《內(nèi)燃機實驗》實驗指導(dǎo)書

1、內(nèi)燃機實驗實驗指導(dǎo)書南昌大學機電工程學院動力工程系發(fā)動機實驗室2014.05目 錄實驗一  發(fā)動機機械效率的測定實驗二 柴油機負荷特性實驗實驗三 發(fā)動機氣道穩(wěn)流性能實驗實驗四 柴油機燃油噴射過程實驗附錄一 發(fā)動機臺架試驗安全操作規(guī)范 實驗一  發(fā)動機機械效率的測定一 試驗?zāi)康模?、了解發(fā)動機試驗臺架的組成，掌握發(fā)動機扭矩、功率、轉(zhuǎn)速及油耗等基本發(fā)動機性能參數(shù)的測量方法。熟悉電渦流測功器、油耗轉(zhuǎn)速測量儀、發(fā)動機數(shù)控試驗臺等儀器的原理和使用方法。熟悉FST2E發(fā)動機數(shù)控系統(tǒng)的使用方法和用戶程序的編制方法。2、采用油耗線法測定發(fā)動機機械效率m，并由此計算出發(fā)動機的機械損失功率。目

2、的在于了解發(fā)動機的機械磨擦損失隨曲軸轉(zhuǎn)速與負荷的變化規(guī)律，以便評定發(fā)動機的結(jié)構(gòu)完善程度與調(diào)整裝配質(zhì)量；還可以借以推算發(fā)動機的指示功率，也可用于評定發(fā)動機工作均勻性。二、試驗儀器及設(shè)備：2105B型柴油機 南昌凱馬柴油機有限公司CW100-3000/10000電渦流測功機 邁凱（洛陽）機電有限公司 FCM-D油耗轉(zhuǎn)速測量儀 上海內(nèi)燃機研究所 FST2E發(fā)動機數(shù)控試驗臺 邁凱（洛陽）機電有限公司三、實驗基本原理：本實驗采用油耗線法測定2105B型直噴非增壓柴油機的機械效率m。實驗基本原理為：發(fā)動機在某一具體工況下指示熱效率為：發(fā)動機同一轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)時指示熱效率為：假設(shè)發(fā)動機該工況下和空轉(zhuǎn)時的指示熱效

3、率相同（即A=0），則有：故，該轉(zhuǎn)速的發(fā)動機機械損失功率可通過下式計算得到：則，該轉(zhuǎn)速下的有效功率為Pe時機械效率m為：另：由于通過油耗法測得發(fā)動機機械效率是基于同一轉(zhuǎn)速下不同負荷時發(fā)動機指示熱效率相等的假設(shè)基礎(chǔ)上的，但實際情況是在同一轉(zhuǎn)速下不同負荷時發(fā)動機的指示熱效率是不同的（特別是在點燃式預(yù)混燃燒模式發(fā)動機上相差更大）。因此采用油耗法，某個具體工況點的選取對實驗精度影響很大，該工況點的選取應(yīng)盡量保證其與同轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)時的熱效率近似。因此該工況點應(yīng)選為某個小有效功率點，已提高實驗精度。另外，通過實驗測得某一轉(zhuǎn)速下的油耗量曲線（如下圖），根據(jù)油耗曲線曲線，用作圖的方法也可求出發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速下的機

4、械損失功率Pm 。具體方法可參閱中國農(nóng)業(yè)機械出版社1984年出版的“柴油機試驗”。四、試驗步驟： 1、完成試驗前的安全檢查及實驗條件完備情況檢查（具體內(nèi)容見附件一），開啟FST2E發(fā)動機數(shù)控測試系統(tǒng)，進入測控界面（如圖1所示）。 圖1 發(fā)動機測控系統(tǒng)操作界面2、起動發(fā)動機，預(yù)熱發(fā)動機至熱平衡狀態(tài)（冷卻水出水溫度達到80±5左右,預(yù)熱方法見附件一）。3、  進入實時測控系統(tǒng)，采用手動控制方式，選取“自然調(diào)位”方法控制發(fā)動機運行。通過手動調(diào)節(jié)發(fā)動機的油門使發(fā)動機達到要測定的轉(zhuǎn)速（如轉(zhuǎn)速為1400r/min），待發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，測量該轉(zhuǎn)速下發(fā)動機空轉(zhuǎn)時（即輸出有效功率

