楊名名，劉依敏，錢人杰

（上海機(jī)動(dòng)車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海201805）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)機(jī)械損失為發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功減去測功機(jī)測到的有效功，其臺(tái)架測量方法有示功圖法、倒拖法、滅缸法和油耗線法［1］。對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)而言，因試驗(yàn)原理的不同，示功圖法、倒拖法和滅缸法適用于汽油機(jī)和柴油機(jī)，而油耗線法僅適用于柴油機(jī)。倒拖法適用最為廣泛，常被用于研究發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)機(jī)械損失，尤其是摩擦損失。付建勤、段雄波等人用倒拖法研究了整機(jī)和子系統(tǒng)的機(jī)械損失規(guī)律［2-5］。楊連生等人研究了用平均指示功求機(jī)械損失的示功圖法，該方法是最為合理的測量方法［6］；但受制于測試設(shè)備的原因，主要是上止點(diǎn)確定誤差較大而一直未得到實(shí)用。楊寶勤等人研究了油耗線法測量機(jī)械損失的理論依據(jù)，假設(shè)固定轉(zhuǎn)速下的機(jī)械損失功率和指示效率都不隨負(fù)荷變化而變化［7］。

本文對某國V柴油機(jī)的機(jī)械損失功率，采用上述各方法進(jìn)行試驗(yàn)測量，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究。同時(shí)，將試驗(yàn)結(jié)果與里卡多經(jīng)驗(yàn)公式［8］和Chen-Flynn模型［9］進(jìn)行對比，為柴油機(jī)機(jī)械損失的臺(tái)架測量和發(fā)動(dòng)機(jī)性能開發(fā)、優(yōu)化提供參考。

1 機(jī)械損失臺(tái)架測量方法

1.1 倒拖法

采用電力測功機(jī)對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行倒拖試驗(yàn)，通過斷開點(diǎn)火開關(guān)來切斷發(fā)動(dòng)機(jī)噴油。倒拖試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)不做功，由測功機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，測功機(jī)測得的功率即為發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的機(jī)械損失功率。

1.2 示功圖法

在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，由測功機(jī)測得發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸末端的輸出功率，即有效功率；通過燃燒分析儀測得發(fā)動(dòng)機(jī)各缸缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角一一對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)公式計(jì)算得到指示功率；用指示功率和有效功率的差值來確定機(jī)械損失。

1.3油耗線法

油耗線法也稱為負(fù)荷特性法，僅適用于柴油機(jī)。在中低負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)的燃油耗量B與有效功率Pe基本成線性關(guān)系，利用相似三角形原理，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下的B-Pe曲線，可以得到Pm值。據(jù)研究，油耗線法的理論基礎(chǔ)為：當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，其機(jī)械損失功率和指示熱效率都不隨負(fù)荷變化而變化。燃油耗與有效功率關(guān)系在中小負(fù)荷時(shí)越趨于線性，測得的機(jī)械損失可信度越高［10］。

1.4 滅缸法

在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，測量發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率，然后使其中的1缸不工作 （不供油），其他條件盡可能保持不變，再測量發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功，二者之差為不工作之缸的指示功率；這樣逐次滅缸，得到各缸的指示功率，最終得到整機(jī)的機(jī)械損失［11］。

滅缸法機(jī)械損失計(jì)算如下：

式中：Pi為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)指示功率，kW；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)有效功率，kW；Pe，i為滅掉第i缸后其余缸的有效功率，kW；Pm為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)機(jī)械損失功率，kW；n為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)，i為氣缸序號。

據(jù)研究，驅(qū)動(dòng)附件損失及換氣損失受氣缸壓力影響較小，活塞、活塞環(huán)與氣缸之間及曲軸軸頸與軸瓦之間的摩擦損失隨著氣缸內(nèi)壓力增大而增大；特別是活塞環(huán)與氣缸之間的摩擦損失，與活塞環(huán)的背壓成正比［12］。倒拖法、油耗線法及滅缸法測量的均是發(fā)動(dòng)機(jī)整體機(jī)械損失，包含驅(qū)動(dòng)附件損失、摩擦損失和換氣損失。示功圖法不包含換氣損失，因?yàn)樵谟?jì)算指示功的時(shí)候已經(jīng)將換氣損失減去［13］。

