发动机机械损失台架测量方法研究

杨名名，刘依敏，钱人杰

（上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海201805）

0 引言

发动机的整机机械损失为发动机的指示功减去测功机测到的有效功，其台架测量方法有示功图法、倒拖法、灭缸法和油耗线法［1］。对传统内燃机而言，因试验原理的不同，示功图法、倒拖法和灭缸法适用于汽油机和柴油机，而油耗线法仅适用于柴油机。倒拖法适用最为广泛，常被用于研究发动机各项机械损失，尤其是摩擦损失。付建勤、段雄波等人用倒拖法研究了整机和子系统的机械损失规律［2-5］。杨连生等人研究了用平均指示功求机械损失的示功图法，该方法是最为合理的测量方法［6］；但受制于测试设备的原因，主要是上止点确定误差较大而一直未得到实用。杨宝勤等人研究了油耗线法测量机械损失的理论依据，假设固定转速下的机械损失功率和指示效率都不随负荷变化而变化［7］。

本文对某国V柴油机的机械损失功率，采用上述各方法进行试验测量，并对试验结果进行研究。同时，将试验结果与里卡多经验公式［8］和Chen-Flynn模型［9］进行对比，为柴油机机械损失的台架测量和发动机性能开发、优化提供参考。

1 机械损失台架测量方法

1.1 倒拖法

采用电力测功机对发动机进行倒拖试验，通过断开点火开关来切断发动机喷油。倒拖试验过程中，发动机不做功，由测功机拖动发动机，测功机测得的功率即为发动机各转速下的机械损失功率。

1.2 示功图法

在发动机正常运转下，由测功机测得发动机曲轴末端的输出功率，即有效功率；通过燃烧分析仪测得发动机各缸缸内压力与曲轴转角一一对应关系，经公式计算得到指示功率；用指示功率和有效功率的差值来确定机械损失。

1.3油耗线法

油耗线法也称为负荷特性法，仅适用于柴油机。在中低负荷时，柴油机的燃油耗量B与有效功率Pe基本成线性关系，利用相似三角形原理，根据不同转速下的B-Pe曲线，可以得到Pm值。据研究，油耗线法的理论基础为：当柴油机转速不变时，其机械损失功率和指示热效率都不随负荷变化而变化。燃油耗与有效功率关系在中小负荷时越趋于线性，测得的机械损失可信度越高［10］。

1.4 灭缸法

在发动机正常运转情况下，测量发动机的有效功率，然后使其中的1缸不工作 （不供油），其他条件尽可能保持不变，再测量发动机的有效功，二者之差为不工作之缸的指示功率；这样逐次灭缸，得到各缸的指示功率，最终得到整机的机械损失［11］。

灭缸法机械损失计算如下：

式中：Pi为发动机整机指示功率，kW；Pe为发动机整机有效功率，kW；Pe，i为灭掉第i缸后其余缸的有效功率，kW；Pm为发动机整机机械损失功率，kW；n为发动机气缸数，i为气缸序号。

据研究，驱动附件损失及换气损失受气缸压力影响较小，活塞、活塞环与气缸之间及曲轴轴颈与轴瓦之间的摩擦损失随着气缸内压力增大而增大；特别是活塞环与气缸之间的摩擦损失，与活塞环的背压成正比［12］。倒拖法、油耗线法及灭缸法测量的均是发动机整体机械损失，包含驱动附件损失、摩擦损失和换气损失。示功图法不包含换气损失，因为在计算指示功的时候已经将换气损失减去［13］。

2 机械损失功率台架试验

2.1 试验样机

本文采用试验发动机为2.8 L车用4缸柴油机，其主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

2.2 试验设备

试验采用HORIBA品牌的Dynas3系列交流电力测功机及其控制系统、HORIBA品牌的FQ2100DP系列体积式瞬态油耗仪、AVL品牌Indicom系列燃烧分析仪及缸内压力传感器、CAHU品牌的CAHU3500进气空调、武汉东测品牌的EME系列水冷和中冷温控单元。试验台架布置如图1所示。

图1 柴油机试验台架布置

2.3 试验条件

采用倒拖法时，电力测功机倒拖发动机，发动机冷却液温度和机油温度控制都在30℃、60℃和90℃；采用油耗线法、灭缸法和示功图法时，试验条件与发动机标准台架试验的一致。

3 试验结果及分析

3.1 倒拖法

对试验样机采用倒拖法测量整机机械损失，试验转速范围按国家标准GB／T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》［14］规定之机械损失功率试验规定，试验结果如图2所示。

图2 不同机油温度下平均损失压力实测值

由图2可知，机油温度对摩擦损失在机械损失的比重影响非常大，机油温度越低，摩擦损失占整个机械损失比重越大。冷机 （机油30℃）整机损失比热机 （机油90℃）整机损失最小相差16.6%， 最大相差36.1%。

平均损失压力计算模型中，主要影响因素为发动机转速和发动机负荷，计算公式采用较为常用的里卡多经验公式，计算模型采用Chen-Flynn模型。平均损失压力与发动机转速成二次多项式关系，利用最小二乘法进行多项式回归，得到本次试验的平均损失压力的二次多项式：

