柴油发电机组机械效率测定方法与实验步骤

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柴油发电机组机械效率测定方法与实验步骤

发布时间：2022-09-26 14:53:28 ▏阅读：次

摘要：机械效率实验所用的设备和仪表包括柴油机、水力测功器、自动油耗测量仪、气压表、干湿温度计等装置。康明斯公司在本文中通过柴油发电机机械效率实验的解述，使用户了解仪器设备的使用方法、工作原理以及实验方法和步骤，同时能够帮助用户更好地掌握灭缸法或油耗线法测定柴油机机械效率的方法。本文系统阐述机械效率测定的四种主要方法及其原理、实验步骤和适用条件。

一、实验原理

机械效率（ $η_{m}$ ）是指柴油机有效功率（ $N_{e}$ ）与指示功率（ $N_{i}$ ）之比，即：

$η_{m} = \frac{N_{e}}{N_{i}} (公式1)$

机械效率反映了柴油机将燃料燃烧产生的指示功率转化为有效输出功率的能力，其值越大，说明发动机内部机械损失越小，经济性越好。

用功率器测定有效功率 $N_{e}$ 后，只要测出指示功率 $N_{i}$ 或机械损失功率 $N_{m}$ ，则机械效率可用下式计算：

$η_{m} = \frac{N_{e}}{N_{i}} = 1 - \frac{N_{m}}{N_{i}} (公式2)$

测出 $N_{i}$ 或 $N_{m}$ 一般采用下列五种方法：

1. 示功图法

测录气缸示功图，算出平均指示压力 ${\overset{ˉ}{p}}_{i}$ ，即能求出指示功率 $N_{i}$ 。平均指示压力可由示功图的面积计算得出：

${\overset{ˉ}{p}}_{i} = \frac{A}{L \times K} (公式3)$

其中， $A$ 为示功图面积， $L$ 为示功图长度（对应于一个工作循环的行程）， $K 为示功图弹簧比例系数。指示功率$ $N_{i}$ 的计算公式为：

$N_{i} = \frac{{\overset{ˉ}{p}}_{i} \times V_{s} \times i \times n}{60 \times τ} (公式4)$

其中， $V_{s}$ 为气缸工作容积， $i 为气缸数，$ $n$ 为转速， $τ$ 为冲程系数（四冲程为2，二冲程为1）。

此法的优点是在发动机真实工作条件下进行测量，理论上完全符合机械损失的定义。其缺点在于结果的正确程度取决于示功图测录的正确程度，其中最大的误差来源于 $p - φ 图或$ $p - V$ 图上活塞的止点位置不易正确地确定。止点位置的确定误差会直接影响压缩和膨胀过程的分析，进而影响平均指示压力的计算精度。此外，在多缸发动机中，各个气缸或多或少存在着一定的不均匀性，而在试验中往往只测录一个气缸的示功图来代表其他各缸，这也会引起一定的误差。因此，示功图法一般在止点位置能得到精确标定时才能取得较满意的结果。

2. 倒拖法

倒拖法利用电力测功器按电动机方式拖动柴油机运行，其倒拖功率即为机械损失功率 $N_{m}$ 。具体操作时，让发动机在给定工况下稳定运转，当冷却水和机油温度达到正常数值时，切断对发动机的供油，同时将电力测功器转换为电动机，以原给定转速倒拖发动机，并尽可能维持冷却水和机油温度不变，这样测得的倒拖功率即为发动机在该工况下的机械损失功率。

这种方法在具有电力测功器的试验条件下方可进行。其缺点是必须使用平衡式电力测功器，而且倒拖时由于缸内熄火，气缸内的压力、温度均与实际工况不符，测量功率的数值往往偏大。在低压缩比发动机中误差大约为5%，在高压缩比发动机中误差有时高达15%～20%。这是因为倒拖过程中，气缸内没有燃烧，壁面温度下降，导致活塞环与缸壁之间的润滑状态和摩擦特性发生变化。因此，此方法只在测定汽油机机械损失时得到较广泛的应用，在柴油机机械效率测定中应用较少。

3. 灭缸法

灭缸法是依次令柴油机各缸停油（转速与油泵齿条位置不变），停油前后有效功率的减少，近似等于停油缸的指示功率。将各缸指示功率相加，得到总的指示功率 $N_{i}$ 。灭缸法的物理基础是：当某缸停止供油后，该缸不再产生指示功率，而机械损失功率基本保持不变，因此有效功率的减少量即为该缸的指示功率。其数学表达为：

$N_{i, k} \approx N_{e, 全缸} - N_{e, 停k缸} (公式5)$

$N_{i} = \sum_{k = 1}^{i} N_{i, k} (公式6)$

灭缸法的优点是操作相对简便，不需要示功图测录的复杂设备和止点位置标定的精度要求，适用于多缸柴油机的机械效率测定。其缺点是停油操作会影响发动机的运转平稳性，且停油前后缸内温度的变化会影响机械损失功率，引入一定的测量误差。