5、為0kW）的油耗量。4、通過手動調(diào)節(jié)油門和勵磁使得發(fā)動機達到相同轉(zhuǎn)速下的某個小有效輸出功率工況點（本實驗中有效功率可選為2kW）。讓柴油機在此狀態(tài)下運行2-3分鐘，待熱穩(wěn)定后記錄下此時的油耗量和有效功率。5、重實驗步驟3-4,測出其它轉(zhuǎn)速下空轉(zhuǎn)和小功率點的油耗量和有效功率。6、逐漸減小測功器扭矩及轉(zhuǎn)速，空載運行5min后停機。7、整理實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。五、試驗數(shù)據(jù)處理和分析：1認真記錄發(fā)動機技術(shù)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)。2. 計算不同轉(zhuǎn)速時發(fā)動機機械損失功率。3、繪制機損械失功率Pm隨曲軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律曲線，并進行分析4繪制發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下（至少3個轉(zhuǎn)速）機械效率m隨有效功率Pe的變化規(guī)律曲線，并

6、進行分析；附：機械效率試驗數(shù)據(jù)記錄表發(fā)動機型號： 發(fā)動機機號： 大氣溫度： 大氣壓力： mmHg轉(zhuǎn)速r/min功率Kw扭矩N.m燃油油耗量Kg/ h排溫水溫機油溫度機械損失功率Pm/kW實驗二 柴油機負荷特性實驗一、實驗?zāi)康模?制取發(fā)動機負荷特性曲線的目的在于找出發(fā)動機在不同負荷下動轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為常數(shù)）時的動力性與經(jīng)濟性變化規(guī)律，便于使用者將發(fā)動機的負荷控制在恰當范圍且較為經(jīng)濟的區(qū)域下工作。 對不帶調(diào)整器的（主要為汽油機的、也包括柴油機）負荷特性（節(jié)流特性），主要顯示發(fā)動機在負荷變化時經(jīng)濟指標隨發(fā)動機有效功率（或平均有效壓力）的變化規(guī)律。 對帶有調(diào)速器的（主要為柴油機）的負荷特性，主要顯示高壓油泵

7、齒條（拉桿）在調(diào)速器控制下負荷變化時動力性與經(jīng)濟性指標隨發(fā)動機有效功率的變化規(guī)律，以及檢驗調(diào)速器工作的正確性。 1.熟悉制取發(fā)動機負荷特性曲線方法、步驟與基本操作技術(shù)； 2.了解發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下運轉(zhuǎn)時動力性與經(jīng)濟性的變化規(guī)律；二、實驗原理：在發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變的情況下，利用電渦流測功器改變發(fā)動機的負荷，同時通過油耗儀測量發(fā)動機的燃油消耗率，分別測取不同負荷時柴油機燃油消耗率及其他參數(shù)并測，繪制柴油機負荷特性曲線圖。三、實驗儀器及設(shè)備：2105B型柴油機 南昌凱馬柴油機有限公司CW100-3000/10000電渦流測功機 邁凱（洛陽）機電有限公司 FCM-D油耗轉(zhuǎn)速測量儀 上海內(nèi)燃機研究

8、所FST2E發(fā)動機數(shù)控試驗臺 邁凱（洛陽）機電有限公司四、試驗步驟：1、完成試驗前的安全檢查及實驗條件完備情況檢查（具體內(nèi)容見附件一），開啟FST2E發(fā)動機數(shù)控測試系統(tǒng)，進入測控界面（如圖1所示）。 圖1 發(fā)動機測控系統(tǒng)操作界面2、起動發(fā)動機，預(yù)熱發(fā)動機至熱平衡狀態(tài)（冷卻水出水溫度達到80±5左右,預(yù)熱方法見附件一）。3、  進入實時測控系統(tǒng)，本實驗可采用手動控制和自動控制兩種方式進行，下面以手動控制為例介紹實驗步驟。首先選取“自然調(diào)位”方法控制發(fā)動機運行。通過手動調(diào)節(jié)發(fā)動機的油門使發(fā)動機達到要測定的轉(zhuǎn)速（如轉(zhuǎn)速為1400r/min），待發(fā)動機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)后，測量該轉(zhuǎn)

