发动机台架试验

7.5　发动机台架试验

发动机各项性能指标、参数以及各类特性曲线，通常都是在发动机试验台架上按规定的试验方法进行测定。发动机台架试验是将发动机与测功设备及各种测试仪器组成一个测试系统，按照规定的方法和要求(即标准)模拟发动机实际使用的各种工况所进行的试验。

7.5.1　发动机台架试验的有关标准

发动机台架试验内容十分广泛，包括新产品或强化、改进、变型、转厂生产的发动机性能及耐久可靠性试验，产品出厂前的性能调整及定期抽查试验，商业贸易中的验收试验以及各种研究性的试验等。但由于试验方法、试验条件、使用仪表、试验环境等不同，试验结果可能有很大差异。为了避免由此引起的争论和混乱，使试验得到客观上可比的结果，就必须规定统一的试验标准。目前，世界各国都根据各种发动机的用途和使用条件制定了相应的试验标准，用于考核和评价发动机主要性能指标和设计参数的合理性。

我国制定的发动机试验标准主要有《往复式内燃机性能第l部分:功率、燃料消耗和机油消耗的标定及试验方法通用发动机的附加要求》(GB/T6072.1—2008);《往复式内燃机性能第3部分:试验测量》(GB/T6072.3—2008);国家汽车行业标准《汽车发动机性能试验方法》(GB/T18297－－2001);《汽车发动机可靠性试验方法》(GB/T19055－－2003);《汽车发动机定型试验规程》［QC/T526—1999(2005)］。其中对性能试验、耐久性和可靠性试验、出厂试验和定期抽查试验等标准，如功率标定、性能试验项目、可靠性耐久性试验规范、出厂试验内容、测试设备方法和精度等都做了较详细的规定。此外，还制定了工程机械、拖拉机、船舶、内燃机车等不同用途内燃机的试验方法国家标准(或部颁标准)。

7.5.2　发动机试验台架装置

发动机试验台要保证试验条件达到标准要求，并能迅速、准确测录发动机各项工作参数。典型发动机试验台架的组成及布置简图如图7－18所示。它主要包括以下几部分:

图7－18　发动机试验台简图

1－冷却水箱　2－空气流量计　3－稳压筒　4－量油装置　5－燃油箱　6－测功器　7－转速表　8－消声器　9－垫层　10－基础　11－底板　12－混合水箱

1.试验台架

它将待测发动机与测功器用联轴器连接，并固定于坚实、防振的水泥基础上，基础振幅一般不得大于0.05～0.1mm。安装发动机的铸铁支架和底板常做成可调节高度和位置的形式，以便迅速拆装和对中。

2.辅助系统

发动机试验台架要能够正常、安全使用，必须配置一些辅助系统。例如，为了保持发动机工作时水温不变，必须有专门的可调水量的冷却系统，燃料应由专用油箱通过油量测量装置供给发动机的燃料供给系。又如，发动机排出的是高温有毒气体，排气噪声又是主要噪声源，故试验室内须有特殊的通风装置和废气排放系统等。

3.各种测量仪器、仪表及操纵台

随着发动机研究工作的深入和发展，对试验设备和手段提出了更高的要求，通常要求测试精度高、测量和记录速度快、能同时测量与储存大量数据并能对数据进行处理和分析等。发动机试验台架安装的设备和仪器大致分为3类:

(1)基本设备。包括测功器、转速表和油耗测量装置。

(2)监测仪器。包括冷却液温度计、机油温度计、机油压力计、排气温度指示器、气压计、室内温度计、湿度计等。

(3)特殊设备。包括示功器、空气流量计、冷却液流量计、废气分析仪、烟度计、声级计、测振仪等。

目前，台架试验越来越多地采用自动测试系统。如AVL公司的PUMA系统、申克公司的DYNAS系统、西门子公司的CATS系统都是产品化的计算机控制的测试系统，这些系统对试验台架进行控制和数据采集，同时也将相关数据传送给用户网络系统的上位计算机系统，自动完成主要参数监控、试验结果显示、曲线拟合、测点配置等工作，提高了测量的精度和速度。

7.5.3　有效功率的测量

有效功率是发动机最重要的性能参数之一，在发动机试验参数中大都需要测量有效功率。发动机有效功率的测定采用间接测量方法，即测定发动机的输出转矩和转速后，由公式求得。

发动机在台架试验中通常用测功器来测量发动机输出的转矩。测功器用来吸收试验发动机发出的功，改变其负荷及转速，模拟实际使用的各种工况。常用测功器有水力测功器、直流电力测功器和电涡流测功器3种。

水力测功器具有价格便宜、结构简单、操作简便、便于维修、体积小等优点，但是其测量精度低，不能进行反拖试验，试验中能量不能回收。

电力测功器结构复杂，价格昂贵，但它可回收电能，反拖发动机，且工作灵敏、精度高。

电涡流测功器操作简便，结构紧凑，运转平稳，精度较高，有很宽的转速范围和功率范围，但不能反拖发动机，能量不能回收，价格较高。随着发动机测试技术的发展，目前也已得到广泛应用。本节主要介绍电涡流测功器。

1.电涡流测功器的结构与工作原理

电涡流测功器是利用涡电流效应将被测发动机的机械能转变为电能，继而又转变为热能的过程。它由电涡流制动器、测力机构及控制柜组成。电涡流制动器工作原理简图如图7－19所示，转子盘为圆周上加工有齿槽的钢齿轮，定子包括摆动壳体、涡流环(摆动体)、励磁线圈。当给励磁线圈中通以直流电时，即产生通过外壳、涡流环、空气隙和转子盘的磁力线。发动机带动转子盘旋转，由于转子盘外周涡流槽的存在，会在空气隙处产生密度交变的磁力线，因而在涡流环内产生感应电动势而形成涡电流。此电流与产生的磁场相互作用，即形成一定的电磁力矩，从而使涡流环(摆动体)偏转一定角度，由测力机构可测出力矩数值。

