曹杰， 牛軍， 梁永森， 曲栓， 高英英， 梁紅波， 和龍

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

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某大功率柴油機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)研究

曹杰， 牛軍， 梁永森， 曲栓， 高英英， 梁紅波， 和龍

(中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

為了獲得某大功率柴油機(jī)的機(jī)械損失隨機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律以及各系統(tǒng)的機(jī)械損失組成比例，采用倒拖法進(jìn)行了機(jī)械損失試驗(yàn)研究。試驗(yàn)表明，同一轉(zhuǎn)速下，機(jī)油溫度每升高10 ℃，平均機(jī)械損失壓力減小約0.01 MPa；將倒拖法測(cè)得的機(jī)械損失通過Chen-Flynn模型進(jìn)行修正，和油耗線法測(cè)得的平均機(jī)械損失壓力相比，倒拖法更為準(zhǔn)確；獲得了各系統(tǒng)的機(jī)械損失分配比例，其中活塞連桿組的機(jī)械損失所占比例最大，活塞平均速度為11.7 m/s時(shí)所占機(jī)械損失比例達(dá)65.5%。

機(jī)械損失； 平均機(jī)械損失壓力； 柴油機(jī)； 倒拖法

隨著柴油機(jī)的強(qiáng)化水平日益提高，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和平均有效壓力的提高導(dǎo)致機(jī)械損失隨之增大。降低柴油機(jī)的機(jī)械損失，從而提高機(jī)械效率是提高柴油機(jī)性能的一個(gè)重要途徑。國(guó)外基于潤(rùn)滑理論并通過試驗(yàn)驗(yàn)證建立了活塞環(huán)、活塞裙、軸承、配氣機(jī)構(gòu)等不同摩擦副的機(jī)械損失模型[1-4]，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)柴油機(jī)部件的機(jī)械損失。國(guó)內(nèi)主要通過試驗(yàn)方法測(cè)量柴油機(jī)的機(jī)械損失，試驗(yàn)方法主要有倒拖法、示功圖法、油耗線法和滅缸法等[5]，這幾種測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要取決于測(cè)試的試驗(yàn)條件。江蘇大學(xué)和企業(yè)合作通過倒拖法測(cè)試了幾種機(jī)型的整機(jī)和部件的機(jī)械損失[6-8]，為柴油機(jī)的開發(fā)和進(jìn)一步強(qiáng)化提供了支撐。本研究采用倒拖法測(cè)量了某大功率柴油機(jī)的機(jī)械損失及燃油供油系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、活塞連桿組等系統(tǒng)組件的機(jī)械損失，為柴油機(jī)的進(jìn)一步強(qiáng)化和機(jī)械效率的提高提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)樣機(jī)采用某大功率柴油機(jī)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)的活塞平均速度為11.7 m/s，為探索柴油機(jī)強(qiáng)化后機(jī)械損失情況，試驗(yàn)時(shí)將柴油機(jī)的活塞平均速度增高至14.9 m/s。

試驗(yàn)采用SKAF511電力測(cè)功機(jī)，其最大倒拖轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最大倒拖功率515 kW。采用溫控系統(tǒng)控制機(jī)油和冷卻水溫度。整機(jī)倒拖試驗(yàn)進(jìn)行了3組不同油水溫度試驗(yàn)：

1) 控制發(fā)動(dòng)機(jī)回水溫度(30±5) ℃，機(jī)油進(jìn)油溫度(30±5) ℃；

2) 控制發(fā)動(dòng)機(jī)回水溫度(50±5) ℃，機(jī)油進(jìn)油溫度(60±5) ℃；

3) 控制發(fā)動(dòng)機(jī)回水溫度(75±5) ℃，機(jī)油進(jìn)油溫度(90±5) ℃。

其他系統(tǒng)和部件倒拖試驗(yàn)時(shí)控制回水溫度(75±5) ℃，機(jī)油進(jìn)油溫度(90±5) ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 整機(jī)倒拖試驗(yàn)