9、速下發(fā)動機空轉(zhuǎn)時（即輸出有效功率為0kW）的各實驗數(shù)據(jù)。4、通過手動調(diào)節(jié)油門和勵磁使得發(fā)動機達到相同轉(zhuǎn)速下的有效功率為2kW的工況點。讓柴油機在此狀態(tài)下運行2-3分鐘，待熱穩(wěn)定后測量各實驗數(shù)據(jù)。5、重實驗步驟4,測出該轉(zhuǎn)速下其它有效功率點（4kW，6kW.，可每隔2kW測試一次，直至該轉(zhuǎn)速下最大功率點（即發(fā)動機出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象）的實驗數(shù)據(jù)。6、逐漸減小測功器扭矩及轉(zhuǎn)速，空載運行5min后停機。 7、整理實驗數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告。附：采用自動控制的實驗步驟： 1、實驗準備工作同手動控制。 2、自動控制的實驗方法過程：在實驗前編制控制過程文件，然后在實驗時，采用“程控”模式，則測控系統(tǒng)會按照控制過程文

10、件的設(shè)置自動完成實驗測試過程，并將實驗數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)文件中。 3、具體操作如下： （1）控制文件編輯:如下圖（2）、數(shù)據(jù)文件設(shè)置和保存：（3）自動控制測試：五、試驗數(shù)據(jù)處理及分析：1 認真記錄發(fā)動機技術(shù)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)。2繪制實驗柴油機在不同轉(zhuǎn)速時（至少3個轉(zhuǎn)速）的負荷特性曲線，并進行分析；3. 繪制實驗柴油機的萬有特性曲線圖。附：負荷特性試驗數(shù)據(jù)記錄表發(fā)動機型號： 發(fā)動機機號： 大氣溫度： 大氣壓力： mmHg序號轉(zhuǎn)速r/min功率Kw扭矩N.m燃油消耗量Kg/h燃油油耗率Kg/Kw.h排溫水溫機油溫度附錄一 發(fā)動機臺架試驗安全操作規(guī)范1、試驗前要對試驗臺架、發(fā)動機、測功機、聯(lián)軸節(jié)、各連接螺栓

11、及運動部件進行檢查，運動部件運動不得受阻礙，連接不允許有松動現(xiàn)象。2、檢查發(fā)動機燃油、機油、冷卻水和測功機潤滑油、冷卻水等是否足正常；檢查各儀器儀表如轉(zhuǎn)速表、機油壓力表、冷卻水溫表等是否安裝正確。3、起動、預(yù)熱發(fā)動機，注意聯(lián)軸節(jié)兩旁不得站人，按先空車后小負荷運轉(zhuǎn)數(shù)分鐘，然后逐漸加至中等負荷（或較大負荷）預(yù)熱發(fā)動機至冷卻水出水溫度達到80±5左右。4、必須在發(fā)動機工況穩(wěn)定之后同時測量各有關(guān)參數(shù)，整個實驗過程中，應(yīng)保證冷卻水出水溫度始終控制在80±5之間，蒸發(fā)水冷式柴油機要等到冷卻水沸騰，并且盡量使之波動微小，特性曲線一般測量810點。5、試驗后應(yīng)逐漸減小發(fā)動機負荷至空車再運轉(zhuǎn)

