柴油机的台架试验原理、内容及测试方法

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柴油机的台架试验原理、内容及测试方法

发布时间：2024-03-14 06:51:10 ▏阅读：次

新闻主题	柴油发电机的台架试验方法

摘要：康明斯公司在本文中介绍了电控柴油机的结构和数学模型，并在柴油机台架试验研究的基础上对电控柴油机不同工况下的性能指标进行测试。对比试验结果表明，改进电控柴油机性能的方法，对电控柴油机的试验研究能起到一定的促进作用。此外，为了保证试验结果的可信度并使之具有可比性，要求试验方法严格按照国家规定的有关柴油发电机台架试验标准进行。根据试验目的和内容，制订详细的试验大纲，明确试验条件，确定试验工况、测量参数及试验步骤等要求。

一、柴油机电控系统的数学模型

电控柴油机系统性能的主要衡量标准是柴油机的动态特性，取决于电控系统的控制规律、控制参数、控制系统与柴油机的匹配。传统柴油机试验台架无法满足对一些电控参数的测试要求，通过建立电控柴油机台架可以对系统控制器进行反复调试，对系统各主要控制参数进行优化。在自主设计的电控柴油机的试验台架上进行试验开发设计，可以评估柴油机的性能参数，得到较为系统的试验总结理论。柴油机电控系统主要由传感器、电控器和执行器3部分组成。传感器的功用是检测柴油机及车辆运行时的各种信息，如进气与环境压力、冷却液、机油与燃油温度、进气流量、喷油泵油量调节机构的位移、曲轴转角信号与柴油机转速等，目标设定则包括柴油机转速与负荷等。在处理上述各种信号送入ECU以后，还要经过A/D转换，转变成计算机可以接受的数字信号。

柴油机电控系统模型包括控制器模型、齿杆位移执行器模型、齿杆位置传感器模型、油门位置传感器模型和柴油机转速传感器模型。设备外观如图1所示，组成框架如图2所示。

1、控制器模型

柴油机理论转速n_c与油门位置T_h的关系为：

n_c=T_h（n_R-n_L）+n_L............................（公式1）

式中，n_R为柴油机最高怠速转速；n_L柴油机最低怠速转速。

齿杆位移为：

X_d=｛（n_c-n）/n_cK_r｝X_max............................（公式2）

式中，n_c为柴油机理论转速；n为柴油机实际转速；K_r为调速率。

2、传感器模型

（1）温度与压力传感器

电控柴油机温度与压力传感器共同对进气造成影响，尽管有燃烧室对进气加热的因素，但考虑到存在一定的扫气过程对汽缸壁的冷却作用，并且进气过程进行较快，因此，汽缸内每循环进气量可用以下方法求得，即压缩始点气体状态方程为：

PₐVₐ≈P_k（V_s+V_c）=mRT_k............................（公式3）

式中，Pₐ为进气阀关闭时汽缸内压力；Vₐ为进气阀关闭时汽缸内容积；P_k为进气压力；T_k为进气温度；V_s为工作容积；m为空气质量；V_c为余隙容积；R为空气气体常数。

由式（3）得出：

m=P_k（V_s+V_c）/RT_k............................（公式4）

（2）转速传感器

由于柴油机的汽缸是互相间隔布置的，曲轴转两圈后，汽缸又开始新的工作循环。间隔角度均匀分布时，计算式为：

θ=720（°）/N............................（公式5）

式中：θ为曲轴转角；N为柴油机汽缸数。在四缸柴油机中，利用曲轴转速传感器在两次发火间隔所用扫描时间内的平均曲轴转数即可求出转速。

3、执行器模型

执行器是电子调速器中齿杆位移执行器或共轨喷油器中的电磁阀，电磁执行器实质上是螺线管型直流线性比例电磁铁，执行器将控制器传来的电信号转换成与输入信号成比例输出轴位移，执行器起着累加的作用。

