基于試驗的機油溫度對柴油機阻力矩影響規律的預測方法*

杜巍 范璘 王 劉福水

（1-北京理工大學機械與車輛學院北京1000812-河北華北柴油機有限公司）

·設計·計算·

基于試驗的機油溫度對柴油機阻力矩影響規律的預測方法*

杜巍1范璘1王2劉福水1

（1-北京理工大學機械與車輛學院北京1000812-河北華北柴油機有限公司）

提出了一種根據在柴油機停機過程中的瞬時轉速信號計算柴油機阻力矩的方法，并針對一臺多缸柴油機，測量和分析了不同轉速下柴油機阻力矩隨機油溫度的變化規律，采用多項式擬合方法得到阻力矩與機油溫度的關系式。試驗和計算結果表明：在相同轉速下，阻力矩隨著機油溫度的降低而上升，并呈現二次多項式變化規律；轉速越高，阻力矩隨著機油溫度的降低而上升越多；并通過數據擬合的公式預測了一定機油溫度和轉速范圍內的旋轉阻力矩。

柴油機阻力矩機油溫度多項式擬合

引言

柴油機的阻力矩直接影響其機械損失，進而影響柴油機的經濟性、動力性、可靠性等性能指標。機油溫度因影響機油的粘度，進而間接地影響柴油機阻力矩的大小，最終會影響柴油機的機械效率[1]。因此，研究機油溫度對柴油機阻力矩的影響對于提高機械效率具有很大意義。

目前，常用的柴油機阻力矩測量方法有：示功圖法、慣性法、倒拖法、關缸法、油耗延長線法[2]，通過得到發動機的機械摩擦損失功，可間接計算得到發動機阻力矩。另外，利用經驗公式也可以計算得到不同轉速下的平均摩擦損失壓力或發動機摩擦阻力矩，如麻省理工學院JB.Heywood教授給出的經驗公式[3]，Gamma Technology公司和Ricardo-Wave公司提出的Chen-Flynn計算模型[4]、N.C.赫沃謝夫和M. A.明金提出的經驗公式[5]等。

多年來，研究人員針對柴油機阻力矩進行了大量的研究。福特汽車公司的Michael Murphy等研究了機油粘度對內燃機低溫低轉速工況下內摩擦力的影響，研究發現平均摩擦損失壓力與機油粘度成單調遞增的關系，且隨著溫度的降低機油粘度上升[6]。曹志義等采用倒拖法，測試了一臺6缸柴油機的起動阻力矩，并采用單因素方差分析法分析轉速對平均起動阻力矩的影響規律[7]。王忠等使用三相變頻異步電機倒拖發動機，測量了在不同溫度、不同拖動轉速下，柴油機阻力的變化規律[8]。胡玉貴等分析研究了影響柴油機低溫起動的主要因素，結果發現，在低溫情況下的起動力矩減小、阻力矩增大和著火困難是導致柴油機低溫起動困難的主要原因，并提出了相應的改善措施[9]。莫瑋等為了改善嚴寒條件下車輛柴油機的冷起動性能，對柴油機冷起動過程的起動力矩、阻力矩以及燃料著火進行了研究分析，并采用一些措施提升了柴油機冷起動性能[10]。

與前人的研究方法不同，在沒有電力測功機的情況下，本文提出了一種通過采集和分析停機過程中柴油機的瞬時轉速信號，計算柴油機旋轉阻力矩的方法。利用此方法，本文針對一臺8缸柴油機，測量、分析了在停機過程中不同轉速下阻力矩隨機油溫度的變化規律，并采用多項式擬合方法得到阻力矩與機油溫度的關系式，進一步預測了不同轉速、不同機油溫度時的柴油機阻力矩。

