簡易教學發動機性能試驗臺設計

楊旭東，陳義樂

（安徽文達信息工程學院，安徽合肥，231201）

1 緒論

1.1 發動機性能試驗的評價指標

發動機性能試驗的評價指標可以讓發動機的性能特點更直觀的表現出來，并能夠作為衡量發動機性能優劣的標準。發動機性能試驗的評價指標一般有動力性指標，經濟性指標等。動力性指標的意思是汽車行駛在條件良好的路況上，由汽車受到的縱向力決定的，汽車在行駛過程中的平均速度。汽車經濟性是一種使用性能，是汽車為完成一定的運輸量所耗費最少資源的能力。其中有:指示指標，有效指標，動力性能速度指標。

指示平均壓力：氣缸在一定量工作容積下所做的指示功定義為指示平均壓力

Pmi為指示平均壓力，MPa；Wi為指示功，Kj；Vs為氣缸排量，L。

有效平均壓力；它表明了氣缸在單位工作容積下所作的有效功

Pme有效平均壓力，MPa；We為有效功，Kj。

指示效率：燃料的化學能轉化為指示功Wi的能量轉換效率

上面的公式中，gb的意思是在單缸情況下，每一個循環的燃料所消耗的量，kg；Hv為燃料低熱值，kj/kg

有效效率：是指燃料所釋放的化學能能夠轉化為曲軸輸出功We的能量轉化效率

燃料消耗率：單位功率在單位時間內所消耗的燃料量，也分為指示燃料消耗率和有效燃料消耗率。

指示燃料消耗率：

式中bi為指示燃油消耗率，g/(kW*h)；B為整機燃料消耗率，kg/h；Pi為指示功率，kW。

有效燃料消耗率：

式中be為有效燃料消耗率，g/(kW*h)；P為有效功率，kW。

確定功率大小的因素除了力外，還包括活塞的平均運動速度，也是可以作為評判發動機動力性能的速度指標。曲軸發出動力給發動機，所以曲軸轉速n也是一種速度指標。n與vm有一定轉化關系：

式中，Vm為活塞的平均運動速度，m/s；s為活塞沖程，mm;n為轉速，r/min。

2 常規發動機性能試驗臺

2.1 類型介紹

交流電力測功機：它使用的是交流變頻回饋加載技術；由計算機，電量綜合測量儀及各種傳感器組成，扭矩和轉速可以通過扭矩傳感器直接測量出；電流、電壓、功率因數等數據可通過電量綜合測量儀表測量出來；計算機處理各種數據，制表，畫圖等。設備如圖1所示。

圖1 交流電流測功機

電渦流測功機：使用電磁感應的原理形成功率及轉矩的消耗。主要組成部件是渦流制動器、測力組件、測速組件和控制系統等。設備如圖2所示。

圖2 電渦流測功機

2.2 工作原理

交流電力測功機:使用交流變頻的回饋加載技術，用扭矩傳感器測量出扭矩、轉速的數據；電流、電壓、功率因數等參數的測量是通過電量綜合測量儀表直接檢測的；用計算機處理檢測的數據，并用處理的數據畫出各種曲線，制作表格等各種功能。

電渦流測功機：直流電通過和轉子的同時也會通過與之同軸裝配的勵磁線圈，從而會生成磁通，流經渦流環、氣隙和轉子這三個部件，形成一個閉合回路。齒和槽都是均勻的分布在外邊，氣隙和電樞體或渦流環內的表面上任意一個地方的磁感應發生變化時，就會產生磁場，從而產生渦流電。此時，在渦流和磁場的渦合下，轉子會產生產生出擺動體上拖動力矩大小相同的力矩，此數值可由傳感器檢測顯示出來。

3 簡易教學用發動機性能試驗臺的設計

3.1 整體結構設計及工作原理

本文的簡易教學用發動機性能試驗臺由測功器、發動機、轉速表、油耗儀、蓄電池組成。發動機實驗臺架裝置示意圖見圖3。

圖3 發動機實驗臺架裝置示意圖

工作原理：流量計在油箱與發動機之間，通過油管將油箱與發動機連接，使得油箱給發動機供油的同時也可以通過流量計顯示出累計流量起點值Q1和累計流量終點值Q2，用秒表測出間隔時間t(s)。接著發動機曲軸與發電機轉子軸用聯軸節連接。當發動機運轉時，可以帶動三相發電機一起跟著運轉，發出三相交流電，通過三相電纜輸出給三相電阻負荷箱。電阻負荷箱通過撥動開關來改變吸收功率，吸收的有效功率可以通過面板上的液晶顯示屏顯示出數值（kW），同時將三相交流電的電壓（V）和電流（A）也一并顯示出。通過轉速表能測出發動機的轉速，就可測出發動機轉矩和燃油消耗率，發動機轉矩與發動機功率、轉速關系式：