式中：y为平均损失压力，MPa；x为发动机转速，r／min。

台架实际测量的平均损失压力与由计算模型得到的平均损失压力相比，相差很小，在中间转速区域，几乎没有差别，整个转速区域相差0.13% ～4.58%，如图3所示。

图3 平均机械损失的实测值与理论值比较

倒拖试验过程中，记录平均指示有效压力（indicated mean effective pressure， IMEP） 和发动机试验台架的倒拖扭矩。倒拖状态下发动机没有做功，IMEP等于换气损失。倒拖法测试的IMEP计算如下：

式中，pme为IMEP，MPa；Pe为有效功率，kW；V为发动机排量，L；n为发动机转速，r／min。

通过计算，可以得到平均损失压力分配情况。换气损失与发动机转速几乎成线性关系，转速越高，换气损失越大。驱动附件损失和摩擦损失的之和与发动机转速几乎成二次多项式关系，如图4所示。图4所示的损失压力是发动机在热机 （机油90℃）状态下所测得的。

图4 发动机损失压力分布

在现行发动机扭矩标定试验中，将倒拖法试验结果作为机械损失对损失扭矩进行标定。在不同冷却液温度和机油温度下倒拖发动机，将不同转速下测得的摩擦扭矩填入摩擦扭矩Map图中，再利用插值法进行插值和平顺。发动机实际运行过程中，随着发动机转速和扭矩的升高，发动机的实际换气损失很大，不能忽视；但采用倒拖法测得的换气损失是各转速下最小值，故测得的机械损失偏小。

3.2 示功图法

对试验样机采用示功图法测量整机机械损失。试验采用发动机正常运行状态下的数据，即发动机热机后的万有特性试验数据。试验中，主要记录发动机转速、实测扭矩、燃油耗、各气缸的缸内压力、冷却液温度、机油温度等数据。

在各个转速下，平均损失压力随转速和缸内压力的增大而增加。在发动机高转速区，平均损失压力达到最大值0.18 MPa（额定点），如图5所示；各转速下平均损失压力最大差值如图6所示。在发动机低速和高速区，平均损失压力随负荷变化相对较小， 最小值0.017 MPa， 最大值0.026 MPa。 在最大扭矩附近的中速区，平均损失压力波动比较大， 2 200r／min下达到最大值， 为0.044 MPa， 占该转速最大平均损失压力 （不包含换气损失）的29.1%。

图5 发动机平均损失压力

图6 不同转速下平均损失压力最大差值

3.3 油耗线法

对试验样机采用油耗线法测量整机机械损失。油耗线法与示功图法台架试验循环一致，采用发动机正常运行状态下的数据，即发动机热机后的万有特性试验数据。试验中，同样主要记录发动机转速、实测扭矩、燃油耗、冷却液温度、机油温度等数据。

通过油耗线法得到试验样机的平均损失压力，并将其与Chen-Flynn模型计算值进行比较，结果如图7所示。油耗线法测得的平均损失压力偏小，与Chen-Flynn模型计算值相比，最小相差11.50%， 最大相差38.85%。

3.4 灭缸法

对试验样机采用灭缸法测量整机机械损失。台架试验过程中，发动机出现工作不稳定，抖动明显。理论上该方法可以测量出机械损失 （如式（1） ～ （2）所示），但实际上发动机工作不稳定，存在测功机与发动机之间的连接轴被损坏的风险；而且测量结果存在很大不确定性。

图7 平均损失压力对比

4 各种试验方法分析和比较

对试验样机分别采用倒拖法、油耗线法、示功图法和灭缸法进行整机机械损失测量，然后用Chen-Flynn模型对该发动机的整机机械损失进行计算，并将3种方法与Chen-Flynn模型计算值进行比较，结果见图8。由图8可知，示功图法的测试值最低，倒拖法的测试值最接近Chen-Flynn模型计算值。

图8 3种方法与Chen-Flynn模型对比

灭缸法过程中发动机状态特别不稳定，不适合用于台架试验测量机械损失。油耗线法试验结果与Chen-Flynn模型相比，相同转速下的平均损失压力偏小11.5% ～38.85%，不适用于测量高强化发动机机械损失。倒拖法试验结果最接近Chen-Flynn模型的计算结果，说明其结果更接近实际机械损失，属于比较实用的试验方法；但倒拖法测量的机械损失受发动机机油温度影响最大，在相同转速下，90℃机油状态下比30℃机油状态下的平均损失压力下降16.6% ～36.1%。与倒拖法相比，示功图法的试验结果基于发动机正常运转状态，因此更为准确。曾因受限于设备测量准确性和台架资源分配等原因，示功图法没有用于发动机机械损失台架测量试验。目前燃烧分析仪已广泛存在于整车企业的发动机试验室，建议将示功图法作为机械损失测量的推荐性方法。

5 结论

通过对倒拖法、油耗线法、示功图法和灭缸法的分析，并采用4种方法对试验样机的整机机械损失进行测量，得出以下结论：1）倒拖法测量精度比较高、方法简单，可作为常用的发动机机械损失测量方法；2）因油耗线法测得的平均损失压力偏小，该方法不适合高强化柴油机；3）因示功图法的试验结果基于发动机正常运转状态，其测量结果更为准确，推荐使用；4）灭缸法会使试验过程中发动机振动加大，导致工作不稳定，无法测得发动机转速和扭矩，不建议使用。