廢氣的排放，這些廢氣正是污染我們賴以生存環(huán)境的原因之一。
第2章 發(fā)動機臺架試驗的主要設備
2.1 發(fā)動機試驗臺架
試驗不是說做就做，做試驗之前，要做很多與之相關的準備工作。在一些相關的規(guī)定和標準下，要求發(fā)動機在試驗時的工作溫度應在一個固定值上，以及發(fā)動機的所在環(huán)境的濕度等非人為因素還要有一些設備用來輔助，總之，排除一切會對試驗造成誤差的因素。
圖2-1為發(fā)動機測控系統(tǒng)平面示意圖
臺架試驗對發(fā)動機來可以說是最關鍵的一個試驗，它的數(shù)據(jù)直接反應了這臺發(fā)動機在特性上表現(xiàn)的性能是否達標，這對接下來的所要進行的一系列工作都會造成影響。
2.2 測功機
測功機從字面上就可以理解，用來測量功率等物理量的機器。其主要測量輸出轉矩，同時也測量發(fā)動機的轉速，公式如下：
式中 Pe——輸出功率(kW)
Ttq——輸出轉矩（N ? m）
n——轉速（r/min）
Pe=Ttq n9550
可用上面公式求得發(fā)動機的輸出功率，并根據(jù)功率和平均有效壓力的關系式，計算平均有效壓力。測功器能吸收發(fā)動機輸出的功，利用這一特點可任意改變發(fā)動機的負荷和轉速，由此模擬發(fā)動機的使用工況。根據(jù)測功器吸收功的原理不同，常用測功器多為水力測功器、平衡式直流電力測功機和電渦流測功器這三種三種。
（一）水力測功機
水利測功機是通過發(fā)動機帶動測功器轉子同步旋轉時，由其轉子和外殼的渦流室內(nèi)水的旋轉運動，使測功器外殼在水的摩擦力作用下擺動一個與輸出轉矩成正比的角度，由此測量發(fā)動機的輸出轉矩。如果渦流室內(nèi)旋轉運動的水量越多，水層越厚，摩擦力就越大，外殼擺動角度增加，則外殼上固定的測力機構的讀數(shù)隨之增加，表明水吸收的機械功越多。當發(fā)動機穩(wěn)定運行時，測功器的擺動角度不變，測功器讀數(shù)穩(wěn)定。水力測功器由于其廉價、工作可靠、體積小等優(yōu)點，曾在國內(nèi)廣泛應用。但隨著自動化程度以及測量精度要求的不斷提高，它逐漸被電力測功機或電渦流測功器所取代。
圖2-2示為SG20、SG60、SG380、SG520、SG660水力測功器外形示意圖
1. 潤滑部件 2、進水部件 3、機體部件 4、測力機購機 5、電動排水部件 6、校正部件
（二）電力測功器
當電力測功器發(fā)動機帶動直流電動機的轉子在定子磁場中轉動時，切割磁力線而產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場與定子磁場互相產(chǎn)生電磁力矩。受該力矩的作用浮動支撐在軸承上的定子外殼擺動一個與該電磁力矩成正比的角度。在定子外殼上固定測力機構，測量此時外殼擺動角度時的力矩大小，該力矩大小與發(fā)動機加載轉子上的轉矩相等。通過改變定子磁場的大小可任意調節(jié)該測功器受吸收的發(fā)動機輸出轉矩的大小，達到既能調節(jié)負荷又能測量輸出轉矩的目的。這種測功器，雖然機構較為復雜，價格貴，但由于能回收電能，反拖發(fā)動機，而且工作靈敏，測量精度高，而得到廣泛應用。
圖2-3示為交流電力測功機結構簡圖
1、底座 2、交流電機軸承座 3、轉矩、轉速傳感器 4、連軸器 5、軸承座 6、防護罩
（三）電渦流測器
電渦流測功器也是目前常用的一種測功器。它主要利用渦電流效應將發(fā)動機輸出的機械能變?yōu)殡娔埽賹㈦娔苻D換為熱能。該測功器吸收能量的主要部分市制動器，由轉子和定子組成。定子包括外殼、渦流環(huán)和勵磁線圈。而外殼、渦流環(huán)、空氣隙和轉子構成磁路，當外界直流電源向勵磁線圈供電時，在該磁路上產(chǎn)生磁力線。發(fā)動機驅動轉子旋轉，此時由于在磁路中轉子外緣渦流槽的存在，在空氣隙處磁力線密度發(fā)生變化，因而在渦流環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應電動勢而形成電渦流。此電流與所產(chǎn)生的磁場相互作用形成電磁轉矩，使浮動在支承上的定子擺動一個角度。調節(jié)勵磁電流，即可改變電渦流強度，從而測功器所能吸收的機械功不同，定子擺動角度也不同，由此可測量轉矩又可調節(jié)負荷。由于渦流電路有一定電阻，在渦流環(huán)內(nèi)存在電能損耗，使渦流環(huán)發(fā)熱，所以需要冷卻水來強制冷卻渦流環(huán)。這種測功器操作簡單，結構緊湊，運轉平穩(wěn)，測量精度較高。但是不能反拖發(fā)動機，而且能量不能回收，成本也較高。