12、數(shù)分鐘后停車。實驗三 發(fā)動機氣道穩(wěn)流性能實驗一 試驗?zāi)康模?發(fā)動機要具有良好的燃燒過程，獲得理想的動力性，經(jīng)濟性及低排放的性能指標，就必須合理匹配燃燒系統(tǒng)。要使混合氣形成過程和燃燒過程完善，必須使缸內(nèi)有充足的新鮮空氣和組織合理的缸內(nèi)氣流運動，而氣道的流通性能對發(fā)動機的充量系數(shù)和缸內(nèi)氣流運動都有重要的影響。 發(fā)動機氣道穩(wěn)流性能實驗就是利用測試設(shè)備獲得表示氣道流動阻力的流量系數(shù)和表征缸內(nèi)流動強度的渦流強度和渦流比等重要參數(shù)，為氣道性能設(shè)計和改進提供重要依據(jù)。二、試驗儀器及設(shè)備：TUST105型發(fā)動機氣道穩(wěn)流試驗臺主要由試驗臺主體、變頻器、風機、穩(wěn)壓箱、壓力傳感器、進（排）氣管路和蝶閥孔板流量計,

13、動量計以及數(shù)據(jù)采集儀、計算機與打印機等部分組成，實驗臺總體布置如下圖所示：設(shè)備名稱 廠家及型號TUST102氣道穩(wěn)流試驗臺 天津大學缸蓋一個 VM28 測控用計算機三、實驗基本原理： 在內(nèi)燃機中，進氣過程進入氣缸的空氣量和氣體的速度分布及其渦流(或滾流)和湍流狀況等對燃燒過程有著顯著的影響，從而對內(nèi)燃機的經(jīng)濟性、動力性、排放指標、燃燒噪音和怠速穩(wěn)定性等產(chǎn)生重要的影響。中小型高速直噴式柴油機常利用螺旋進氣道來產(chǎn)生適當?shù)倪M氣渦流，而在汽油機中則利用進氣道與燃燒室的配合來產(chǎn)生適當?shù)臐L流，以促進燃料與空氣的混合，從而改善燃燒。 一、氣道流動特性的定義 進氣道流動特性一般指流通能力和產(chǎn)生渦流(或滾流)的

14、能力。目前，評價氣道流通特性的方法大部分仍采用在穩(wěn)流試驗臺上測得的流量系數(shù)和渦流比。在穩(wěn)流試驗臺上測量進氣道渦流的方法有葉片風速儀法和渦流動量矩法，測量氣道流通能力一般用標準流量計測量。為了便于對不同形狀和尺寸的氣道流動性能進行比較，用無量綱流量系數(shù)評價不同氣門升程下氣道的流通能力，用無量綱渦流比來評價不同氣門升程下氣道形成缸內(nèi)渦流的能力，用加權(quán)平均流量系數(shù)和加權(quán)平均渦流比來評價氣道總的流通能力和渦流能力。 二、評價方法及參數(shù) 現(xiàn)有氣道流動性能主要平價方法有：Ricardo方法，AVL方法，F(xiàn)EV方法，西南研究院SwRI方法等。在我國，前三種方法運用比較多。各種評價方法及評價參數(shù)定義如下（一）

15、、Ricardo方法：一般流量系數(shù)的定義： 1、 流量系數(shù)：式中：Q實際為實際氣體質(zhì)量流量；V0為氣門出口處氣體流速；A為氣門座圈內(nèi)截面面積。其中：式中：D為氣門座內(nèi)徑；i為每缸進氣門數(shù)；Dp為氣道的壓力降；rm為氣道內(nèi)空氣密度。平均流量系數(shù)Cfm：在平均流量系數(shù)的計算是Ricardo方法采用實際的氣門升程曲線。2、渦流比a、無量綱動量渦流數(shù)Nr式中：M為渦流動量計測得的動量矩，Q為質(zhì)量流量，B為氣缸直徑。b、渦流比Rs：式中：Ld為形狀因子，；（二）AVL方法AVL方法假定進氣只發(fā)生在上止點與下止點之間，并采用一標準的氣門升程表來計算平均流量系數(shù)和平均渦流比，由于采用標準氣門升程并且在上下止

