柴油机实验报告

汽82 杜磊2008010783

柴油机实验报告

示功图的制取

汽82 杜磊2008010783

2011/4/1

同组人员：张放、李尚司、朱俊儿、陈景宜、苏明潞

汽82 杜磊 2008010783

一、实验目的

1.了解和掌握柴油发动机缸内压力测试系统结构、原理和测试方法；

2.了解测试缸压的采样频率的计算；

3.了解缸压测试方法在实际中的应用，包括研发时确定各个零部件的强度，维修验证发动

机气密性等；

4.掌握纯压缩线测量、上止点确定的方法及发动机燃烧过程p-V 、p-φ图的制取；并且

计算出放热率；

5.了解柴油发动机燃烧过程及燃烧特性的分析方法。

二、实验设备及参数

1．试验用的仪器设备

表2.1 实验仪器设备

2．试验用的柴油机的参数

表2.2 柴油机参数

3．发动机台架装置

本实验测量的是柴油机的示功图，所以缸压传感器是十分重要的一个测量器件，其放置位置和测量原理如图2.3.1。

图2.3.1 缸压传感器的放置位置和测量原理

发动机测量系统的台架如图2.3.2所示：

图2.3.2 发动机台架以及测量系统

三、实验标准及实验方法

1．实验标准

发动机试验条件，按国家标准GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》的规定进行控制。测量仪表精度及测量部位应符合GB/T 18297-2001的规定。

2.试验方法

（1）参考国家标准GB/T 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》进行；

（2）测量数据时的发动机运行转速与选定转速相差不应超过1%或±10r/min，发动机运行状态稳定1min后，方可进行测量。

（3）试验分工：根据参加的人数（6人左右）分3小组。第1小组负责发动机低负荷的测试；第2小组负责发动机中负荷的测试；第3小组负责发动机高负荷的测试。

（4）首先对测试缸采用灭缸法来测量纯压缩线确定上止点，然后在发动机转速不变的条件下，恢复测试缸的供油，测取p-φ压力图并记录试验数据，记录并计算柴油机燃烧过程中的压力与曲轴转角和气缸容积，画出p-V 、p-φ图。

四、实验数据

1．读取实验装置得到的参数

2． 压力传感器测得的数据过多，就不一一列出

五、 数据分析

1． 求上止点：

1） 通过老师提供的数据获得气缸纯压缩线；

2） 在曲线上端做出若干平行于大气压力的直线，分别交左右两边的线于两点； 3） 连接这些交点的中点，拟合出一条直线，与大气压力线的交点的横坐标就是上止点。如图5.1所示：

图5.1用纯压缩曲线确定上止点

做了二十条直线，中点的拟合直线为：111.510.53y x =+，与大气压力线1y =相交

于点()0.08574,1-，所以上止点的曲轴转角为0.08574-?。所以：

.0实际曲轴转角=指示曲轴转角-08574

2． 求柴油机放热率曲线

放热率曲线根据下面公式求得：

()()2111B t w w dQ dp dV pV d V p F T T d d d d κκα?κ???κ??

??=+-+-?? ?--??????

本实验中， 1.32κ=，所以

()

2

1pV

d d κ

?

κ-项为零；工程应用上，()t w w F T T α-项很小，可以忽略其影响，所以该项也为零，于是放热率公式变为：

11B dQ dp dV V p d d d κ?κ????

=+ ?-??

公式中，

V 和

dV

d ?

的表达式为： (111cos 2c V V R ε?-??=++-

????

1sin 2c

dV V d ε????

- =+ ? 其中，c V 是压缩上止点时余隙容积，17.5ε=为压缩比， 3.2R =为连杆长度（200C L mm

=）和曲轴臂半径（62.5A L mm =）之比。求得如下燃烧放热率曲线：

图5.2 110牛米燃烧放热率曲线

图5.3 217牛米燃烧放热率曲线

图5.4 337牛米燃烧放热率曲线

根据以上燃烧放热率曲线可以求得“缸压脱离压缩线点曲轴转角B点”，“燃烧持续期始点相位o”（按照放热率曲线与X轴的交点计），“燃烧持续期终点相位o”（按照放热率曲线与X轴的交点计），得到的结果记录如下：