圖2-4為DW電渦流測功機結構簡圖
1、感應器 2、主軸 3、聯(lián)軸器 4、勵磁線圈 5、冷卻室 6、氣隙 7、出水管道
8、油環(huán) 9、測速齒輪 10、軸承座 11、進水管道 12、支撐環(huán) 13、外環(huán) 14、底座
2.3. 油耗儀
發(fā)動機的經(jīng)濟性指標，是通過測量發(fā)動機運行時對應該工況所消耗的燃料量。同時測量發(fā)動機的輸出轉矩和轉速后，進行換算求得的。發(fā)動機的輸出轉矩由測工器測量，發(fā)動機轉速則用專用轉速傳感器測量。而每一工況所消耗的燃油量，是在穩(wěn)定工況下通過測量一定時間間隔內(nèi)所消耗的燃油量，由此計算出每小時耗油量。傳統(tǒng)的燃油消耗量的測量方法有容積法和質量發(fā)兩種。
（一）容積法
這種方法是在發(fā)動機工作時，通過消耗一定容積的燃油所需要的時間后，按式計算出每小時燃油消耗量。公式如下：
式中 B——每小時的燃油消耗量(kg/h)
ρf——燃料的密度（g/mL）
Vf——消耗燃油的容積（mL）
B=3.6 Vfρft
在測量油耗的同時，通過測功器和轉速表同時測量發(fā)動機的輸出轉矩和轉速，求得輸出功率以后，根據(jù)燃油消耗的定義，可求得燃油消耗率be。
式中 be——每小時的燃油消耗量[g/(kW? h)]
be=BPe×1000
（二）質量法
質量法是指通過測量消耗一定質量m的燃油所需要的時間t后，按公式計算每小時燃油消耗量B和燃油消耗率be。所消耗的燃油質量是用天平或電子稱來計量。公式如下：
式中 m——消耗的燃油質量（g）
t——消耗m燃料所需要的時間（s）
B=3.6 m t
be=BPe×1000
現(xiàn)階段燃油消耗量的測量基本上都采用自動油耗儀。
圖2-5示為燃油消耗量測量裝置
(a)容積法 (b)質量法
1、油箱 2、開關 3、濾油器 4、三通閥 5、量瓶 6、油杯 7、天平
2.4. 排放物的檢測
排放物的檢測量主要有CO、HC、NOx含量，煙度和微粒量等，根據(jù)需要也可以測量CO2、O2含量。為了統(tǒng)一評價，有關排放量測試規(guī)范中，對試驗方法以及測試設備進行相關的規(guī)定。目前，常用的排放分析儀有日本HORIBA的多組分排放氣體成分分析儀和AVL的多功能排放分析儀，由此來測量CO、HC、NOx、CO2、O2等排放氣體。煙度一般用波許煙度計或不透光煙度計來測量。微粒則通過全稀釋風道進行精度測量，但其設備昂貴。所以，試驗研究階段通常采用分流稀釋風道，通過過濾稱重法，測量過濾紙上的顆粒質量進行分析。
2.5 進行發(fā)動機臺架試驗的目的
發(fā)動機一共由兩萬多個零件組成，構成了如此龐大、如此精妙的機械，拋開機械工藝美學不說，發(fā)動機的主旨只有一個那就是提供動力，發(fā)動機聯(lián)同發(fā)動機內(nèi)部的大大小小那么多部件一起工作，最后通過飛輪直接表現(xiàn)。對其表現(xiàn)出來能力考察才是最重要的，否則就是本末倒置。
對于發(fā)動機臺架的實驗目的再簡單不過，就是通過各種試驗儀器、測得發(fā)動機在各種運行的情況下所表現(xiàn)出各種能力的數(shù)據(jù)，通過研究分析判斷這些數(shù)據(jù)，我們就可以知道這臺發(fā)動機的性能有哪些，這種通過實驗分析來驗證的方式，一直是近代西方科學所力推的?，F(xiàn)如今，不管是什么成品都有這一環(huán)節(jié)，比如軟件的調試、工程試水都有這種形式來考核。
第3章 發(fā)動機特性試驗流程