和小時耗油量和燃油消耗率的關系式：

3.2 功能介紹

3.2.1 發動機有效功率測量

本設計發動機有效功率是應用發電機和電阻負荷箱的組合形式來測量的。

基本測量原理是：發動機運轉時，帶動三相發電機運轉，發出三相交流電，通過三相電纜輸出給三相電阻負荷箱。發動機和三相發電機是一個機組整體，如圖4所示。

圖4 發動機機組外形圖

三相可調電阻負荷箱的外形如圖5所示。通過負荷撥動開關來改變電阻箱吸收功率，機箱內部設有排熱風扇，可將受熱電阻吸收的熱量排出機箱之外。電阻箱吸收的有效功率、三相交流電的電壓（V）和電流（A）也一并顯示出。

圖5 三相可調電阻負荷箱

3.2.2 轉速測定

現代的大部分測功機都使用磁電式轉速計。如圖6所示，齒盤和磁電傳感器都在轉軸上。磁電傳感器的零件的組成包括繞有線圈和永久磁鐵。齒盤一般制有60個齒。這使得當軸旋轉一周，磁電傳感器可以產生60個脈沖信號。在這里設脈沖信號的頻率為 f（Hz），發動機的轉速為 n（r/min），齒數為Z，則 ：

所以，磁電傳感器脈沖信號的頻率與轉速的數值在齒數為60時是相同的。

磁電式轉速計的結構簡單，轉速精度高，測速范圍廣，絕大多數測功機都用這種結構。

圖6 磁電式轉速計原理

目前，光電測速技術發展很快，測試成本降低。試驗中也可以用光電式轉速計來進行發動機轉速測量。

3.2.3 小時耗油量和燃油消耗率:

根據原始測量數據結果，按下列公式計算處理：

由發動機轉矩與發動機功率、轉速關系式，可得：

小時耗油量和燃油消耗率：

式中，Pe-電阻負荷消耗的有效功率（kW）；

Q-容積流量（L/min）；Q = ( Q2-Q1)÷t×60

其中，Q1（L）為累計流量起點值，Q2（L）為累計流量終點值，t（s）為計時時間。

B- 小時耗油量（kg/h）。

其中，燃油密度ρoil=0.84kg/L，be-燃油消耗率[g/（kW·h）]。

3.3 試驗臺零部件的選型與安裝

3.3.1 零部件選型

由于本試驗臺架主要用于教學用途，所以各項零部件部件不僅要能夠順利完成試驗，而且還要在試驗過程中不能有任何質量問題，所以要嚴格按照標準挑選。

選擇了發動機型號為YC1115柴油機、功率：16.2kw、標準轉速：2200r/min、凈質量：185kg的柴油發動機。

因為發電機和發動機的轉速相同，且發動機的功率要通過發電機在電阻負載箱的顯示儀上顯示，所以功率得相似，轉速差距不能過大，根據試驗的轉速要求和經驗法選擇的發電機型號為YC15GF直流發電機組、額定功率：15kw、額定轉速：1500r/min。

根據發動機的選擇知道其轉速，功率，根據小時耗油量和燃油消耗率可以計算出流量范圍，所以選擇的油耗儀型號為WT021GSSB、流量范圍：0.6-50L/h、信號輸出4-20mA、電源：DC24V、工作溫度 ：80oC。

蓄電池采用經驗法選的是電壓為12v、容量為120Ah的標準車用電池。完全符合試驗標準。

測速儀采用的光電式測速儀，有電子數字顯示電機轉速，具體可以精確到秒。由以上的發動機和發電機的轉速得知最大轉速為1500r/min，經計算知25r/s，所以選擇的光電式測速儀符合需求。

電阻負載箱是為了測出發電機的功率，因為發電機的額定功率是15kw，所以選擇電阻負載箱的型號為：RXF-380V/220V-15KW，可調功率為500W-15KW，采用強制風冷散熱，提高設備的安全性。

3.3.2 試驗臺的系統安裝與調試

首先固定發動機，由于發動機在試驗過程中會有較大的振動和旋轉力矩，所以將發動機安裝固定于堅固、防震的混凝土底座上。且發動機在工作過程中會有廢氣排出，有一定的噪聲，所以實驗室配備了特殊的通風裝置和消聲裝置。

其次將流量計固定在桌子上，流量計在油箱與發動機之間，安裝完成后，驗證油管的密封性。

最后發電機通過三相電線連接于電阻負荷箱，電阻負荷箱的正面裝有電流，電壓，功率顯示器，方便讀取數據。

4 結論

本文對簡易教學用發動機性能試驗臺整體設計、工作原理、相關功能及零部件的選型、裝配與調試進行了系統的闡述。此簡易教學用發動機性能試驗臺整體設計簡約合理。經過嚴格的零部件選型，科學的裝配和不斷的調試，安全可靠，相關功能完全符合教學需求。這個設計既滿足了教學需求，又使學生發揮了動手能力，理論與實踐相結合，有利于提高學生的綜合能力。