某大功率柴油機機械損失試驗研究

曹杰， 牛軍， 梁永森， 曲栓， 高英英， 梁紅波， 和龍

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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某大功率柴油機機械損失試驗研究

曹杰， 牛軍， 梁永森， 曲栓， 高英英， 梁紅波， 和龍

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)， 天津 300400)

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

機械損失； 平均機械損失壓力； 柴油機； 倒拖法

隨著柴油機的強化水平日益提高，柴油機轉(zhuǎn)速和平均有效壓力的提高導(dǎo)致機械損失隨之增大。降低柴油機的機械損失，從而提高機械效率是提高柴油機性能的一個重要途徑。國外基于潤滑理論并通過試驗驗證建立了活塞環(huán)、活塞裙、軸承、配氣機構(gòu)等不同摩擦副的機械損失模型[1-4]，可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測柴油機部件的機械損失。國內(nèi)主要通過試驗方法測量柴油機的機械損失，試驗方法主要有倒拖法、示功圖法、油耗線法和滅缸法等[5]，這幾種測試方法各有優(yōu)缺點，主要取決于測試的試驗條件。江蘇大學(xué)和企業(yè)合作通過倒拖法測試了幾種機型的整機和部件的機械損失[6-8]，為柴油機的開發(fā)和進一步強化提供了支撐。本研究采用倒拖法測量了某大功率柴油機的機械損失及燃油供油系統(tǒng)、配氣機構(gòu)、活塞連桿組等系統(tǒng)組件的機械損失，為柴油機的進一步強化和機械效率的提高提供了依據(jù)。

1 試驗條件及方法

1.1 試驗條件

試驗樣機采用某大功率柴油機，標(biāo)定轉(zhuǎn)速時的活塞平均速度為11.7 m/s，為探索柴油機強化后機械損失情況，試驗時將柴油機的活塞平均速度增高至14.9 m/s。

試驗采用SKAF511電力測功機，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)控制機油和冷卻水溫度。整機倒拖試驗進行了3組不同油水溫度試驗：

1) 控制發(fā)動機回水溫度(30±5) ℃，機油進油溫度(30±5) ℃；

2) 控制發(fā)動機回水溫度(50±5) ℃，機油進油溫度(60±5) ℃；

3) 控制發(fā)動機回水溫度(75±5) ℃，機油進油溫度(90±5) ℃。

其他系統(tǒng)和部件倒拖試驗時控制回水溫度(75±5) ℃，機油進油溫度(90±5) ℃。

1.2 試驗方法

1.2.1 整機倒拖試驗

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

由于試驗樣機為空-空中冷機型，試驗時未安裝設(shè)備中冷器，柴油機進氣管直接與試驗室環(huán)境連通，排氣管經(jīng)過增壓器渦輪后與試驗室環(huán)境連通。柴油機倒拖時為模擬燃油系統(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。整機倒拖功試驗臺架布置見圖1。

1.2.2 系統(tǒng)部件機械損失試驗

將可以拆除或脫開傳動的系統(tǒng)部件逐項分解，包括脫開高壓油泵傳動、拆除活塞連桿組、脫開配氣機構(gòu)傳動等，每拆除或脫開一個系統(tǒng)部件進行一次倒拖試驗。

2 整機機械損失和機械效率

2.1 機械損失的計算方法

機械損失定義為整個循環(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械損失可表示為

pmm=pmi-pme，

(1)

pmi=pmig+pmep。

(2)

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

將式(2)帶入式(1)中得到：

pmm=pmig+pmep-pme。

(3)

倒拖試驗時缸內(nèi)不發(fā)火，pmig≈0，通過電力測功機測得的倒拖扭矩計算可得到倒拖pme，采集缸內(nèi)壓力曲線計算得到倒拖pmep，倒拖試驗測得的機械損失可表達為

pmm≈pmep-pme。

(4)

2.2 不同機油溫度和轉(zhuǎn)速下的倒拖機械損失

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

從圖2可以看出：

1) 同一轉(zhuǎn)速下，pmm隨著機油溫度的上升而減小，機油溫度每升高10 ℃，pmm減小約0.01 MPa?？梢姍C油溫度對機械損失影響較大，機油溫度上升，機油黏度減小，流動性增強，潤滑充分，油膜內(nèi)摩擦阻力減小，摩擦副之間摩擦功減小[9]。