3.1 試驗的安全操作規(guī)范
1、試驗前要對試驗臺架、發(fā)動機、測功機、聯(lián)軸器、各連接螺栓以及運動部件進行檢查，運動部件運動不得受阻礙，連接不允許有松動現(xiàn)象。
2、檢查發(fā)動機燃油、機油、冷卻水和測功機潤滑油、冷卻水等是否正常；檢查各儀器儀表如轉速表、機油壓力表、冷卻水溫表等是否安裝正確。
3、起動、預熱發(fā)動機，注意聯(lián)軸器節(jié)兩旁不得站人，按先空車小負荷運轉數(shù)分鐘，然后逐漸加至中等負荷（或較大負荷）預熱發(fā)動機至冷卻水出水溫度達到80±5℃左右。
4、參數(shù)的測量必須在發(fā)動機達到正常工作狀態(tài)以后并且穩(wěn)定不會出現(xiàn)波動的情況下時才可以進行。特性曲線的測量點數(shù)多為10個點左右。
5、試驗結束后，緩慢地減少負荷，至發(fā)動機空轉后再關閉所有設備。
3.2 發(fā)動機速度特性試驗
3.2.1 試驗原理
發(fā)動機速度特性是由發(fā)動機性能指標中動力性指標隨工況變化的使用特性的固定分析法的一種。發(fā)動機外特性反應了一臺發(fā)動機所能表現(xiàn)出的最大做工能力。
3.2.2 試驗內(nèi)容和要求
1、在試驗臺上調整轉速負荷按鈕時，應當均勻，不能調節(jié)幅度過大，造成誤差，最主要是會導致發(fā)動機的波動過大，甚至使發(fā)動機失靈。
2、在試驗過程中，時刻關注各種參數(shù)是否出現(xiàn)異常，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應及時關閉。
3、試驗時最主要進行的功率和扭矩以及油耗的測定，當調節(jié)過程中轉速的調節(jié)極為重要，一旦有較為異常的現(xiàn)象，應當視為無效并重做。
4、觀察發(fā)動機有關出水、進水溫度，將溫度穩(wěn)定在80±5℃范圍內(nèi)，若是出現(xiàn)異常情況，應當重新進行實驗。
5、觀察發(fā)動機的其他相關參數(shù)，若是出現(xiàn)異常，請及時聯(lián)絡老師等相關人員進行指導。
6、記錄發(fā)動機扭矩（測功機讀數(shù)）Ttq、發(fā)動機轉速n、耗油質量?m和耗油時間?t，試驗數(shù)據(jù)記錄應準確無誤。
7、在繪制速度特性曲線時，波動較大的數(shù)據(jù)應當及時分析其原因，或者排除。
3.2.3 試驗方法和步驟
速度特性的試驗最主要分兩類，把油門全開稱之為外特性，非油門全開稱之為部分負荷速度特性。外特性數(shù)據(jù)可由多組測量，最后綜合分析。試驗前，做好準備工作，并且在老師的帶領下進行試驗。
1、做好試驗前的相關準備工作，在老師等操作人員指導下，檢查測功機和待測試內(nèi)燃機的運作是否正常，各種線路連接是否正常。
2、啟動待測內(nèi)燃機，并且熱機，待各項溫度油溫水溫等達到了工作范圍后，方可進行試驗。
3、調整試驗臺上對應的油門控制開關，逐漸增大，直至油門全開，致使內(nèi)燃機達到外特性條件下的工作狀態(tài)。
4、有的電控內(nèi)燃機不需用調整點火提前角，查看待測內(nèi)燃機是否需要，需要則將點火提前角調到最佳位置。
5、調整油門控制開關，并固定在待測油門開度下，調整內(nèi)燃機負荷，查看內(nèi)燃機運轉情況，當運行情況穩(wěn)定后，則可點擊記錄，記錄相關數(shù)據(jù)。
6、調節(jié)轉速按鈕，從最高的轉速下，逐漸調整，每次大約調整200左右，直到調節(jié)至最低轉速。
7、本次試驗共進行了油門開度分別為50%、60%、70%、80%、90%、100%成等差數(shù)列的6組試驗，最后的100%為發(fā)動機外特性試驗。將試驗中測得的數(shù)據(jù)繪制成曲線。
8、試驗結束后，整理試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)老師同意后方可離開試驗室。
3.2.4 試驗注意事項