采用電力測(cè)功機(jī)倒拖柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，溫控系統(tǒng)控制機(jī)油和冷卻水的溫度，采集倒拖轉(zhuǎn)速和扭矩及其他必要的測(cè)量參數(shù)，采集氣缸壓力計(jì)算缸內(nèi)泵氣功。

由于試驗(yàn)樣機(jī)為空-空中冷機(jī)型，試驗(yàn)時(shí)未安裝設(shè)備中冷器，柴油機(jī)進(jìn)氣管直接與試驗(yàn)室環(huán)境連通，排氣管經(jīng)過增壓器渦輪后與試驗(yàn)室環(huán)境連通。柴油機(jī)倒拖時(shí)為模擬燃油系統(tǒng)正常工作而又不使燃油噴入缸內(nèi)，高壓油泵出口重新連接一套高壓油管和噴油器，并將噴出的燃油收集回油箱。整機(jī)倒拖功試驗(yàn)臺(tái)架布置見圖1。

1.2.2 系統(tǒng)部件機(jī)械損失試驗(yàn)

將可以拆除或脫開傳動(dòng)的系統(tǒng)部件逐項(xiàng)分解，包括脫開高壓油泵傳動(dòng)、拆除活塞連桿組、脫開配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)等，每拆除或脫開一個(gè)系統(tǒng)部件進(jìn)行一次倒拖試驗(yàn)。

2 整機(jī)機(jī)械損失和機(jī)械效率

2.1 機(jī)械損失的計(jì)算方法

機(jī)械損失定義為整個(gè)循環(huán)缸內(nèi)作用在活塞上的指示功與輸出功的差，以平均壓力形式定義的機(jī)械損失可表示為

pmm=pmi-pme，

(1)

pmi=pmig+pmep。

(2)

式中：pmm為平均機(jī)械損失壓力；pme為平均有效壓力；pmi為缸內(nèi)平均指示壓力；pmep為一個(gè)工作循環(huán)進(jìn)氣行程與排氣行程缸內(nèi)氣體對(duì)活塞做功的代數(shù)和；pmig為一個(gè)工作循環(huán)壓縮行程與膨脹行程缸內(nèi)氣體對(duì)活塞做功的代數(shù)和。

將式(2)帶入式(1)中得到：

pmm=pmig+pmep-pme。

(3)

倒拖試驗(yàn)時(shí)缸內(nèi)不發(fā)火，pmig≈0，通過電力測(cè)功機(jī)測(cè)得的倒拖扭矩計(jì)算可得到倒拖pme，采集缸內(nèi)壓力曲線計(jì)算得到倒拖pmep，倒拖試驗(yàn)測(cè)得的機(jī)械損失可表達(dá)為

pmm≈pmep-pme。

(4)

2.2 不同機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速下的倒拖機(jī)械損失

按照上述試驗(yàn)方法測(cè)得了3種機(jī)油溫度、不同轉(zhuǎn)速下整機(jī)倒拖扭矩和相應(yīng)工況下的缸內(nèi)壓力曲線，按照式(4)進(jìn)行處理，得到不同機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速下整機(jī)的倒拖機(jī)械損失(見圖2)。

從圖2可以看出：

1) 同一轉(zhuǎn)速下，pmm隨著機(jī)油溫度的上升而減小，機(jī)油溫度每升高10 ℃，pmm減小約0.01 MPa。可見機(jī)油溫度對(duì)機(jī)械損失影響較大，機(jī)油溫度上升，機(jī)油黏度減小，流動(dòng)性增強(qiáng)，潤(rùn)滑充分，油膜內(nèi)摩擦阻力減小，摩擦副之間摩擦功減小[9]。

2) 同一機(jī)油溫度下，pmm隨著轉(zhuǎn)速升高大幅增加。機(jī)油溫度90 ℃時(shí)，活塞平均速度14.9 m/s所對(duì)應(yīng)的pmm約為4.3 m/s時(shí)的3.2倍，相比11.7 m/s時(shí)增加了34.6%?？梢?，轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械損失影響較大，主要原因是活塞組摩擦表面的機(jī)械摩擦損失大致與活塞平均速度成正比，驅(qū)動(dòng)附件的損失也隨轉(zhuǎn)速增加而增大，摩擦面上的慣性力載荷與轉(zhuǎn)速的平方成正比[10]。

