1、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（中國北方發動機研究所（天津），天津 300400）摘要：為了獲得某大功率柴油機的機械損失隨機油溫度和轉速的變化規律以及各系統機械損失組成比例，采用倒拖法進行了機械損失試驗研究。試驗表明，同一轉速下，機油溫度每升高10，平均機械損失壓力減小約0.1bar；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進行對比，倒拖法更為準確；獲得了各系統摩擦損失分配比例，活塞連桿組摩擦損失所占比例最大，活塞平均速度為11.7m/s時摩擦損失比例達65.5%。關鍵詞：機械損失；平均機械損失壓

2、力；大功率柴油機；倒拖法隨著柴油機的強化水平日益提高，柴油機轉速和平均有效壓力的提高導致機械損失隨之增大。降低柴油機機械損失，從而提高機械效率是提高柴油機性能的一個重要途徑。目前，測量發動機機械效率的方法主要有倒拖法、示功圖法、油耗線法和滅缸法等1，這幾種測試方法各有優缺點，主要取決于測試的試驗條件。本文采用倒拖法測量了某大功率柴油機的機械效率，并通過逐步分解柴油機各系統進行倒拖試驗測得了燃油供油系統、配氣機構、活塞連桿組等系統組件的機械損失，為柴油機的進一步強化和機械效率的提高提供了依據。1 試驗條件及方法1.1 試驗條件試驗樣機：某大功率柴油機，標定轉速時的活塞平均速度11.7m/s，為探

3、索柴油機強化后機械損失情況，實際試驗時將柴油機的活塞平均速度增高至14.9 m/s。電力測功機：美國GE的SKAF511電力測功機，最大倒拖轉速3000rpm，最大倒拖功率515kW。機油和冷卻水溫度控制：采用溫控系統控制油水溫度。整機倒拖試驗進行了三組不同油水溫度試驗：1）控制發動機回水溫度30±5、機油進油溫度30±5；2）控制發動機回水溫度50±5、機油進油溫度60±5；3）控制發動機回水溫度75±5、機油進油溫度90±5。其它系統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

4、.2.1 整機倒拖試驗采用電力測功機倒拖柴油機運轉，測控系統控制機油和冷卻水的溫度，采集倒拖轉速和扭矩以及必要的測量參數。采集氣缸壓力曲線測量缸內泵氣功大小。由于試驗樣機為空-空中冷機型，試驗時未安裝設備中冷器，使柴油機進氣管直接與試驗室環境連通，排氣管經過增壓器渦輪后與試驗室環境連通。柴油機倒拖時為模擬燃油系統正常工作而又不使燃油噴入缸內，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示意圖見圖1。圖1 整機倒拖功試驗臺架布置示意圖1.2.2 系統部件摩擦損失試驗將可以拆除或脫開傳動的系統部件逐項分解，進行倒拖試驗，控制冷卻水回水溫度75±

5、;5、機油進油溫度90±5。在整機基礎上分別脫開高壓油泵傳動、拆除活塞連桿組、脫開配氣機構傳動進行倒拖試驗。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缸內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： （1） 式中，pmm為平均機械損失壓力，pme為平均有效壓力，pmi為缸內平均指示壓力。其中： （2）式中，pmep為一個工作循環進氣行程與排氣行程缸內氣體對活塞做功代數和，pmig為一個工作循環壓縮行程與膨脹行程缸內氣體對活塞做功代數和。將（2）帶入（1）中得到： （3）倒拖試驗時缸內不發火，pmig0，通過電力測功機測得的倒

6、拖扭矩計算可得到倒拖pme，采集缸內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： （4）2.2 不同機油溫度不同轉速下的機械損失按照1.2.1的試驗方法，測得了三種機油溫度、不同轉速下整機倒拖扭矩和相應工況下的缸內壓力曲線，按照式（4）進行處理，得到不同油溫不同轉速下的整機機械損失，見表1和圖2。表1 不同轉速下的倒拖pmmCm/(m/s)pmm/bar機油30機油60機油904.3 1.390.990.815.3 1.501.140.926.4 1.621.281.047.5 1.771.451.189.6 2.091.791.5010.7 2.271.981.6811.7

7、 2.472.181.8812.8 2.662.372.0813.3 2.772.482.1813.9 2.882.582.2914.1 2.942.642.3514.4 3.002.692.4014.7 3.062.762.4714.9 3.122.812.53圖2 不同轉速下的倒拖pmm從表1可以看到：1）某一轉速下，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0.1bar。可見機油溫度對摩擦損失影響較大，機油溫度上升，機油粘度減小，流動性增強，潤滑充分，油膜內摩擦阻力減小，摩擦副之間摩擦功減小2。2）同一機油溫度下，pmm隨著轉速升高大幅增加。機油溫度90時，活塞平均

8、速度14.9m/s的pmm約為4.3m/s時3.2倍，相對11.7m/s時增加34.6%。可見，轉速對摩擦損失影響較大，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，驅動附件的損失也隨轉速增加而增大，摩擦面上的慣性力載荷與轉速的平方成正比3。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。通過倒拖試驗得到的pmm是在缸內較低壓力狀態下的平均機械損失壓力，倒拖試驗時缸內最高壓力與正常工作狀態時的缸內最高燃燒壓力有很大差異。考慮到發動機正常工作時缸內最高燃燒壓力對pmm的影響，采用Chen-Flynn模型4對試驗得到的pmm進行修正。 （