1、測功器和柴油機是否正常運行，潤滑油、柴油、冷卻水、電路是否能夠使用，試驗所用儀器是否能用，精度的要求是否能夠達標，各附件是否合乎GB/T6072 ?3-2003要求。
2、依照安排，先去試驗室熟悉一下試驗設備，提前應對，做好準備。
3、打開開關，啟動實驗儀器然后開動內(nèi)燃機運作一會，當運作的差不多，看看溫度是否達到工作溫度，再調節(jié)試驗臺上的對應按鈕控制節(jié)氣門，使其達到預想的狀態(tài)，在其各方面都和預想狀態(tài)下的條件相符后再進行數(shù)據(jù)的測量（GB/T6072 ?3-2003規(guī)定每個實驗工況運行時間不應該少于1分鐘）。
4、在測量發(fā)動機外特性時，發(fā)動機的最大功率工況屬于時間運轉范圍，不能長時間運行，否則對發(fā)動機壽命影響甚大，因此這時的測量要求迅速、準確，盡量縮短其運行時間。
5、試驗時，因時刻注意試驗臺數(shù)據(jù)以及試驗室里發(fā)動機的運轉情況。
6、無論進行何種發(fā)動機工況的試驗，都應同時測量所有的參數(shù)，然后將這些參數(shù)繪制成曲線，認真分析數(shù)據(jù)，得出試驗結果，對于誤差較大數(shù)據(jù)應及時分析排除。
7、當完成所有試驗時，請勿立即斷開，使發(fā)動機的轉速緩慢降低至怠速工況。溫度降低以后，關閉燃油供給，關閉測功機。
3.4 試驗計算結果校正以及分析方法
由于試驗的環(huán)境等因素會導致實驗結果會產(chǎn)生偏差，為統(tǒng)一標準，按照國家有關標準對大氣進行校正。
國家規(guī)定標準大氣壓狀態(tài)為：大氣壓力p0=99kPa，環(huán)境溫度為：t0=25℃（T0=298K）,相對濕度?0=30%。
1. 壓燃式發(fā)動機有效功率的校正
式中 Pe0——校正到標準環(huán)境條件下的有效功率
αd——壓燃式發(fā)動機的大氣校正因子
Pe0=αdPd
對于壓燃式發(fā)動機大氣校正系數(shù)αd可用如下公式計算
式中 fa——大氣因子
fm——發(fā)動機因子
αd=fafm
對于渦輪增壓式發(fā)動機：
fa=99ps0.7T2981.5
當qcπb=40~50mg/(L? 循環(huán))范圍時，發(fā)動機因子fm可用如下公式計算
式中 πb ——增壓比
qc——單位排量的循環(huán)噴油量[mg/(L? 循環(huán))]
Vst ——發(fā)動機排量（L）
fm=0.036qcπb-1.14
qc=B30nVst×106
如果qcπb<40mg/(L? 循環(huán))時，fm=0.3，如果qcπb>65mg/(L? 循環(huán))時，fm=1.2
2. 燃油消耗率的校正
通常，汽油機不進行燃油校正，而對于壓燃式，也只對其外特性進行校正
式中 be0 ——標準大氣壓校正后的燃油消耗率
bec——試驗條件下測得的燃油消耗率
be0=beαd
3. 發(fā)動機特性分析方法
根據(jù)發(fā)動機的特性對發(fā)動機曲線的分析方法，可用平均有效壓力來定義
式中 ?c——充氣效率
?a——過量空氣系數(shù)
ηi ——指示熱效率
ηm——機械效率
pme=K3?c?aηiηm
通過平均有效壓力的定義，結合發(fā)動機動力性指標、經(jīng)濟性指標可以對其進行分析。
be=K31 ηiηm
Pe=K1?c?aηmηin
B=K4?c?an
Ttq=K2?c?aηmηi
對于柴油機來說，主要取決與噴油量Δg，而充氣效率?c只是提供多大轉矩的可能，所以可用以下公式來考核。
Ttq=K5ηmηiΔg
第4章 發(fā)動機速度特性試驗數(shù)據(jù)處理以及分析
4.1 油門開度為50%時的試驗數(shù)據(jù)處理及分析
輸出轉速
輸出轉矩
輸出功率
油耗量
油耗率
排氣溫度
機油壓力
進水溫度
2801
69.5
20.4
8.105
397.7
355
348
77.7
2602
101.7
27.7
7.761
280.1
315
335
78.6
2400
140.5
35.3
8.207
232.4
301
323
78.4
2202
165.4