2.3 機(jī)械損失的修正

平均機(jī)械損失壓力pmm與活塞平均速度vm和最高燃燒壓力pmax有關(guān)。

pmm=f(pmax，vm)。

(5)

通過倒拖試驗(yàn)得到的pmm是在缸內(nèi)較低壓力狀態(tài)下的平均機(jī)械損失壓力，倒拖試驗(yàn)時(shí)缸內(nèi)最高壓力與正常工作狀態(tài)時(shí)的缸內(nèi)最高燃燒壓力有很大差異?？紤]到發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)缸內(nèi)最高燃燒壓力對(duì)pmm的影響，采用Chen-Flynn模型[11]對(duì)試驗(yàn)得到的pmm進(jìn)行修正。

pmm=c0+c1·pmax+c2·vm+c3·cm2。

(6)

式中：c0取值范圍0.3～0.5，c1取值范圍0.004～0.006，c2取值范圍0.08～0.1，c3取值范圍0.000 6～0.001 2。

整機(jī)倒拖試驗(yàn)時(shí)，缸內(nèi)最高壓力為pmax0，倒拖平均機(jī)械損失壓力為

pmm0=c0+c1·pmax0+c2·vm+c3·cm2。

(7)

整機(jī)正常工作時(shí)，缸內(nèi)最高燃燒壓力為pmax1，平均機(jī)械損失壓力為

pmm1=c0+c1·pmax1+c2·vm+c3·cm2。

(8)

爆壓修正后的平均機(jī)械損失壓力為

pmm1=pmm0+c1·(pmax1-pmax0)。

(9)

采用Chen-Flynn模型對(duì)倒拖試驗(yàn)測(cè)得的90 ℃機(jī)油溫度下倒拖平均機(jī)械損失壓力進(jìn)行爆壓修正，結(jié)果見表1。

表1 倒拖平均機(jī)械損失壓力及其爆壓修正

圖3示出采用倒拖法測(cè)得經(jīng)爆壓修正后得到的平均機(jī)械損失壓力，并與油耗線法測(cè)得的平均機(jī)械損失壓力進(jìn)行了對(duì)比。由圖可見，倒拖試驗(yàn)法測(cè)得的pmm落在Chen-Flynn模型擬合的上下限內(nèi)，而油耗線法測(cè)得的pmm一部分落在上下限外，因此倒拖法測(cè)量pmm較油耗線法更加準(zhǔn)確。油耗線法測(cè)定機(jī)械損失是基于指示熱效率ηit和pmm不隨負(fù)荷變化的假設(shè)下進(jìn)行的，對(duì)于強(qiáng)化程度較高的柴油機(jī)采用油耗線法計(jì)算會(huì)帶來較大誤差。

2.4 各系統(tǒng)部件的機(jī)械損失

通過分解各系統(tǒng)部件進(jìn)行倒拖試驗(yàn)，在整機(jī)基礎(chǔ)上先后拆除燃油泵、活塞連桿組、配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，得到圖4所示的各系統(tǒng)部件機(jī)械損失隨活塞平均速度的變化規(guī)律曲線，其中活塞連桿組損失包含活塞環(huán)組、活塞裙、連桿軸承的機(jī)械損失，余項(xiàng)損失包含機(jī)油泵、冷卻水泵、曲軸以及傳動(dòng)齒輪的機(jī)械損失。

從圖4可以看到，隨著活塞平均速度的提高，各系統(tǒng)平均機(jī)械損失壓力增大?；钊骄俣鹊淖兓瘜?duì)各系統(tǒng)平均機(jī)械損失壓力的影響程度不同：燃油泵和配氣機(jī)構(gòu)的平均機(jī)械損失壓力數(shù)值較小，隨轉(zhuǎn)速提高線性增大；活塞連桿組的平均機(jī)械損失壓力數(shù)值較大，而且隨轉(zhuǎn)速提高而大幅增加，導(dǎo)致整機(jī)機(jī)械損失隨轉(zhuǎn)速提高大幅上升。