9、5）式中，c0=0.30.5， c1=0.0040.006，c2=0.080.1，c3=0.00060.0012，pmm和pmax的單位是bar，vm的單位是m/s。整機倒拖試驗時，缸內最高壓力為pmax0，倒拖平均機械損失壓力為： （6）整機正常工作時，缸內最高燃燒壓力為pmax1，平均機械損失壓力為： （7）爆壓修正后的平均機械損失壓力為： （8）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，見表2。表3所示為采用油耗線法測的平均機械損失壓力。圖3為采用倒拖法且進行爆壓修正后得到的平均機械損失壓力與油耗線法測的平均機械損失壓力對比。表2 倒拖平

10、均機械損失壓力及爆壓修正vm（m/s）倒拖試驗pmm0（bar）正常工作最高燃燒壓力pmax1（bar）倒拖試驗缸內最高壓力pmax0（bar）爆壓修正后的pmm1（bar）Chen-Flynn模型擬合pmm上限（bar）下限（bar）4.3 0.817325.8 11.091.39 0.95 5.3 0.928025.9 1.141.241.54 1.06 6.4 1.048626.6 1.281.401.71 1.18 7.5 1.1813327.0 1.611.822.12 1.47 9.6 1.5013927.3 1.952.172.40 1.68 10.7 1.6813927.7 2

11、.132.352.54 1.78 11.7 1.8813627.8 2.312.532.65 1.86 表3 油耗線法測的平均機械損失壓力vm/(m/s)11.710.710.19.69.18.58.07.5pmm/bar2.582.312.111.891.751.531.341.12圖3 倒拖法與油耗線法測的平均機械損失壓力從圖3可見，倒拖試驗法測的pmm落在各轉速下Chen-Flynn模型擬合的上下限內，而油耗線法部分數據落在上下限外，因此倒拖法測量pmm較油耗線法更加準確。油耗線法測定機械損失是基于指示熱效率和pmm不隨負荷增減變化的假設前提下進行的，對于強化程度較高的柴油機采用油耗線法

12、計算會帶來較大誤差。2.4 各系統部件的機械損失通過分解各系統部件進行倒拖試驗，在整機基礎上逐步拆除燃油泵、活塞連桿組、配氣機構進行試驗，將機械損失逐項相減得到圖4所示的各部分機械損失隨活塞平均速度的變化規律曲線，其中活塞連桿組包含活塞環組、活塞裙、連桿軸承摩擦功，余項中包含機油泵、冷卻水泵、曲軸和傳動齒輪摩擦功。圖4 各系統平均機械損失壓力隨活塞平均速度的變化曲線從圖4可以看到，隨著活塞平均速度的提高，各系統平均機械損失壓力增大。活塞平均速度的變化對各系統平均機械損失壓力的影響程度不同，燃油泵和配氣機構的平均機械損失壓力數值較小但隨轉速提高線性增大，活塞連桿組的平均機械損失壓力數值較大而且隨

13、轉速提高而大幅增加，導致整機機械損失隨轉速提高大幅上升。圖5不同活塞平均速度下各系統平均機械損失壓力的組成比例圖5為不同活塞平均速度下各系統平均機械損失壓力的組成比例。可以看到，配氣機構功耗比例最小，而且隨著轉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，隨著轉速上升比例略有提高，最大比例7.5%；余項比例較大，并隨著轉速提高比例由17.2%上升到26.0%；活塞連桿組比例最大，雖然隨著轉速上升比例降低，但其比例高達63.3%75.4%。圖6 活塞平均速度為11.7m/s各系統平均機械損失壓力的組成比例將倒拖試驗余項中的機油泵、水泵在專用臺架上進行功耗測量試驗，獲得了發動機標定

14、轉速工況下機油泵和水泵的功耗，圖6為可以看到發動機標定工況下各系統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關鍵途徑。3 結論（1）某一轉速下，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0.1bar。同一機油溫度下，pmm隨著轉速升高大幅增加，機油溫度90時，活塞平均速度14.9m/s的pmm約為4.3m/s時的3.2倍，相對11.7m/s時增加34.6%。（2）強化程度較高的柴油機采用倒拖法測量平均機械損失壓力較油耗線法更加準確。（3）通過倒拖試驗獲得了不同轉速下各系統機械損失變化曲線及分配比例。隨著活塞

15、平均速度的提高，各系統平均機械損失壓力增大。活塞平均速度的變化對各系統平均機械損失壓力的影響程度不同。各系統機械損失分配中活塞連桿組摩擦功比例最大，標定轉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關鍵途徑。參考文獻1周龍保.內燃機學M.第二版.北京：機械工業出版社，2005:16-292Millington B W，Hartles E R. Frictional Losses in Diesel EnginesJ.SAE Paper 680590，1968. 3杜家益.高速直噴柴油機機械損失的預測J.內燃機工程，2003，24(1)：51-5

16、44Engine Performance Application Manual. Gamma TechnologiesThe Mechanical Loss Measurement Study of One Large Power Diesel EngineCAO Jie，NIU Jun，LIANG Yong-sen，QU Shuan，GAO Ying-ying，LIANG Hong-bo，HE Long（China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin 300400，China）Abstract：In order to measur

17、e the mechanical loss of one large power diesel engine and the distribution ratio of mechanical loss for each system, the mechanical loss is studied experimentally by motoring test method. The effect of oil temperature and engine speed on mechanical loss is studied, the loss reduces approximately 0.

18、1 bar when the oil temperature increases per 10 at the same speed. Corrected friction loss which is obtained by motoring experiment through Chen-Flynn model, motoring test method is more accurate relative to fuel consumption line method. The distribution ratio of mechanical loss for each system is obtained by the motoring experiment，in