38.1
8.648
226.8
289
310
77.5
1998
174.3
36.5
8.579
235.2
290
299
77.1
1798
165.3
31.1
7.878
253
294
274
78
1600
168.6
28.2
7.138
252.8
294
247
78.5
1403
201.5
29.6
7.138
241.3
297
221
78
1200
198.4
24.9
7.138
286.3
309
198
77.2
997
185.2
19.3
5.384
278.4
320
177
77.4
799
193.5
16.2
4.039
249.7
329
141
77.9
表4-1
經(jīng)過修正后的試驗數(shù)據(jù)：
輸出轉速
大氣壓力
環(huán)境濕度
環(huán)境溫度
修正系數(shù)
修正功率
修正轉矩
修正油耗率
2801
102.8
2.6
45.2
1.0084
20.6
70.1
394.4
2602
102.8
2.8
45.3
1.0084
27.9
102.6
277.7
2400
102.8
2.7
45.3
1.0084
35.6
141.7
230.4
2202
102.8
2.7
45.3
1.0084
38.4
166.8
224.9
1998
102.8
2.8
45.4
1.0084
36.8
175.8
233.3
1798
102.8
2.6
45.4
1.0084
31.4
166.7
250.9
1600
102.8
2.7
45.5
1.0084
28.5
170
250.7
1403
102.8
2.5
45.5
1.0084
29.8
203.1
239.3
1200
102.8
2.5
45.5
1.0084
25.1
200
283.9
997
102.8
2.3
45.5
1.0084
19.5
186.8
276.1
799
102.8
2.3
45.5
1.0084
16.3
195.1
247.6
表4-2
油耗率be和轉速n的關系如下:
圖4-1
在油門開度為50%時，油耗率be的曲線在轉速為800到1500（r/min）之間有個峰值，其峰值為283.9[g/(kW? h)]，對應轉速n為1403（r/min），在隨后1500到2500（r/min）之間油耗率be的變化比較平穩(wěn)，并在轉速n為2201r/min時，油耗率be達到最小值224.9[g/(kW? h)]，但之后油耗率be非但沒有減小，反而快速增長并在轉速n為2801（r/min）時，油耗率be達到最大值394.4[g/(kW? h)]。
功率Pe和轉速n的關系如下：
圖4-2
在油門開度為50%時，功率Pe的曲線在轉速為800到1500（r/min）之間出現(xiàn)了第一個最大值29.8kW，對應的轉速n為1403（r/min），在隨后1500到2500（r/min）之間功率Pe稍微減小后就繼續(xù)增長，并且在其中轉速n為2202（r/min）時，功率Pe達到最大值38.4kW，之后隨著轉速n的增長功率Pe也開始降低，整個功率Pe的最小值16.3kW在最低轉速n為799（r/min）時侯出現(xiàn)。
轉矩Ttq和轉速n的關系圖如下：
圖4-3
在油門開度為50%時，扭矩Ttq的曲線在轉速為800到1500（r/min）之間先下降后上升，并在轉速n為1403（r/min）時,扭矩Ttq達到最大值203.1（N ? m）。在隨后1500到2500（r/min）之間，扭矩Ttq先減小后上升，只不過上升幅度較小，隨后便大幅度下降，直到轉速n為2801（r/min）時，扭矩Ttq達到最小值70.1（N ? m）。
數(shù)據(jù)匯總后的速度特性關系如下：
圖4-4
匯總后，整體觀看在轉速n為1403（r/min）時，扭矩Ttq達到最大值，同時在轉速n為2202（r/min）時，油耗率be達到最小值，功率Pe達到最大值。
4.2 油門開度為60%時的試驗數(shù)據(jù)處理及分析
輸出轉速
輸出轉矩
輸出功率
油耗量
油耗率
