改进性能试验：空气和燃料流量检测装置的必要性

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：性能试验需要空气流量和燃料量检测装置。以此摩擦损失比例为，即，把此值代入式，可知修正的标准状态输出功率为在SAE发动机试验法中，有测量总输出功率与和净输出功率两种方法。JIS修正的修正系数C′F与式稍微不同，为式中，p、pv、T分别为发动机性能试验时的大气压力、水蒸气分压力和进气温度。

内燃机的性能试验项目见表3-6，如图3-37所示为试验装置的概略图。性能试验需要空气流量和燃料量检测装置。此外，还需要发动机转速、点火时刻和节气门开度调节器，以及检测冷却液流量、各种温度、压力和湿度的装置。

往复式发动机的进气、排气和爆发为间歇进行的。因此，当空气进入时，会发生脉动现象，为了消除空气脉动的影响，需要配置有进气缓冲器。进气缓冲器一侧为用橡胶材料制作的一定容积的容器，其容积一般为工作容积的150～200倍。进气流量通常在进气缓冲器的空气入口设置喷嘴进行测量。如果在进气缓冲器入口需要设置空气管，注意不要因空气管影响其惯性效果。在进气缓冲器与发动机之间最好用宽而短的大直径空气管连接。

表3-6 内燃机性能试验测量项目

图3-37 发动机性能试验装置的配置举例

排气系统也同样需要注意：如果进气系统压力的下降程度大，需要在进气口前设置送风机，使进气系统的压力达到大气压力。水冷式发动机要同时控制冷却液入口和出口温度，在试验中尽可能保持一定的温度。为此，需要散热器的加热和冷却装置。加热器用电热线较便利，冷却要用冷却液循环较好。

1.试验环境的测量

测量试验室的大气环境条件，即测量大气压力、干球温度、湿球温度。湿度以干球温度和湿球温度进行计算。

2.性能试验

全负荷性能试验的基本概念就是试验条件要面向输出功率的极大化。这表示，当空燃比和点火时刻相关LBT（输出功率最大的最佳空燃比）、MBT（输出转矩最大的最佳点火时刻）、DBL（爆燃发生前的点火时期）等已经获得，在空气过量系数λ≤1的运行条件下仅由进气量决定输出功率。在空气过量系数λ>1条件下运行的稀薄燃烧发动机、直喷汽油机或柴油机来说，其输出功率仅由供给的燃料喷射量决定。这是因为通过燃料量的调节控制负荷所致。

在这里，LBT具有如下意义：如果能完全燃烧，达到理论空燃比时发热量最大，以此产生最大转矩。但实际上在过量空气系数λ=0.9左右的浓混合气时产生最大转矩。其原因为，在高温条件下，会发生燃烧生成物CO₂、H₂O的热分解。因此，LBT实际为在浓混合气中能输出最大输出功率的最稀薄的空燃比。

全负荷性能中最重要的数据是输出功率或转矩。所以应关注输出功率的正确测量，以及对其修正影响要素的测量。对其修正方面的标准有SAE、JIS、DIN等。

3.输出功率的修正

在过量空气系数λ≤1的条件下运行的内燃机的输出功率，通常与进气中包含的氧含量成正比，氧含量随大气压力、温度、湿度的变化而改变。所以，在发动机认证等试验中，为了正确比较评价发动机的性能，需要把在任意大气条件下试验得出的输出功率换算为标准大气条件下的输出功率。把此称为输出功率修正，为此需要输出功率修正公式。修正对象为输出功率和转矩。

通常所使用的输出功率修正公式为

式中，为任意大气状态下测量的动力；为以标准大气状态换算修正的动力；C_F为修正系数。

修正系数为

式中，p_n为标准大气压力；p_nv为标准状态水蒸气分压力；T_n（K）为标准状态温度；p、T、p_v分别为任意大气状态的压力、温度和水蒸气分压力。

式（3.50）的理论根据为，指示功率与任意状态下的进气质量流量率成正比，空气的质量流量率计算基础为。把任意状态（p，T，p_v）进气的干空气质量和标准状态进气的空气质量相互比较，即，标准状态的干空气分压为p_n-p_nv，任意状态的干空气分压为p-p_v，因此可以推导出式（3.50）。

输出功率修正公式的缺陷是，修正系数为标准状态的函数，汽油机和柴油机的标准状态各有不同，并且各国家的规定都有所不同。尤其是，从净功率与指示功率之间的关系可以看出，机械效率η_m对其有影响，但修正系数没有包含机械效率η_m的影响。即，没有包含机械效率的影响，表示假设机械效率为一定。也有一些国家在修正系数中考虑了机械效率。

（1）SAE修正 SAE输出功率修正的特征是考虑了摩擦损失。考虑摩擦损失的原因是，在气缸中测量的指示功率（或压力）为净功率与摩擦输出功率之和。即，以来进行定义，因此对于指示功率要考虑摩擦损失。可以说此方法是最符合原则的方法。

SAE的标准状态为大气压力99.47kPa（29.38inHg、746.3mmHg），大气温度29.4℃（85℉），这与约152m（500ft）海拔的条件相当。此时，水蒸气分压力为1.3kPa（0.38inHg、9.7mmHg）。把上述数值代入到式（3.50），可以推导出下述SAE修正系数：

式中，p、T分别为测量发动机性能时的大气压力（kPa）和进气温度（K）；p_v为水蒸气分压力（kPa）。

SAE输出功率的修正包含了摩擦损失动力，输出功率修正式为

式中，为以标准状态修正的输出功率；为测量的输出功率；为测量的摩擦功率。

摩擦功率原则上应利用强制驱动发动机测量出的摩擦力矩值来计算，但在不便于测量摩擦力矩的状态，假设发动机总输出功率的15%为摩擦功率、85%为净输出功率进行计算。以此摩擦损失比例为，即，把此值代入式（3.52），可知修正的标准状态输出功率为

在SAE发动机试验法中，有测量总输出功率与和净输出功率两种方法。总输出功率为在发动机能运行的最少数量附件状态进行试验获得的输出功率，是安装有飞轮、燃料泵、机油泵，没有安装空气滤清器、冷却风扇、散热器和排气消声器等部件的状态。净输出功率为在发动机运行所必要的所有部附件安装状态进行试验获得的输出功率。此状态与在生产线生产的发动机状态相同，是安装了空气滤清器、冷却风扇、散热器和排气消声器等所有部件的状态。

（2）JIS修正 JIS修正以标准状态的干空气大气压力99kPa（743mmHg）和大气温度25℃为基准。JIS修正的修正系数C′_F与式（3.52）稍微不同，为