表5.1 不同负荷工况实验记录表

（注：由于采集的数据的离散度比较大，所以采用拟合的方法求得的上述各点的误差较大。）

3． p p V ?--图和图

通过对压力传感器和曲轴转角传感器采集的数据分析，得到以下p p V ?--图和图：

图5.1 柴油机示功图（P φ-图）

20406080100120140-400

-300

-200

-100

100

200

300

400

缸压/b a r

曲轴转角/°

大负荷

中负荷 小负荷

图5.2柴油机示功图（P V 图）

图5.3 进排气冲程放大图

20

40

60

80

100

120

140

-20

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

00.5

1

1.5

2

2.5

3

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

大负荷 中负荷 小负荷

BDC

TDC

缸压/bar

大负荷 中负荷 小负荷

BDC

TDC

进气冲程

排气冲程

六、 实验结果讨论

1． 三种不同负荷工况下的p-φ图与压缩线的p-φ图是否重合。若有偏差，是

否有规律，并分析其原因；并认知设置上止点热力损失补偿角。

图6.1 3种不同负荷工况下和压缩线的p-φ图

答：3种不同负荷工况下的p-φ图与压缩线的p-φ图不重合，如上图所示。他们之间偏差的规律是：

1） 负荷越大的工况缸内压力的最大值与压缩线的最大值的差越大； 2） 负荷越大的工况的最大压力到来的点越滞后于压缩线； 热力损失补偿角：

由于存在传热损失和漏气损失, 拖动示功图的峰值压力点超前于上止点, 峰值压力点与上止点的角度差i ??称为热力损失角。热力损失角解析式的推导过程如下：

对于拖动的压缩过程和膨胀过程, 能量守恒方程为

101w dQ dV dp dM

p V H d d d d κκ????

??+++= ?-?? 其中，p 为气缸压力()pa ，V 为气缸容积()3

m

，κ为气缸内气体的绝热指数，w Q

为

散热损失()J ，M 为充量质量()mol ，?为曲轴转角()CA ?，H 为充量的焓()/J mol 。

在峰值压力点，

0dp

d ?

=，max p p =，i ??=?，因此，上式可以简化为： 0

20406080100120140

-500-400-300-200-1000100200300400500

压力/b a r

CA/°

大负荷 中负荷 小负荷 压缩线

max 101w dQ dV dM p H dt dt dt

κ++=- 其中t 是时间，由连杆机构运动学

()()sin sin 222p i i dV s A dt λω????=??-?+-?????

当i ??很小时，

()12

p i dV s

A dt ωλ?=-??+? 其中，p A 是活塞面积()2

m

，s 是活塞行程()m ，ω是曲轴角速度()1

s -，λ是曲柄半

径与连杆长度之比。

由以上两式得到压力损失角的解析式：

()()max 211w i p dQ

dM H

dt dt A s p κ?κλω

??-+ ????=

+

就此解析式讨论压力损失角i ??的特征： a) i ??与发动机排量()p A s 成反比； b) i ??与传热损失率

w dQ dt 和漏气损失率dM

H dt

成正比； c)

i ??与拖动转速ω和拖动过程峰值压力max p 成反比；

d) 无论是在拖动过程模拟计算中，还是在发动机的拖动实验中，max p 和ω的相对误

差都很容易控制，因此i ??值主要取决于传热损失率和漏气损失率的大小。

2． 分析说明利用灭缸试验法作纯压缩线时，可能存在的误差及应用，并分析发

动机不工作，测量活塞上、下止点位置来确定压缩线的方法，并进行对比分析；分析该缸压传感器的响应频率和燃烧分析仪的采样频率对测试结果的影响。

答：

1） 灭缸法可能存在的误差，灭缸法的应用：

由于灭缸法本质上也是倒拖法，所以误差来源主要有倒拖法和灭缸法的综合：

a) 无燃烧，缸内压力低，活塞与缸套之间的间隙加大，润滑油粘度加大，摩擦损失增

大；

b) 排气阻力加大，泵气损失变化；

c) 压缩、膨胀线不重合，增大mm p ；

d)灭缸后进排气波动效应的影响；

e)两大数想减得到小数，误差加大；

灭缸法主要应用于多缸机的纯压缩线的获取。

2）发动机不工作，测量活塞上、下止点位置来确定压缩线的方法：

首先，我不是很清楚这个问题需要求的是“测量活塞上、下止点位置的方法”还是“确定压缩线的方法”，回答该问题时当做后者。发动机不工作时测量压缩线的方法就是倒拖法。

3）缸压传感器的响应频率和燃烧分析仪的采样频率对测试结果的影响：

缸压传感器的响应频率越高，采集的点越密集，与转角的对应关系就越好，精度越高。

如果采样的频率过低，那么可能压力与转角的对应关系误差就增大。

燃烧分析仪的采样频率应该高于缸压传感器的采样频率，以保证燃烧分析仪能够对缸压传感器采样的所有数据进行分析。

3．对柴油机燃烧过程（低负荷、中负荷、高负荷）3种不同负荷工况条件下p-φ图进行分期的论述，在图中标明上/下止点、喷油时刻、燃烧始点、燃烧期终点位置，并对其滞燃期、最大压力相位、最大爆发压力值以及燃烧持续期始点、燃烧持续期终点、燃烧持续期进行对比分析。

答：

图 6.2 柴油机燃烧过程分期论述

分期论述：

1）随着负荷的增大，喷油时刻逐渐提前；

2）随着负荷的增大，滞燃期增长；

3）随着负荷的增大，最大压力相位推迟；

4）随着负荷的增大，最大爆发压力增大；

5）随着负荷的增大，燃烧持续期始点提前，终点推后；

6）随着负荷的增大，燃烧持续期增长；

七、参考文献

[1] 邹喜红, 陈翀, 杨英, 压缩线法求动态上止点, 小型内燃机与摩托车，（第32卷）第六期， 2003年

[2] 武一民，崔根群，陈健，王现容，直喷式柴油机热力损失角的模拟分析，内燃机工程，第27卷第4期， 2006年8月