整个执行环节的传递函数为：

Gₐ（s）=L（s）/I（s）=K/（1+T_s）............................（公式6）

式中，I（s）为控制器传来的电信号I（t）的拉氏变换；L（s）为齿条位移L（t）的拉氏变换；K为增益；T为执行器的时间常数；s为传递因子。

柴油发电机组基本结构示意图.png

图1 柴油发电机组基本结构示意图

柴油发电机电控系统模型框图.png

图2 柴油发电机电控系统模型框图

二、电控柴油机台架试验分析

1、试验前校正工作

由于同样的柴油发电机在相同的工况下，测量环境条件不同，所测得的结果有所差异。所以，为了具有统一的比较基准，规定标准大气状态，并对试验所测得的数据根据当时试验环境状态，按国家有关标准规定的要求进行大气校正。国家有关标准规定柴油发电机台架试验的标准大气状态是：大气压力p₀＝99kPa，环境温度t₀＝25℃（T₀＝298K），相对湿度中Ф₀＝30％。当实际试验条件与标准状态不同时，需要按以下的要求进行校正。

（1）有效功率的校正

在实际试验条件下，当实测的柴油发电机输出功率为P_e时，校正到标准环境条件下的有效功率P_e0为：

对点燃式柴油发电机：

P_e₀=α_aP_e............................（公式7）

对压燃式柴油发电机：

P_e₀=α_dP_e............................（公式8）

其中，点燃式柴油发电机的大气校正系数α。可按式（公式7）计算，即

αₐ=（99/P_s）^1.2（T/298）^0.6............................（公式9）

其中

P_s=P-ΦP_sw............................（公式9）

P_sw =0.613+4.31×10^-2t+1.63×10^-3t²+1.49×10^-5t³+5.77×10^-7t⁴............................（公式10）

式中，T为试验现场的进气温度（K）；P_e₀为试验现场的干空气压（kPa）；P_s为试验现场的总气压（kPa）；Ф为试验现场大气的相对湿度；P_sw为大气条件下的水蒸气饱和分压（kPa）；t为大气温度（℃）。

压燃式柴油发电机的大气校正系数α_d，可按式（公式2）计算，即：

α_d=f_af_m.......................................（公式11）

式中，f_a为大气因子；f_m为柴油发电机因子。

对自然吸气或机械增压压燃式柴油发电机：

ʄₐ =（99/P_s）（T/298）^0.7........................................（公式12）

对涡轮增压压燃式柴油发电机：

ʄₐ =（99/P_s）^0.7（T/298）^1.5........................................（公式13）

当q_c/π_b＝40～65mg/（L·循环）范围时，柴油发电机因子f_m可按式（公式5）计算，即：

ʄ_m= 0.036（q_c/π_b）-1.14........................................（公式14）

Q_c=B/30nV_s×10⁶........................................（公式15）

式中，π_b为增压比；q_c为单位排量的循环喷射量［mg/（L·循环）］；n为柴油发电机转速；V_s为柴油发电机排量（L）。

当q_c/π_b＜40mg/（L循环）时，取f_m＝0.3；如果q_c/π_b＞65mg/（L·循环），则取f_m=1.2。

（2）燃油消耗率的校正

一般，对汽油机的燃油消耗率不进行大气校正。而对压燃式柴油发电机，按式（公式7）全负荷速度特性的燃油消耗率进行校正，即

bₑ₀=bₑ/α_d........................................（公式16）

式中，b_e为实际试验条件（p，T）下测得的柴油发电机燃油消耗率；b_e₀为标准大气状态下的校正燃油消耗率。随着试验条件的不断改善，试验状态可控的全封闭式空调试验室得到广泛应用，由此可省去上述烦琐的大气校正问题。

2、柴油机台架结构原理

本试验基于康明斯公司生产的QSB6.7-G31系列原型柴油机，研究过程侧重于电控柴油机台架试验结果的数据分析得出具体的性能参数指标。试验用CW440B-1500/6500测功机由凯迈机电设备制造有限公司生产，其主要技术指标是系统转矩测量精度优于满量程±0.4%；转速测量误差不大于±5%。

柴油机台架由柴油柴油机、测功机、机油恒温系统、增压中冷系统、冷却液恒温系统、燃油恒温系统、油耗仪、数据采集箱、控制柜系统和联机电脑等组成。试验台架三维立体图如图3所示，系统硬件组成原理如图4所示。