排氣溫度
機油壓力
進水溫度
2798
182.5
53.5
13.564
253.7
350
104
36.3
2604
216.3
59
13.564
230
341
103
36.3
2396
238.2
59.8
14.174
237.1
341
95
36.3
2193
241.8
55.5
13.569
244.4
343
92
36.3
1997
245.4
51.3
11.734
228.6
342
89
36.2
1801
233.7
44.1
10.423
236.4
341
84
36.2
1599
234.1
39.2
9.129
232.8
339
82
36.1
1399
244.1
35.8
8.154
228.1
342
75
36
1200
260.6
32.8
7.526
229.8
348
72
36
1004
269.1
28.3
6.56
231.9
363
65
35.9
794
230.9
19.2
5.424
282.7
376
59
35.9
表4-3
經(jīng)過修正后的實驗數(shù)據(jù)
輸出轉速
大氣壓力
環(huán)境濕度
環(huán)境溫度
修正系數(shù)
修正功率
修正轉矩
修正油耗率
2798
102.8
14.7
28
1.0084
53.9
184
251.6
2604
102.8
14.8
28.1
1.0084
59.5
218.1
228.1
2396
102.9
14.9
28.1
1.0084
60.3
240.2
235.2
2193
102.8
14.9
28.1
1.0084
56
243.8
242.4
1997
102.8
15
28.2
1.0084
51.8
247.4
226.7
1801
102.9
15
28.2
1.0084
44.5
235.7
234.5
1599
102.9
15.2
28.2
1.0084
39.5
236.1
230.9
1399
102.8
15.3
28.2
1.0084
36.1
246.1
226.2
1200
102.8
15.4
28.2
1.0084
33
262.8
227.9
1004
102.9
15.3
28.3
1.0084
28.5
271.4
230
794
102.9
15.4
28.3
1.0084
19.3
232.8
280.4
表4-4
油耗率be與轉速n的關系如下:
圖4-5
在油門開度為60%時，油耗率be的曲線在轉速為800到1000（r/min）之間急速下降，在隨后1000到1800（r/min）之間變化較為平穩(wěn)，并在轉速n為1399（r/min）時，油耗率be達到最小值226.2[g/(kW? h)]。再之后的轉速增長中，油耗率be相對于之前的變化波動較大，其出現(xiàn)的谷值也非常接近油耗率be的最小值。整個曲線的最大值出現(xiàn)在最低轉速n為794（r/min）時，此時，油耗率be的值為 280.4[g/(kW? h)]。
功率Pe和轉速n的關系如下：
圖4-6
在油門開度為60%時，功率Pe的曲線在整個轉速范圍內(nèi)基本上呈現(xiàn)出的是上升趨勢，并且在轉速n為2396（r/min）時，功率Pe達到最大值60.3kW，隨后，功率Pe開始下降。整個曲線的最小值出現(xiàn)在轉速n為794（r/min）時，此時，功率Pe的值為19.3kW。
轉矩Ttq和轉速n的關系如下：
圖4-7
在油門開度為60%時，扭矩Ttq的曲線在轉速為800到1000（r/min）之間急速上升，并且在轉速n為1004（r/min）時,扭矩Ttq達到了最大值271.4（N ? m）。之后，隨轉速n的增加，扭矩Ttq先下降，再稍微增加，在達到功率Pe最大值所對應的轉速2396（r/min）后，開始明顯下降，直到到達額定轉速n為2798（r/min）時，扭矩Ttq達到最小值184（N ? m）。
數(shù)據(jù)匯總后的速度特性關系如下：
圖4-8