圖5示出不同活塞平均速度下各系統(tǒng)平均機(jī)械損失壓力的組成比例?？梢钥吹?，配氣機(jī)構(gòu)功耗比例最小，而且隨著轉(zhuǎn)速提高比例緩慢降低，最大比例為4.9%；燃油泵功耗比例也較低，隨著轉(zhuǎn)速上升比例略有提高，最大比例7.5%；余項(xiàng)比例較大，隨著轉(zhuǎn)速提高比例由17.2%上升到26.0%；活塞連桿組比例最大，雖然隨著轉(zhuǎn)速上升比例降低，但其比例高達(dá)63.3%～75.4%。

將機(jī)油泵、水泵在專用臺(tái)架上進(jìn)行功耗測(cè)量試驗(yàn)，獲得了柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況下機(jī)油泵和水泵的功耗。圖6示出柴油機(jī)標(biāo)定工況下各系統(tǒng)的平均機(jī)械損失壓力組成比例，其中活塞連桿組所占比例最大，為65.5%，活塞連桿組的減摩降耗是提高整機(jī)機(jī)械效率的重要途徑。

3 結(jié)論

a) 通過倒拖法確定了某大功率柴油機(jī)的機(jī)械損失，該系列柴油機(jī)標(biāo)定點(diǎn)的機(jī)械損失pmm為0.23～0.25 MPa;

b) 獲得了柴油機(jī)的機(jī)械損失pmm與機(jī)油溫度和活塞平均速度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并探索了柴油機(jī)強(qiáng)化后機(jī)械損失情況，為柴油機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化時(shí)機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速的確定提供了支撐;

c) 對(duì)比分析了倒拖法和油耗線法測(cè)量柴油機(jī)機(jī)械損失的結(jié)果,強(qiáng)化程度較高的柴油機(jī)采用倒拖法測(cè)量機(jī)械損失相對(duì)油耗線法更為準(zhǔn)確;

d) 通過倒拖試驗(yàn)獲得了不同轉(zhuǎn)速下各系統(tǒng)的機(jī)械損失變化曲線及分配比例,隨著活塞平均速度的提高，各系統(tǒng)的平均機(jī)械損失壓力增大;活塞平均速度的變化對(duì)各系統(tǒng)平均機(jī)械損失壓力的影響程度不同;

e) 各系統(tǒng)機(jī)械損失分配中活塞連桿組的機(jī)械損失比例最大，標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)活塞連桿組的平均機(jī)械損失壓力所占比例為65.5%，活塞連桿組的減摩降耗是提高整機(jī)機(jī)械效率的重要途徑。

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[編輯： 潘麗麗]

Experimental Study on Mechanical Loss of a High Power Diesel Engine

CAO Jie， NIU Jun， LIANG Yongsen， QU Shuan， GAO Yingying， LIANG Hongbo， HE Long

(China North Engine Research Institute(Tianjin)， Tianjin 300400， China)

In order to achieve the law of mechanical loss with lube oil temperature and engine speed and the mechanical loss composition of each system for a high power diesel engine, the experiment of mechanical loss was conducted by motoring test method. The results showed that the mean mechanical loss pressure decreased by 0.01 MPa per 10 ℃ increase of lube oil at the same speed. The measured mechanical loss with motoring test method was corrected through Chen-Flynn model. Compared to the result measured with fuel consumption curve method, the motoring test method was more accurate. Finally, the mechanical loss of each system was acquired. The mechanical loss of piston-connecting rod pair was the maximum and occupied 65.5% when the mean velocity of piston was 11.7 m/s.

mechanical loss; mean mechanical loss pressure; diesel engine; motoring test method

2015-07-24；

2015-11-30

曹杰(1984—)，男，碩士，助理研究員，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)總體性能研究； jackcao99@163.com 。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.013

TK422.2

B

1001-2222(2015)06-0065-04