2 機(jī)械損失功率臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣機(jī)

本文采用試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為2.8 L車用4缸柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用HORIBA品牌的Dynas3系列交流電力測功機(jī)及其控制系統(tǒng)、HORIBA品牌的FQ2100DP系列體積式瞬態(tài)油耗儀、AVL品牌Indicom系列燃燒分析儀及缸內(nèi)壓力傳感器、CAHU品牌的CAHU3500進(jìn)氣空調(diào)、武漢東測品牌的EME系列水冷和中冷溫控單元。試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示。

圖1 柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置

2.3 試驗(yàn)條件

采用倒拖法時(shí)，電力測功機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和機(jī)油溫度控制都在30℃、60℃和90℃；采用油耗線法、滅缸法和示功圖法時(shí)，試驗(yàn)條件與發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架試驗(yàn)的一致。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 倒拖法

對試驗(yàn)樣機(jī)采用倒拖法測量整機(jī)機(jī)械損失，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》［14］規(guī)定之機(jī)械損失功率試驗(yàn)規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同機(jī)油溫度下平均損失壓力實(shí)測值

由圖2可知，機(jī)油溫度對摩擦損失在機(jī)械損失的比重影響非常大，機(jī)油溫度越低，摩擦損失占整個(gè)機(jī)械損失比重越大。冷機(jī) （機(jī)油30℃）整機(jī)損失比熱機(jī) （機(jī)油90℃）整機(jī)損失最小相差16.6%， 最大相差36.1%。

平均損失壓力計(jì)算模型中，主要影響因素為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，計(jì)算公式采用較為常用的里卡多經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算模型采用Chen-Flynn模型。平均損失壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成二次多項(xiàng)式關(guān)系，利用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式回歸，得到本次試驗(yàn)的平均損失壓力的二次多項(xiàng)式：

式中：y為平均損失壓力，MPa；x為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

臺(tái)架實(shí)際測量的平均損失壓力與由計(jì)算模型得到的平均損失壓力相比，相差很小，在中間轉(zhuǎn)速區(qū)域，幾乎沒有差別，整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)域相差0.13% ～4.58%，如圖3所示。

圖3 平均機(jī)械損失的實(shí)測值與理論值比較

倒拖試驗(yàn)過程中，記錄平均指示有效壓力（indicated mean effective pressure， IMEP） 和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的倒拖扭矩。倒拖狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)沒有做功，IMEP等于換氣損失。倒拖法測試的IMEP計(jì)算如下：

式中，pme為IMEP，MPa；Pe為有效功率，kW；V為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

通過計(jì)算，可以得到平均損失壓力分配情況。換氣損失與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速越高，換氣損失越大。驅(qū)動(dòng)附件損失和摩擦損失的之和與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎成二次多項(xiàng)式關(guān)系，如圖4所示。圖4所示的損失壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)在熱機(jī) （機(jī)油90℃）狀態(tài)下所測得的。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)損失壓力分布

在現(xiàn)行發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩標(biāo)定試驗(yàn)中，將倒拖法試驗(yàn)結(jié)果作為機(jī)械損失對損失扭矩進(jìn)行標(biāo)定。在不同冷卻液溫度和機(jī)油溫度下倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，將不同轉(zhuǎn)速下測得的摩擦扭矩填入摩擦扭矩Map圖中，再利用插值法進(jìn)行插值和平順。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際換氣損失很大，不能忽視；但采用倒拖法測得的換氣損失是各轉(zhuǎn)速下最小值，故測得的機(jī)械損失偏小。

3.2 示功圖法

對試驗(yàn)樣機(jī)采用示功圖法測量整機(jī)機(jī)械損失。試驗(yàn)采用發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)后的萬有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中，主要記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)測扭矩、燃油耗、各氣缸的缸內(nèi)壓力、冷卻液溫度、機(jī)油溫度等數(shù)據(jù)。