4. 油耗线法

油耗线法通过保持柴油机的转速不变，改变负荷，测得不同负荷（或功率）时每小时耗油量 $m_{f} = f (N_{e})$ 或 $m_{f} = f (p_{e})$ 关系线图，顺其直线部分延长与横坐标轴相交，在横轴上的截距代表机械损失功率 $N_{m}$ 或平均机械损失压力 ${\overset{ˉ}{p}}_{m}$ 。

其原理基于柴油机的燃油消耗率曲线在一定的负荷范围内近似为线性关系。当负荷逐渐降低至零时，理论上发动机的燃油消耗量应趋近于零，但实际上由于机械损失的存在，即使发动机不对外输出功率，仍需消耗燃油来克服机械摩擦损失。将油耗-负荷关系线图顺直线部分延长与横轴相交，交点所对应的功率即为机械损失功率 $N_{m}$ ：

$N_{m} = N_{e} ∣_{m_{f} \to 0} (公式7)$

此方法操作简便，不需要熄火或倒拖，是在实际燃烧条件下进行的测量，能较好地反映发动机的真实机械损失情况。其精度取决于油耗测量仪的精度和线性段选择的合理性，在发电用柴油机的机械效率测定中应用广泛。

5. 示功图法与油耗线法的对比

示功图法直接测录气缸内压力变化过程，从理论上最为严格，但对止点位置标定精度要求高，且多缸机需要逐缸测录，工作量大。通常作为科研和标准测试方法使用。油耗线法则通过燃油消耗率与负荷的线性关系间接推算机械损失，操作简便，重复性好，适用于常规性能试验和维护检测，但精度略低于示功图法，且需要在负荷变化范围内保持转速恒定。

二、具体试验步骤

1. 示功图法试验步骤

在发动机试验台架上，运用燃烧分析仪测录气缸的示功图，从中计算出指示功率 $P_{i}$ 值，与此同时，从测功器和转速计读数中得到该工况发动机的转矩和转速，并由此计算出有效功率 $P$ ，进而可以得到 $P_{m}$ 及 $η_{m}$ 值。

（1）准备工作：安装好燃烧分析仪的压力传感器（通常安装在气缸盖上的示功阀位置或专用传感器安装孔中），连接数据采集系统，校准传感器的灵敏度，标定曲轴转角信号（通过光电编码器或磁电式传感器获得上止点信号）。

（2）启动发动机，在目标工况（标定转速和负荷）下稳定运转，待冷却水和机油温度达到正常数值（冷却液温度80～90℃，机油温度70～90℃）后开始测量。

（3）利用燃烧分析仪连续采集多个工作循环（通常100～200个循环）的气缸压力数据，取平均以减少循环波动的影响，生成平均示功图（ $p - φ$ 图或 $p - V$ 图）。

（4）对示功图进行热力学分析，精确标定上止点位置（通过压缩和膨胀过程的多变指数交点法或热力学损失分析法确定），计算平均指示压力 ${\overset{ˉ}{p}}_{i}$ 。上止点位置的标定精度应优于±0.5°曲轴转角，否则会显著影响 ${\overset{ˉ}{p}}_{i}$ 的计算精度。

（5）从测功器和转速计读取有效功率 $P$ ，计算机械损失功率 $P_{m} = P_{i} - P$ ，以及机械效率 $η_{m} = P / P_{i}$ 。

（6）记录并整理实验数据，包括工况参数（转速、负荷、冷却水温度、机油温度等）、示功图特征参数（最高燃烧压力、压缩压力、压力升高率等）和计算结果（ ${\overset{ˉ}{p}}_{i}$ 、 $P_{i}$ 、 $P$ 、 $P_{m}$ 、 $η_{m}$ ）。

2. 倒拖法试验步骤

这种方法在具有电力测功器的试验条件下方可进行。

（1）准备与启动：检查发动机各部件与系统是否正常，启动发动机，空车运转5分钟使各部件充分预热。

（2）给定工况稳定运行：将发动机调整到标定转速和给定负荷，稳定运转，待冷却水和机油温度到达正常数值（冷却液温度80～90℃，机油温度70～90℃），记录该工况下的转速和有效功率。

（3）倒拖操作：切断对发动机的供油（通过油泵齿条拉杆或断油电磁阀），同时将电力测功器由负载模式切换为电动机驱动模式，以原给定转速倒拖发动机。在倒拖过程中，应尽可能维持冷却水和机油温度不变（可通过调节冷却水流量和电加热器辅助加热），以模拟实际工况的热状态。