调节励磁电流的大小可调节电涡流强度，从而调节吸收负荷的能力。涡流制动器把吸收的功率转换成热能，靠冷却水的流动把这些热量带走，以保证正常运行。

图7－19　电涡流测功器结构简图

2.电涡流测功器的特性

电涡流测功器的特性曲线如图7－20所示。

OA－达到额定吸收功率之前所能够吸收的最大功率线。

AB－所允许吸收的最大功率线(额定功率)。

BC－允许的最高转速线。

CO－空转吸收功率线，即励磁电流为零时的吸收功率线。

OD－达到额定功率前的最大转矩曲线。

DE－允许的最大转矩曲线。

n _a－达到额定吸收功率时的转速。

图7－20　电涡流测功机特性曲线

图中曲线OABCO所包括的范围就是测功器所能吸收的功率范围。因此，凡是发动机的特性曲线落在该范围内的都能被测试。

选用测功器必须使发动机的特性曲线在以上测功器特性范围内，其次还要考虑测量范围的合理选择以保证测量精度。图7－20中曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为3种不同发动机的特性曲线，曲线Ⅱ表明发动机选用此测功器是正确的，曲线Ⅰ、Ⅲ表明发动机的选用是不合适的，该测功器无法测试。

7.5.4　燃油消耗率的测量

燃油消耗率是发动机的重要参数之一。在发动机试验室中，通过测定发动机的燃油消耗量，可根据公式计算得到发动机的燃油消耗率。油耗仪是测量发动机燃油消耗量的仪器或装置，也称为燃油流量计。它有各种不同的类型和结构式样，适用于不同的目的和要求。燃油消耗量的测量方法按测量原理可分为容积法和质量法。

1.容积法

汽油机常用容积法测量燃油消耗量。容积法是通过测定消耗一定容积V _T(ml)的燃油所需的时间t(s)，然后按下列公式计算燃油消耗率:

式中，ρ_f为燃油密度，g/ml;P _e为消耗容积为V _T的燃油时测得的发动机有效功率，kW;B为

小时耗油量，kg/h;b _e为燃油消耗率，g/(kW·h)。

其实验装置示意图如图7－21所示。燃油从油箱1经开关2、滤清器3到三通阀4，向发动机供油并可向量瓶充油。试验时操作如下:

(1)打开油箱开关，三通阀处于位置A，发动机由油箱供油。

(2)测量前将三通阀旋至位置B，油箱同时向发动机和量瓶供油，直到量瓶油面高于选定圆球容积的刻线，将三通阀仍置于位置A等待测量。

(3)测量开始时，将三通阀旋至位置C，发动机直接由量瓶供油。记录燃油流过所选圆球上下部刻线间容积V _T所用时间t，同时测量有效功率P _e。

(4)测量完毕，将三通阀旋至位置B，量瓶再次充满燃油，准备下一次测量。

图7－21　容积法测量燃油消耗量

1－油箱　2－开关　3－滤清器　4－三通阀　5－量瓶

2.质量法

质量法是通过测量消耗一定质量m的燃油所花费的时间t，然后按以下公式计算燃油消耗率:

式中，t为消耗m(g)燃油所需时间，s;P _e为消耗m(g)燃油时测量的有效功率，kW;b _e可由式(7－5)得出。

其装置示意图如图7－22所示。燃油从油箱1经开关2、滤清器3向发动机供油并向量杯5充油，量杯放在天平6上。测量方法基本同前。

为了保证测量精度，减轻测试人员的劳动强度，实现远距离操作，开发了数字式自动油耗测量仪，这种油耗仪只要预先设定量瓶容积和砝码质量，油耗仪能自动进行准备、充油、测量等操作，并以数字显示出消耗时间及燃油容积或质量，经计算就可得出燃油消耗率。

图7－22　质量法测量燃油消耗量

1－油箱　2－开关　3－滤清器　4－三通阀　5－量杯　6－天平

7.5.5　转速的测量

发动机试验时用转速表测量转速。按工作原理转速表分为电子数字式、电气式和机械式等。电子式转速表由于具有测量准确、使用方便、有转速信号输出、易于实现自动控制等优点，近年来已被广泛采用。

电子数字式转速表有固定式及手持式两种。固定式电子转速表由传感器及指示仪两部分组成。传感器是一只脉冲发生器(一般为磁电式或光电式)，如磁电式传感器由一个齿盘及一个电磁捡拾器组成，齿盘是固定在测功机主轴上带有60个齿的盘(或齿轮)，电磁捡拾器靠近齿盘固定。发动机带动测功机主轴每旋转一周，捡拾器内的线圈就产生60次感应电脉冲，这个信号送到指示仪表(相当一个频率计外加时间开关)。一般每秒钟取样一次，根据ls取得的脉冲可求得发动机每分钟转数，用4位数字显示。

手持式电子转速表分为接触式和非接触式两种:接触式的用橡皮轴头和发动机轴端接触，表内装有光电传感器;非接触式的须在使用前预先在旋转轴或盘上粘贴白色反光纸条，仪器前端装有照射灯光和感受反光的光电管，轴每旋转一次给光电管一个脉冲信号，累计运算得到转速。