匯總后，整體觀看在轉速n為1004（r/min）時，扭矩Ttq達到最大值。同時油耗率be也在該轉速之前變化較大，在該轉速之后變化較為平穩(wěn)，在轉速n為1399（r/min）時，油耗率be達到最小值。而功率Pe則是在轉速n為2396（r/min）時達到最大值。
4.3 油門開度為70%時的試驗數(shù)據(jù)的處理及分析
輸出轉速
輸出轉矩
輸出功率
油耗量
油耗率
排氣溫度
機油壓力
進水溫度
2800
258.6
75.8
17.775
234.5
391
336
76.9
2603
284.2
77.5
18.073
233.3
399
328
78.1
2401
294.1
73.9
16.985
229.7
406
315
77.3
2199
310
71.4
16.768
234.9
410
303
74.2
1999
305.5
64
16.768
262.2
410
288
77.7
1800
292.6
55.1
16.481
298.9
401
266
78
1599
273.9
45.9
10.834
236.2
394
241
74.3
1399
288.6
42.3
9.235
218.5
395
217
76.8
1199
284.5
35.7
8.168
228.7
403
197
78.5
998
262.7
27.4
6.848
249.6
413
171
78.8
801
231
19.4
5.156
266.2
423
136
76.1
表4-5
經(jīng)過修正后的實驗數(shù)據(jù)
輸出轉速
大氣壓力
環(huán)境濕度
環(huán)境溫度
修正系數(shù)
修正功率
修正轉矩
修正油耗率
2800
102.8
3.7
43.7
1.0084
76.4
260.8
232.5
2603
102.8
4
43.8
1.0084
78.1
286.6
231.4
2401
102.8
3.9
43.9
1.0084
74.6
296.6
227.8
2199
102.8
3.9
44
1.0084
72
312.6
232.9
1999
102.8
3.9
44.2
1.0084
64.5
308
260
1800
102.8
3.9
44.4
1.0106
55.7
295.7
295.7
1599
102.8
3.8
44.5
1.0084
46.3
276.2
234.2
1399
102.8
3.8
44.5
1.0084
42.6
291
216.7
1199
102.8
3.4
44.5
1.0084
36
286.9
226.8
998
102.8
3.4
44.6
1.0084
27.7
264.9
247.5
801
102.8
3.2
44.7
1.0084
19.5
232.9
264
表4-6
油耗率be與轉速n的關系如下:
圖4-9
在油門開度為70%時，油耗率be的曲線在轉速為800到1500（r/min）之間呈現(xiàn)下降趨勢，并且在轉速n為1399（r/min）時，油耗率be達到最小值216.7[g/(kW? h)]。但在之后突然急速上升，在轉速n為1800/min時，油耗率be達到最大值295.7[g/(kW? h)]。此后，油耗率be則開始急速下降，并在2199（r/min）之后變化平穩(wěn)。
功率Pe和轉速n的關系如下：
圖4-10
在油門開度為70%時，功率Pe的曲線在整個轉速區(qū)域內(nèi)基本呈現(xiàn)出正比列增長，在轉速n為2603（r/min）時，功率Pe達到了最大值78.1kW。該曲線的最小值出現(xiàn)在最低轉速n為801（r/min）時，此時，功率Pe的值為19.5kW。
轉矩Ttq和轉速n的關系如下：
圖4-11
在油門開度為70%時，扭矩Ttq的曲線在轉速為800到1500（r/min）之間先增長，并在油耗率be達到最大值所對應轉速n為1399（r/min）之后，稍微下降，隨后繼續(xù)增長，并且在轉速n為2199（r/min）時,扭矩Ttq達到最大值312.6（N ? m），之后，則持續(xù)下降。該曲線的最小值出現(xiàn)在最低轉速n為801（r/min）時，此時，扭矩Ttq的值為232.9（N ? m）。