16、點間進行積分，所以，所的平均渦流比和平均流量系數(shù)與實際配氣相位及氣門升程無關(guān)。1、 流量系數(shù)：式中：Q實際為實際氣體質(zhì)量流量；V0為氣門出口處氣體流速；A為氣門座圈處截面面積。其中：式中：D為氣門座密封帶的最小內(nèi)徑；i為每缸進氣門數(shù)；Dp為氣道的壓力降；rm為氣道內(nèi)空氣密度。平均流量系數(shù)Cfm：式中：C，Cm分別為活塞瞬時速度和平均速度 假定活塞平均速度Cm與模擬氣缸內(nèi)空氣的軸向氣流速度ua相等，則有：2、渦流比a、各氣門升程下的渦流比W：式中：Vh為發(fā)動機單缸排量，B為發(fā)動機缸徑，Q為測得的流量。當采用渦流動量計來測量氣道流動特性時，測出的是模擬氣缸內(nèi)氣體流動的動量矩M，因此，此時的渦流比的

17、計算公式為：平均渦流比Rs：式中：M為渦流動量計測得的動量矩，Q為質(zhì)量流量，B為氣缸直徑,Vh為發(fā)動機單缸排量。備注：Ricardo與AVL評價方法的比較：1、Ricardo方法在計算平均渦流比時采用的是發(fā)動機的實際氣門升程數(shù)據(jù)，對不同升程時的流量系數(shù)和發(fā)動機形狀因子進行了加權(quán)計算，考慮了流量系數(shù)及發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)對平均渦流比的影響。因此Ricardo方法更適用于評價氣道形狀及配氣相位變化對缸內(nèi)氣流運動的影響。2、AVL方法在計算平均渦流比時采用的是標準AVL氣門升程曲線，對不同升程時的活塞運動速度進行了加權(quán)計算，考慮了活塞運動速度（發(fā)動機速度，連桿長度，活塞行程）對平均渦流比的影響。因此Ric

18、ardo方法更適用于評價氣道形狀及發(fā)動機活塞連桿機構(gòu)運動變化對缸內(nèi)氣流運動的影響。四、試驗步驟： 1、實驗前儀器設(shè)備的檢查。 2、安裝與被測缸蓋配套的模擬缸筒及定位底板，如有需要（原缸蓋氣門彈簧太硬時），更換氣門彈簧。 3、開啟測控軟件及測控設(shè)備，在測控軟件中輸入被測缸蓋的參數(shù)及發(fā)動機相關(guān)參數(shù)。 4、將被測缸蓋安裝到測試臺上，保證安裝位置正確，在保持氣門關(guān)閉的狀態(tài)下，對試驗設(shè)備進行密封性檢測，應(yīng)保證不出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。 5、調(diào)節(jié)氣門開度，使氣門升程達到2mm，測試此時氣道及缸內(nèi)氣流運動特性。 6、依次調(diào)節(jié)氣門開度，分別測試氣門升程為4mm，6mm，8mm，10mm時氣道及缸內(nèi)氣流運動特性。 7、實

19、驗結(jié)束，拷貝實驗數(shù)據(jù)及關(guān)閉實驗儀器，整理清掃實驗室。 8、實驗數(shù)據(jù)的處理與分析。五、試驗數(shù)據(jù)處理和分析：1記錄發(fā)動機技術(shù)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)。2. 計算不同氣門升程時的Ricardo和AVL的流量系數(shù)及渦流比，計算Ricardo和AVL的平均渦流比。3、比較分析切向氣道、螺旋氣道及組合氣道的穩(wěn)態(tài)流動特性。附：發(fā)動機氣道穩(wěn)流性能實驗數(shù)據(jù)表表一 發(fā)動機相關(guān)參數(shù)表機型編號發(fā)動機排量(L)缸徑行程連桿長度發(fā)動機轉(zhuǎn)速氣門座角度缸心距VM282.80 94100159380045112進氣門個數(shù)開啟角關(guān)閉角直徑搖臂比氣門間隙氣門最大升程凸輪最大升程2-15.664.430.52.1644859808.5365335783.943908排氣門個數(shù)開啟角關(guān)閉角直徑搖臂比間隙氣門最大升程凸輪最大升程2-663228.92.1644859808.5389296643.945015表二 凸輪型線數(shù)據(jù)表曲軸轉(zhuǎn)角進氣凸輪升程曲軸轉(zhuǎn)角排氣凸輪升程000020.00902770.05946370.063643120.208584120.247438170.540201170.619301221.009902221.126109271.541014271.689193322.069196322.242434372.553578372.742206422.973367423.1