在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，平均損失壓力隨轉(zhuǎn)速和缸內(nèi)壓力的增大而增加。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)，平均損失壓力達(dá)到最大值0.18 MPa（額定點(diǎn)），如圖5所示；各轉(zhuǎn)速下平均損失壓力最大差值如圖6所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速和高速區(qū)，平均損失壓力隨負(fù)荷變化相對較小， 最小值0.017 MPa， 最大值0.026 MPa。 在最大扭矩附近的中速區(qū)，平均損失壓力波動(dòng)比較大， 2 200r／min下達(dá)到最大值， 為0.044 MPa， 占該轉(zhuǎn)速最大平均損失壓力 （不包含換氣損失）的29.1%。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)平均損失壓力

圖6 不同轉(zhuǎn)速下平均損失壓力最大差值

3.3 油耗線法

對試驗(yàn)樣機(jī)采用油耗線法測量整機(jī)機(jī)械損失。油耗線法與示功圖法臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)一致，采用發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)后的萬有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中，同樣主要記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)測扭矩、燃油耗、冷卻液溫度、機(jī)油溫度等數(shù)據(jù)。

通過油耗線法得到試驗(yàn)樣機(jī)的平均損失壓力，并將其與Chen-Flynn模型計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。油耗線法測得的平均損失壓力偏小，與Chen-Flynn模型計(jì)算值相比，最小相差11.50%， 最大相差38.85%。

3.4 滅缸法

對試驗(yàn)樣機(jī)采用滅缸法測量整機(jī)機(jī)械損失。臺(tái)架試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)工作不穩(wěn)定，抖動(dòng)明顯。理論上該方法可以測量出機(jī)械損失 （如式（1） ～ （2）所示），但實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定，存在測功機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的連接軸被損壞的風(fēng)險(xiǎn)；而且測量結(jié)果存在很大不確定性。

圖7 平均損失壓力對比

4 各種試驗(yàn)方法分析和比較

對試驗(yàn)樣機(jī)分別采用倒拖法、油耗線法、示功圖法和滅缸法進(jìn)行整機(jī)機(jī)械損失測量，然后用Chen-Flynn模型對該發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)機(jī)械損失進(jìn)行計(jì)算，并將3種方法與Chen-Flynn模型計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖8。由圖8可知，示功圖法的測試值最低，倒拖法的測試值最接近Chen-Flynn模型計(jì)算值。

圖8 3種方法與Chen-Flynn模型對比

滅缸法過程中發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)特別不穩(wěn)定，不適合用于臺(tái)架試驗(yàn)測量機(jī)械損失。油耗線法試驗(yàn)結(jié)果與Chen-Flynn模型相比，相同轉(zhuǎn)速下的平均損失壓力偏小11.5% ～38.85%，不適用于測量高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失。倒拖法試驗(yàn)結(jié)果最接近Chen-Flynn模型的計(jì)算結(jié)果，說明其結(jié)果更接近實(shí)際機(jī)械損失，屬于比較實(shí)用的試驗(yàn)方法；但倒拖法測量的機(jī)械損失受發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度影響最大，在相同轉(zhuǎn)速下，90℃機(jī)油狀態(tài)下比30℃機(jī)油狀態(tài)下的平均損失壓力下降16.6% ～36.1%。與倒拖法相比，示功圖法的試驗(yàn)結(jié)果基于發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此更為準(zhǔn)確。曾因受限于設(shè)備測量準(zhǔn)確性和臺(tái)架資源分配等原因，示功圖法沒有用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失臺(tái)架測量試驗(yàn)。目前燃燒分析儀已廣泛存在于整車企業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室，建議將示功圖法作為機(jī)械損失測量的推薦性方法。

5 結(jié)論

通過對倒拖法、油耗線法、示功圖法和滅缸法的分析，并采用4種方法對試驗(yàn)樣機(jī)的整機(jī)機(jī)械損失進(jìn)行測量，得出以下結(jié)論：1）倒拖法測量精度比較高、方法簡單，可作為常用的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失測量方法；2）因油耗線法測得的平均損失壓力偏小，該方法不適合高強(qiáng)化柴油機(jī)；3）因示功圖法的試驗(yàn)結(jié)果基于發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，推薦使用；4）滅缸法會(huì)使試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)加大，導(dǎo)致工作不穩(wěn)定，無法測得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，不建議使用。