1 試驗和數據處理方法

1.1 試驗方法

本文所采用的試驗設備具體包括：

1）某型號多缸電控柴油機（柴油機運轉時的阻力矩主要來自于曲柄連桿機構、配氣機構、供油凸輪軸、水泵、油泵等零部件及泵氣損失力矩）；

2）湘儀動力試驗數據采集系統；

3）奧地利Dewetron公司燃燒分析儀及數據采集系統。

試驗利用起動電機拖動發動機，當起動電機拖動轉速大于150 r/min后，發動機著火成功，并達到怠速穩定工況。隨后，通過電控系統切斷供油，柴油機在自身慣性下繼續轉動，并在阻力矩作用下逐漸減速，直至停車。在此過程中，利用燃燒分析儀采集柴油機的曲軸正時齒盤信號，得到瞬時轉速。在試驗室條件下，試驗時保證冷卻水溫恒定，機油溫度分別控制在283K、288K、293K、298K、303K、308K、313K、318K、323K、328K、333K進行試驗。

1.2 數據處理方法

發動機曲軸正時齒盤上有58個齒，每兩個齒間隔6°，其中有兩個齒間隔18°。齒盤旋轉一周，轉速傳感器就會輸出58個正弦電壓信號，經過濾波處理，得到58個方波信號。燃燒分析儀基于時間采集方波的上升沿信號。計算出兩個上升沿之間的時間，即可計算發動機的瞬時轉速n。

根據剛體定軸轉動微分方程得到：

其中：Mf為阻力矩；J為柴油機旋轉部件對曲軸中心線的當量轉動慣量，可根據曲柄連桿機構等運動件的結構尺寸、質量、質心計算得到；n為瞬時轉速；t為時間[11]。

2 試驗結果與分析

通過試驗與數據處理，最終得到了不同機油溫度下阻力矩隨轉速的變化規律，如圖1所示。數據分析如表1所示。

圖1 不同機油溫度下阻力矩隨轉速變化關系

表1 數據分析

由圖1可以看出，當機油溫度在303K以上時，相同機油溫度下，阻力矩隨轉速上升而上升，兩者近似呈線性關系；當機油溫度在303K以下時，相同機油溫度下，阻力矩隨轉速上升而加速上升，兩者呈非線性關系。

由表1中的數據可知，當機油溫度從333K降低到283K，800 r/min與100 r/min時的阻力矩差由40.6 N·m增加到105.1 N·m，由此可見機油溫度越低，阻力矩隨轉速增加而增加得越多。

將上述試驗數據進一步處理，得到不同轉速下阻力矩隨機油溫度變化關系，如圖2所示。數據分析如表2所示。在不同的轉速下，柴油機阻力矩隨著機油溫度的下降而單調增加，且呈非線性關系。由表2中的數據可知，當轉速從100r/min增加到800r/min，283K與333K時的阻力矩差由35.9 N·m增加到100.4 N·m，由此可見轉速越高，阻力矩隨機油溫度的降低而增加得越多。

圖2 不同轉速下阻力矩隨機油溫度變化關系

表2 數據分析

圖1和圖2所顯示的柴油機阻力矩對轉速和機油溫度的變化規律分析，主要是由于：

1）柴油機旋轉時的阻力矩主要來自于摩擦阻力矩、驅動氣門、水泵、油泵等設備的損失力矩、及泵氣損失力矩，其中摩擦阻力矩所占的比例最大，約占阻力矩60~70%[2]。

2）一般情況下，柴油機摩擦副處于液體摩擦狀態，摩擦副之間的摩擦系數與表面潤滑油的粘度、表面滑動速度成正比[12]，也可以認為摩擦阻力矩與粘度、滑動速度成正比。

3）機油粘度隨著溫度的降低而單調增加，如圖3所示，呈現二次多項式分布規律。所以，可以近似認為柴油機的阻力矩隨機油溫度的降低而單調遞增，且存在二次多項式的變化規律。

圖3 機油動力粘度隨溫度變化規律[13]

3 公式擬合及分析預測

利用圖2中的試驗數據，進行二次多項式的數據擬合，得到了不同轉速時發動機的阻力矩隨機油溫度變化的關系式，見表3。表中的公式是以絕對溫度t（單位為K）為變量、阻力矩為函數的二次多項式，滿足了擬合優度R平方值大于0.998。

