簡易教學(xué)發(fā)動機(jī)性能試驗臺設(shè)計

楊旭東，陳義樂

（安徽文達(dá)信息工程學(xué)院，安徽合肥，231201）

1 緒論

1.1 發(fā)動機(jī)性能試驗的評價指標(biāo)

發(fā)動機(jī)性能試驗的評價指標(biāo)可以讓發(fā)動機(jī)的性能特點更直觀的表現(xiàn)出來，并能夠作為衡量發(fā)動機(jī)性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動機(jī)性能試驗的評價指標(biāo)一般有動力性指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等。動力性指標(biāo)的意思是汽車行駛在條件良好的路況上，由汽車受到的縱向力決定的，汽車在行駛過程中的平均速度。汽車經(jīng)濟(jì)性是一種使用性能，是汽車為完成一定的運(yùn)輸量所耗費(fèi)最少資源的能力。其中有:指示指標(biāo)，有效指標(biāo)，動力性能速度指標(biāo)。

指示平均壓力：氣缸在一定量工作容積下所做的指示功定義為指示平均壓力

Pmi為指示平均壓力，MPa；Wi為指示功，Kj；Vs為氣缸排量，L。

有效平均壓力；它表明了氣缸在單位工作容積下所作的有效功

Pme有效平均壓力，MPa；We為有效功，Kj。

指示效率：燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為指示功Wi的能量轉(zhuǎn)換效率

上面的公式中，gb的意思是在單缸情況下，每一個循環(huán)的燃料所消耗的量，kg；Hv為燃料低熱值，kj/kg

有效效率：是指燃料所釋放的化學(xué)能能夠轉(zhuǎn)化為曲軸輸出功We的能量轉(zhuǎn)化效率

燃料消耗率：單位功率在單位時間內(nèi)所消耗的燃料量，也分為指示燃料消耗率和有效燃料消耗率。

指示燃料消耗率：

式中bi為指示燃油消耗率，g/(kW*h)；B為整機(jī)燃料消耗率，kg/h；Pi為指示功率，kW。

有效燃料消耗率：

式中be為有效燃料消耗率，g/(kW*h)；P為有效功率，kW。

確定功率大小的因素除了力外，還包括活塞的平均運(yùn)動速度，也是可以作為評判發(fā)動機(jī)動力性能的速度指標(biāo)。曲軸發(fā)出動力給發(fā)動機(jī)，所以曲軸轉(zhuǎn)速n也是一種速度指標(biāo)。n與vm有一定轉(zhuǎn)化關(guān)系：

式中，Vm為活塞的平均運(yùn)動速度，m/s；s為活塞沖程，mm;n為轉(zhuǎn)速，r/min。

2 常規(guī)發(fā)動機(jī)性能試驗臺

2.1 類型介紹

交流電力測功機(jī)：它使用的是交流變頻回饋加載技術(shù)；由計算機(jī)，電量綜合測量儀及各種傳感器組成，扭矩和轉(zhuǎn)速可以通過扭矩傳感器直接測量出；電流、電壓、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)可通過電量綜合測量儀表測量出來；計算機(jī)處理各種數(shù)據(jù)，制表，畫圖等。設(shè)備如圖1所示。

圖1 交流電流測功機(jī)

電渦流測功機(jī)：使用電磁感應(yīng)的原理形成功率及轉(zhuǎn)矩的消耗。主要組成部件是渦流制動器、測力組件、測速組件和控制系統(tǒng)等。設(shè)備如圖2所示。

圖2 電渦流測功機(jī)

2.2 工作原理

交流電力測功機(jī):使用交流變頻的回饋加載技術(shù)，用扭矩傳感器測量出扭矩、轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)；電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)的測量是通過電量綜合測量儀表直接檢測的；用計算機(jī)處理檢測的數(shù)據(jù)，并用處理的數(shù)據(jù)畫出各種曲線，制作表格等各種功能。