3、试验内容

（1）试验前，对柴油机进行预热处理，稳定柴油机的各项参数后，通过柴油机功率特性确定试验转速A（柴油机怠速工况）=700 r/min；B（正常工况）=1500 r/min。

（2）试验中，使柴油机转速稳定在上述2种转速范围内，且转速分别保持在（700±30）r/min，（1500±30）r/min，稳定时间保持在（120±20）s范围内，在前一工况下完成试验后，再进行后一工况下的试验。

（3）柴油机在完成某一工况后，控制油门并保持匀速上升，测功机均速增加负载；柴油机在恒定转速和油门开度时，分别测试功率、排气背压、油耗量和排气温度的试验数据；柴油机转速为700～1500 r/min，分别以100 r/min为区间，记录转速随油门开度和功率随油门开度变化的数据。

柴油发动机试验台机示意图.png

图3 柴油发动机试验台机内景示意图

电控柴油机台架系统硬件组成框图.png

图4 电控柴油机台架系统硬件组成框图

三、试验数据处理结果分析

1、不同转速下的动力试验

由图5可见，转速在700 r/min怠速工况下，开始一段时间，功率随时间呈现不稳定的波动增长；经过40s后，功率稳定在130～140 kW，随后出现继续上升的趋势。经过怠速工况进入正常工况后，转速在1500 r/min左右，开始50 s，功率随时间波动的幅度不大，此后功率开始大幅度增加，逐渐进入加速工况，如图6所示。

每分钟700转速下柴油机功率输出曲线图.png

图5 每分钟700转速下柴油机功率输出曲线图

每分钟1500转速下柴油机功率输出曲线图.png

图6 每分钟1500转速下柴油机功率输出曲线图

2、不同转速下的排气背压试验

由图7可见，转速在700 r/min怠速工况下，开始一段时间排气背压随时间变化在0.5～1.2 kPa范围内波动剧烈，后半时期出现连续曲线在0.8～1.2范围内波动，说明在怠速工况下排气背压可能受到油门开度、功率、负载等多种因素的作用。由图8可见，经过怠速工况进入正常工况后，开始的50s内柴油机排气背压在1.1～2.0 kPa范围波动变化仍然较明显。

每分钟700转速下柴油机排气背压曲线图.png

图7 每分钟700转速下柴油机排气背压曲线图

每分钟1500转速下柴油机排气背压曲线图.png

图8 每分钟1500转速下柴油机排气背压曲线图

3、不同转速下的油耗试验

由图9可见，转速在700 r/min怠速工况下，开始的一段时间，燃油消耗率较多为260～350g/（kW.h）；经过30s后燃油消耗率稳定在250～270 g/（kW.h）范围内；在最后40 s，燃油消耗率出现下降趋势后，维持在230～250 g/（kW.h）范围内。由图10可见，在怠速工况进入正常工况后，转速在1500 r/min左右，开始的40 s燃油消耗率随时间变化的幅度较大，数值在240～280g/（kW.h）范围内频繁波动；后一段时间油耗量出现了下降趋势，燃油消耗率保持在220～230g/（kW.h）范围。

每分钟700转速下柴油机燃油消耗率曲线图.png

图9 每分钟700转速下柴油机燃油消耗率曲线图

每分钟1500转速下柴油机燃油消耗率曲线图.png

图10 每分钟1500转速下柴油机燃油消耗率曲线图

4、不同转速下的排气温度试验

由图11可见，转速在700 r/min怠速工况下，柴油机的排气温度在一段时间内出现加速上升的趋势，由253℃增长至270℃左右，此段时间排气温度曲线波动较小。由图12可见，在怠速工况进入正常工况后，转速保持在1500 r/min左右，开始的60 s，柴油机的排气温度上升更加剧烈，由385℃急速增长至415℃左右，此后，排气温度上升速度变缓，排气温度数值维持在425℃范围内波动。

每分钟700转速下柴油机排气温度曲线图.png