根據上表3中所列出的公式，總結得到柴油機適用的阻力矩經驗公式，即：

其中：Tf為阻力矩，單位為N·m；t為絕對溫度，取值范圍為253K～333K；A、B、C為與轉速有關的系數。系數A在100 r/min至800 r/min的取值范圍為0.0124～0.0277，轉速越高，A值越大；系數B在100 r/ min至800r/min的取值范圍為－8.272～－18.992，轉速越高，B值越??；系數C在100r/min至800r/min的取值范圍為1489.9～3397.6，轉速越高取值越大。A、B、C隨轉速的變化曲線見圖4、5、6。

圖4 系數A隨轉速變化關系

圖5 系數B隨轉速變化關系

圖6 系數C隨轉速變化關系

如果認為A、B、C是轉速的函數，則利用三次多項式進行數據擬合，得到A、B、C三個參數與轉速的函數關系式，滿足了擬合優度R平方值大于0.998，見表4。

根據公式（2）和表4中A、B、C的計算公式，可以計算出機油溫度在253K～333K、轉速在100 r/min~800 r/min范圍內柴油機的阻力矩值。如：當機油溫度為273K時，轉速200 r/min時的阻力矩為165 N·m；轉速800 r/min時阻力矩為279 N·m，兩者相差114 N·m。在263K下，柴油機不同轉速時的阻力矩為：n= 200 r/min時阻力矩為185 N·m；n=800 r/min時阻力矩為321N·m，兩者相差136N·m；在253K條件下，柴油機不同轉速時的阻力矩為：n=200 r/min時阻力矩為207 N·m；n=800 r/min時阻力矩為368 N·m，兩者相差161 N·m。

表4 擬合公式

4 結論

1）在相同機油溫度下，阻力矩隨轉速上升而上升，且機油溫度越低，阻力矩隨轉速增加而增加越多；在相同轉速下，阻力矩隨著機油溫度的降低而上升，且轉速越高，阻力矩隨著機油溫度的降低而上升越多。

2）試驗數據擬合得到的公式表明：在一定的機油溫度范圍內，柴油機的阻力矩隨機油溫度變化近似呈現二次多項式分布規律。利用該公式可以進一步預測不同機油溫度和轉速范圍內的阻力矩。

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6P.J.Shayler，D.K.W.Leong，M.Murphy.Contribution to engine friction during cold，low speed running and the dependence on oil viscosity[C].SAE Paper 2005-01-1654

7曹志義，張探軍，張生平.起動轉速對起動阻力矩的影響規律試驗研究[J].內燃機，2012（5）：43～45

8王忠，葉飛飛，馬金榮，等.柴油機冷起動阻力矩試驗研究[J].車用發動機，2008（2）：10～13

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10莫瑋，鄂加強，趙廷明.嚴寒條件下車輛柴油機冷啟動性能研究[J].內燃機工程，2002，23（5）：65～67

11芶秉聰，胡海云.大學物理（上冊）[M].北京：國防工業出版社，2009

12嚴立，余憲海.內燃機磨損及可靠性技術[M].北京：人民交通出版社，1992

13劉傳安，周珺.機油粘度與溫度關系的研究[J].拖拉機與農用運輸車，2005（6）：61～63

Prediction Method on the Effect Rule of Oil Temperature on Diesel Engine Resistance Torque Based on Experiments

Du Wei1,Fan Lin1,Wang Yan2,Liu Fushui1
1-School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology(Beijing,100081,China) 2-Hebei Huabei Diesel Engine Co.,Ltd.

The resistance torque of the diesel engine was calculated through a new method that the transient speed signal is collected and processed to get the resistance torque during the shutdown process of the diesel engine.A multi-cylinder diesel engine was studied.The relationship between oil temperature on diesel engine at different speeds and resistance torque was analyzed.Polynomial fitting method was applied to get the relation between resistance torque and oil temperature.The experiment and calculation result shows:At the same speed,resistance torque rises with oil temperature lowering and distributes in quadratic polynomial law with oil temperature;when the speed increases,resistance torque increases more with the oil temperature lowering.Polynomial fitting formula can be used to predict resistance torque in a certain oil temperature and speed range.

Diesel engine,Resistance torque,Oil temperature,Polynomial fitting

TK427

A

2095-8234（2014）06-0058-05

2014-10-31）

國家部委預研項目（40402020101）。

杜巍（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向為內燃機性能仿真與測試。

劉福水（1964-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為新型發動機及內燃機燃燒。