（4）测量倒拖功率：在倒拖稳定后（通常需运行30～60秒），读取电力测功器的输入功率，即为该工况下的机械损失功率 $N_{m}$ 。记录转速、倒拖功率、冷却水和机油温度等数据。

（5）恢复供油：倒拖测量完成后，恢复供油，让发动机在给定工况下稳定运转片刻，然后卸去负荷，空负荷运转数分钟，再停车。

（6）数据处理：计算机械效率 $η_{m} = N_{e} / (N_{e} + N_{m})$ 。同时应记录倒拖法与灭缸法（或油耗线法）的对比结果，分析误差来源。

3. 灭缸法试验步骤

（1）盘车检查发动机各部件与系统是否正常，然后启动，空车运转5分钟。盘车时应确认各运动部件转动灵活，无异常卡滞或异响。

（2）将发动机调整到标定转速与负荷，稳定后测量记录各参数，包括转速、有效功率、燃油消耗量、冷却水温度、机油温度和排气温度等，作为基准工况的参考数据。

（3）将油泵齿条位置固定（以保持供油量不变），令1#缸停油（通过松开该缸高压油管接头或断油电磁阀操作），同时减少水力测功器负荷，维持转速不变。稳定后读取转速与水力测功器读数，记录该工况的有效功率。停油后该缸不再做功，因此有效功率的减少量即为该缸的指示功率。

（4）逐步加大水力测功器负荷，同时对1#缸恢复供油，直至稳定。注意恢复供油时应缓慢操作，防止负荷突变引起转速波动。

（5）依次停止向其他缸供油，重复步骤（3）和（4），分别测量各缸停油后的有效功率，计算各缸的指示功率。对于多缸柴油机，各缸停油的顺序应遵循发火顺序，每次只停一缸，其他缸保持正常工作。

（6）卸去负荷，令发动机空负荷运转数分钟后，停车。停车前应让发动机在怠速下运行3～5分钟，使涡轮增压器轴承充分冷却。

（7）记录数据表格（依照表1和表2，学生自己设计），包括各缸停油前后的有效功率、转速、燃油消耗量等数据，计算各缸指示功率、总指示功率和机械效率。

4. 油耗线法试验步骤

（1）盘车检查发动机各部件与系统是否正常，然后启动，空车运转5分钟。确认各系统工作正常后，方可进行加载试验。

（2）将发动机调整到标定转速与负荷，稳定后测量记录各参数（转速、有效功率、每小时耗油量、冷却水温度、机油温度、排气温度等），作为基准数据。

（3）保持转速不变，将负荷分别调整为给定负荷的90%、75%、50%、25%、0%，在每个负荷点稳定运行足够时间（通常3～5分钟），待油耗量稳定后记录每小时耗油量 $m_{f}$ 和有效功率 $N_{e}$ 。负荷的调整应由高到低逐步进行，避免负荷突降导致转速不稳。

（4）完成所有负荷点的测量后，将发动机空负荷运转数分钟，然后停车。

（5）实验数据整理：以每小时耗油量 $m_{f}$ 为纵坐标，有效功率 $N_{e}$ 为横坐标，绘制 $m_{f} = f (N_{e}) 关系曲线。将曲线直线部分延长，与横轴相交，交点对应的功率值即为机械损失功率$ $N_{m}$ 。计算指示功率 $N_{i} = N_{e} + N_{m}$ ，以及机械效率 $η_{m} = N_{e} / N_{i}$ 。

（6）计算出 $η_{m}$ （应注明功率、转速）。对于不同负荷点，可分别计算机械效率，观察机械效率随负荷的变化规律。

（7）比较用两种方法测定的机械效率，并作分析。如同时采用灭缸法和油耗线法，应比较两种方法的测定结果，分析产生差异的原因（如停油操作的影响、油耗测量的精度等）。

（8）用油耗线法数据画出 $η_{m} = f (N_{e})$ 曲线，并作分析。分析机械效率随负荷变化的规律——通常随负荷增加，机械效率先快速上升后趋于平缓，这是因为机械损失功率随转速变化不大，而有效功率随负荷增大而增加。

柴油发电机组机械效率测定试验台正视图.png

机械效率测定试验台正视图

柴油发电机组机械效率测定试验台侧视图.png

机械效率测定试验台侧视图

结语

柴油机机械效率测定有示功图法、倒拖法、灭缸法和油耗线法四种。示功图法理论上最严格但止点标定精度要求高；倒拖法误差较大）；灭缸法和油耗线法操作简便，应用广泛。掌握这些测定方法，对评估柴油机技术状态、优化运行参数和诊断机械故障具有重要意义。在实际维护中，定期进行机械效率测定，可及时发现活塞环磨损、轴瓦间隙增大等机械损失增加的故障苗头。

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