電渦流測功機(jī)：直流電通過和轉(zhuǎn)子的同時也會通過與之同軸裝配的勵磁線圈，從而會生成磁通，流經(jīng)渦流環(huán)、氣隙和轉(zhuǎn)子這三個部件，形成一個閉合回路。齒和槽都是均勻的分布在外邊，氣隙和電樞體或渦流環(huán)內(nèi)的表面上任意一個地方的磁感應(yīng)發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生磁場，從而產(chǎn)生渦流電。此時，在渦流和磁場的渦合下，轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生產(chǎn)生出擺動體上拖動力矩大小相同的力矩，此數(shù)值可由傳感器檢測顯示出來。

3 簡易教學(xué)用發(fā)動機(jī)性能試驗臺的設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

本文的簡易教學(xué)用發(fā)動機(jī)性能試驗臺由測功器、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)速表、油耗儀、蓄電池組成。發(fā)動機(jī)實驗臺架裝置示意圖見圖3。

圖3 發(fā)動機(jī)實驗臺架裝置示意圖

工作原理：流量計在油箱與發(fā)動機(jī)之間，通過油管將油箱與發(fā)動機(jī)連接，使得油箱給發(fā)動機(jī)供油的同時也可以通過流量計顯示出累計流量起點值Q1和累計流量終點值Q2，用秒表測出間隔時間t(s)。接著發(fā)動機(jī)曲軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸用聯(lián)軸節(jié)連接。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，可以帶動三相發(fā)電機(jī)一起跟著運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出三相交流電，通過三相電纜輸出給三相電阻負(fù)荷箱。電阻負(fù)荷箱通過撥動開關(guān)來改變吸收功率，吸收的有效功率可以通過面板上的液晶顯示屏顯示出數(shù)值（kW），同時將三相交流電的電壓（V）和電流（A）也一并顯示出。通過轉(zhuǎn)速表能測出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，就可測出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)速關(guān)系式：

和小時耗油量和燃油消耗率的關(guān)系式：

3.2 功能介紹

3.2.1 發(fā)動機(jī)有效功率測量

本設(shè)計發(fā)動機(jī)有效功率是應(yīng)用發(fā)電機(jī)和電阻負(fù)荷箱的組合形式來測量的。

基本測量原理是：發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，帶動三相發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出三相交流電，通過三相電纜輸出給三相電阻負(fù)荷箱。發(fā)動機(jī)和三相發(fā)電機(jī)是一個機(jī)組整體，如圖4所示。

圖4 發(fā)動機(jī)機(jī)組外形圖

三相可調(diào)電阻負(fù)荷箱的外形如圖5所示。通過負(fù)荷撥動開關(guān)來改變電阻箱吸收功率，機(jī)箱內(nèi)部設(shè)有排熱風(fēng)扇，可將受熱電阻吸收的熱量排出機(jī)箱之外。電阻箱吸收的有效功率、三相交流電的電壓（V）和電流（A）也一并顯示出。

圖5 三相可調(diào)電阻負(fù)荷箱

3.2.2 轉(zhuǎn)速測定

現(xiàn)代的大部分測功機(jī)都使用磁電式轉(zhuǎn)速計。如圖6所示，齒盤和磁電傳感器都在轉(zhuǎn)軸上。磁電傳感器的零件的組成包括繞有線圈和永久磁鐵。齒盤一般制有60個齒。這使得當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)一周，磁電傳感器可以產(chǎn)生60個脈沖信號。在這里設(shè)脈沖信號的頻率為 f（Hz），發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n（r/min），齒數(shù)為Z，則 ：

所以，磁電傳感器脈沖信號的頻率與轉(zhuǎn)速的數(shù)值在齒數(shù)為60時是相同的。

磁電式轉(zhuǎn)速計的結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速精度高，測速范圍廣，絕大多數(shù)測功機(jī)都用這種結(jié)構(gòu)。

圖6 磁電式轉(zhuǎn)速計原理

目前，光電測速技術(shù)發(fā)展很快，測試成本降低。試驗中也可以用光電式轉(zhuǎn)速計來進(jìn)行發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量。

3.2.3 小時耗油量和燃油消耗率:

根據(jù)原始測量數(shù)據(jù)結(jié)果，按下列公式計算處理：

由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)速關(guān)系式，可得：

小時耗油量和燃油消耗率：

式中，Pe-電阻負(fù)荷消耗的有效功率（kW）；

Q-容積流量（L/min）；Q = ( Q2-Q1)÷t×60

其中，Q1（L）為累計流量起點值，Q2（L）為累計流量終點值，t（s）為計時時間。

B- 小時耗油量（kg/h）。

其中，燃油密度ρoil=0.84kg/L，be-燃油消耗率[g/（kW·h）]。

3.3 試驗臺零部件的選型與安裝

3.3.1 零部件選型

由于本試驗臺架主要用于教學(xué)用途，所以各項零部件部件不僅要能夠順利完成試驗，而且還要在試驗過程中不能有任何質(zhì)量問題，所以要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)挑選。

選擇了發(fā)動機(jī)型號為YC1115柴油機(jī)、功率：16.2kw、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速：2200r/min、凈質(zhì)量：185kg的柴油發(fā)動機(jī)。

因為發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，且發(fā)動機(jī)的功率要通過發(fā)電機(jī)在電阻負(fù)載箱的顯示儀上顯示，所以功率得相似，轉(zhuǎn)速差距不能過大，根據(jù)試驗的轉(zhuǎn)速要求和經(jīng)驗法選擇的發(fā)電機(jī)型號為YC15GF直流發(fā)電機(jī)組、額定功率：15kw、額定轉(zhuǎn)速：1500r/min。

根據(jù)發(fā)動機(jī)的選擇知道其轉(zhuǎn)速，功率，根據(jù)小時耗油量和燃油消耗率可以計算出流量范圍，所以選擇的油耗儀型號為WT021GSSB、流量范圍：0.6-50L/h、信號輸出4-20mA、電源：DC24V、工作溫度 ：80oC。

蓄電池采用經(jīng)驗法選的是電壓為12v、容量為120Ah的標(biāo)準(zhǔn)車用電池。完全符合試驗標(biāo)準(zhǔn)。

測速儀采用的光電式測速儀，有電子數(shù)字顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，具體可以精確到秒。由以上的發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速得知最大轉(zhuǎn)速為1500r/min，經(jīng)計算知25r/s，所以選擇的光電式測速儀符合需求。

電阻負(fù)載箱是為了測出發(fā)電機(jī)的功率，因為發(fā)電機(jī)的額定功率是15kw，所以選擇電阻負(fù)載箱的型號為：RXF-380V/220V-15KW，可調(diào)功率為500W-15KW，采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，提高設(shè)備的安全性。

3.3.2 試驗臺的系統(tǒng)安裝與調(diào)試

首先固定發(fā)動機(jī)，由于發(fā)動機(jī)在試驗過程中會有較大的振動和旋轉(zhuǎn)力矩，所以將發(fā)動機(jī)安裝固定于堅固、防震的混凝土底座上。且發(fā)動機(jī)在工作過程中會有廢氣排出，有一定的噪聲，所以實驗室配備了特殊的通風(fēng)裝置和消聲裝置。

其次將流量計固定在桌子上，流量計在油箱與發(fā)動機(jī)之間，安裝完成后，驗證油管的密封性。

最后發(fā)電機(jī)通過三相電線連接于電阻負(fù)荷箱，電阻負(fù)荷箱的正面裝有電流，電壓，功率顯示器，方便讀取數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文對簡易教學(xué)用發(fā)動機(jī)性能試驗臺整體設(shè)計、工作原理、相關(guān)功能及零部件的選型、裝配與調(diào)試進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。此簡易教學(xué)用發(fā)動機(jī)性能試驗臺整體設(shè)計簡約合理。經(jīng)過嚴(yán)格的零部件選型，科學(xué)的裝配和不斷的調(diào)試，安全可靠，相關(guān)功能完全符合教學(xué)需求。這個設(shè)計既滿足了教學(xué)需求，又使學(xué)生發(fā)揮了動手能力，理論與實踐相結(jié)合，有利于提高學(xué)生的綜合能力。