2) 同一機油溫度下，pmm隨著轉(zhuǎn)速升高大幅增加。機油溫度90 ℃時，活塞平均速度14.9 m/s所對應(yīng)的pmm約為4.3 m/s時的3.2倍，相比11.7 m/s時增加了34.6%?？梢?，轉(zhuǎn)速對機械損失影響較大，主要原因是活塞組摩擦表面的機械摩擦損失大致與活塞平均速度成正比，驅(qū)動附件的損失也隨轉(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 機械損失的修正

平均機械損失壓力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)

通過倒拖試驗得到的pmm是在缸內(nèi)較低壓力狀態(tài)下的平均機械損失壓力，倒拖試驗時缸內(nèi)最高壓力與正常工作狀態(tài)時的缸內(nèi)最高燃燒壓力有很大差異?？紤]到發(fā)動機正常工作時缸內(nèi)最高燃燒壓力對pmm的影響，采用Chen-Flynn模型[11]對試驗得到的pmm進行修正。

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。

整機倒拖試驗時，缸內(nèi)最高壓力為pmax0，倒拖平均機械損失壓力為

pmm0=c0+c1·pmax0+c2·vm+c3·cm2。

(7)

整機正常工作時，缸內(nèi)最高燃燒壓力為pmax1，平均機械損失壓力為

pmm1=c0+c1·pmax1+c2·vm+c3·cm2。

(8)

爆壓修正后的平均機械損失壓力為

pmm1=pmm0+c1·(pmax1-pmax0)。

(9)

采用Chen-Flynn模型對倒拖試驗測得的90 ℃機油溫度下倒拖平均機械損失壓力進行爆壓修正，結(jié)果見表1。

表1 倒拖平均機械損失壓力及其爆壓修正

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

2.4 各系統(tǒng)部件的機械損失

通過分解各系統(tǒng)部件進行倒拖試驗，在整機基礎(chǔ)上先后拆除燃油泵、活塞連桿組、配氣機構(gòu)進行試驗，得到圖4所示的各系統(tǒng)部件機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、連桿軸承的機械損失，余項損失包含機油泵、冷卻水泵、曲軸以及傳動齒輪的機械損失。

從圖4可以看到，隨著活塞平均速度的提高，各系統(tǒng)平均機械損失壓力增大?；钊骄俣鹊淖兓瘜Ω飨到y(tǒng)平均機械損失壓力的影響程度不同：燃油泵和配氣機構(gòu)的平均機械損失壓力數(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)致整機機械損失隨轉(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)平均機械損失壓力的組成比例?？梢钥吹剑錃鈾C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63.3%～75.4%。

將機油泵、水泵在專用臺架上進行功耗測量試驗，獲得了柴油機標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況下機油泵和水泵的功耗。圖6示出柴油機標(biāo)定工況下各系統(tǒng)的平均機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機械效率的重要途徑。

3 結(jié)論

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

b) 獲得了柴油機的機械損失pmm與機油溫度和活塞平均速度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并探索了柴油機強化后機械損失情況，為柴油機進一步強化時機油溫度和轉(zhuǎn)速的確定提供了支撐;

c) 對比分析了倒拖法和油耗線法測量柴油機機械損失的結(jié)果,強化程度較高的柴油機采用倒拖法測量機械損失相對油耗線法更為準(zhǔn)確;

d) 通過倒拖試驗獲得了不同轉(zhuǎn)速下各系統(tǒng)的機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)的平均機械損失壓力增大;活塞平均速度的變化對各系統(tǒng)平均機械損失壓力的影響程度不同;

e) 各系統(tǒng)機械損失分配中活塞連桿組的機械損失比例最大，標(biāo)定轉(zhuǎn)速時活塞連桿組的平均機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機械效率的重要途徑。

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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，主要研究方向為柴油機總體性能研究； jackcao99@163.com 。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.013

TK422.2

B

1001-2222(2015)06-0065-04