數(shù)據(jù)匯總后的速度特性關系如下：
圖4-12
匯總后，整體觀看油耗率be曲線的變化較為異常，對比之前的曲線，并無在中間區(qū)域出現(xiàn)過最大值。油耗率be的最小值出現(xiàn)在轉速n為1399（r/min），此時，扭矩Ttq開始短暫下降，在轉速n為2199（r/min)時達到最大值。而功率Pe則是在轉速n為2603（r/min）時達到最大值。
4.4 油門開度為80%時的試驗數(shù)據(jù)的處理及分析
輸出轉速
輸出轉矩
輸出功率
油耗量
油耗率
排氣溫度
機油壓力
進水溫度
2884
286.8
86.6
19.078
220.3
395
99
77.1
2691
272.7
76.9
19.562
254.5
415
105
76
2497
292.6
76.5
19.562
255.7
422
99
74.5
2298
308.2
74.1
19.562
263.9
425
94
75.9
2101
314.1
69.1
18.396
266.2
428
92
77.2
1894
307.4
61
15.116
248
427
88
75.3
1700
272.2
48.4
11.972
247.1
420
84
73
1499
282.3
44.3
10.399
234.7
413
79
75.4
1299
288.3
39.2
9.458
241.2
413
72
77.1
1096
276.6
31.7
8.107
255.4
419
66
77.6
901
240.9
22.7
6.16
271.1
426
59
74.1
表4-7
經(jīng)過修正后的實驗數(shù)據(jù)
輸出轉速
大氣壓力
環(huán)境濕度
環(huán)境溫度
修正系數(shù)
修正功率
修正轉矩
修正油耗率
2884
102.9
11.2
32.4
1.0084
87.3
289.2
218.4
2691
102.8
11.4
32.5
1.0084
77.5
275
252.4
2497
102.8
11.9
32.6
1.0084
77.1
295
253.6
2298
102.8
12
32.6
1.0084
74.8
310.7
261.7
2101
102.8
12
32.7
1.0084
69.7
316.7
264
1894
102.8
12.1
32.7
1.0084
61.5
309.9
245.9
1700
102.8
12.3
32.8
1.0084
48.8
274.5
245.1
1499
102.8
12.3
32.8
1.0084
44.7
284.6
232.7
1299
102.8
12.4
32.9
1.0084
39.6
290.7
239.1
1096
102.8
12.4
32.9
1.0084
32
278.9
253.3
901
102.8
12.1
32.9
1.0084
22.9
243
268.9
表4-8
油耗率be與轉速n的關系如下:
圖4-13
在油門開度為80%時，油耗率be曲線的最大值268.9[g/(kW? h)]和最小值218.4[g/(kW? h)]分別出現(xiàn)最低在轉速n為901（r/min）時和額定轉速n為2884（r/min）時，尤其是最小值和前一個數(shù)值變化太大。在此認定另一個最小值，即為出現(xiàn)在1499（r/min）時，數(shù)值為232.7[g/(kW? h)]為準。在該轉速之后，油耗率be波動上升，在轉速為2101（r/min）之后開始下降，并在最高轉速時急速下降。
功率Pe和轉速n的關系如下：
圖4-14
在油門開度為80%時，功率Pe的曲線在整個轉速范圍內(nèi)幾乎是直線增長，沒有出現(xiàn)過下降的點，其功率Pe的最大值87.3kW出現(xiàn)在額定轉速n為2884（r/min）時，而功率Pe的最小值22.9kW則出現(xiàn)在最低轉速n為901（r/min）時。
轉矩Ttq和轉速n的關系如下：
圖4-15
在油門開度為80%時，扭