《内燃机实验》实验指导书.docx
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《内燃机实验》实验指导书
内燃机实验
实
验
指
导
书
南昌大学机电工程学院
动力工程系发动机实验室
2014.05
目录
附:
发动机台架试验安全操作规范
实验一 发动机机械效率的测定
实验二柴油机负荷特性实验
实验三发动机气道稳态流动性能实验
实验四柴油机燃油喷射过程实验
实验五汽油机排放性能实验
实验六柴油机排放性能实验
实验七发动机噪声（振动）测定
实验八发动机电控系统实验
实验一 发动机机械效率的测定
一试验目的：
1、了解发动机试验台架的组成，掌握发动机扭矩、功率、转速及油耗等基本发动机性能参数的测量方法。
熟悉电涡流测功器、油耗转速测量仪、发动机数控试验台等仪器的原理和使用方法。
熟悉FST2E发动机数控系统的使用方法和用户程序的编制方法。
2、采用油耗线法测定发动机机械效率ηm，并由此计算出发动机的机械损失功率。
目的在于了解发动机的机械磨擦损失随曲轴转速与负荷的变化规律，以便评定发动机的结构完善程度与调整装配质量；还可以借以推算发动机的指示功率，也可用于评定发动机工作均匀性。
二、试验仪器及设备：
2105B型柴油机南昌凯马柴油机有限公司
CW100-3000/10000电涡流测功机迈凯（洛阳）机电有限公司
FCM-D油耗转速测量仪上海内燃机研究所
FST2E发动机数控试验台迈凯（洛阳）机电有限公司
三、实验基本原理：
本实验采用油耗线法测定2105B型直喷非增压柴油机的机械效率ηm。
实验基本原理为：
发动机在某一具体工况下指示热效率为：
发动机同一转速下空转时指示热效率为：
假设发动机该工况下和空转时的指示热效率相同（即ηA=η0），则有：
故，该转速的发动机机械损失功率可通过下式计算得到：
则，该转速下的有效功率为Pe时机械效率ηm为：
另：
由于通过油耗法测得发动机机械效率是基于同一转速下不同负荷时发动机指示热效率相等的假设基础上的，但实际情况是在同一转速下不同负荷时发动机的指示热效率是不同的（特别是在点燃式预混燃烧模式发动机上相差更大）。
因此采用油耗法，某个具体工况点的选取对实验精度影响很大，该工况点的选取应尽量保证其与同转速下空转时的热效率近似。
因此该工况点应选为某个小有效功率点，已提高实验精度。
另外，通过实验测得某一转速下的油耗量曲线（如下图），根据油耗曲线曲线，用作图的方法也可求出发动机在该转速下的机械损失功率Pm。
具体方法可参阅中国农业机械出版社1984年出版的“柴油机试验”。
四、试验步骤：
1、完成试验前的安全检查及实验条件完备情况检查（具体内容见附件一），开启FST2E发动机数控测试系统，进入测控界面（如图1所示）。
图1发动机测控系统操作界面
2、起动发动机，预热发动机至热平衡状态（冷却水出水温度达到80±5℃左右,预热方法见附件一）。
3、 进入实时测控系统，采用手动控制方式，选取“自然调位”方法控制发动机运行。
通过手动调节发动机的油门使发动机达到要测定的转速（如转速为1400r/min），待发动机稳定运转后，测量该转速下发动机空转时（即输出有效功率为0kW）的油耗量。
4、通过手动调节油门和励磁使得发动机达到相同转速下的某个小有效输出功率工况点（本实验中有效功率可选为2kW）。
让柴油机在此状态下运行2-3分钟，待热稳定后记录下此时的油耗量和有效功率。
5、重实验步骤3-4,测出其它转速下空转和小功率点的油耗量和有效功率。
6、逐渐减小测功器扭矩及转速，空载运行5min后停机。
7、整理实验数据，撰写实验报告。
五、试验数据处理和分析：
1．认真记录发动机技术参数和试验数据。
2.计算不同转速时发动机机械损失功率。
3、绘制机损械失功率Pm随曲轴转速的变化规律曲线，并进行分析
4．绘制发动机不同转速下（至少3个转速）机械效率ηm随有效功率Pe的变化规律曲线，并进行分析；
附：
机械效率试验数据记录表
发动机型号：
发动机机号：
大气温度：
℃大气压力：
mmHg
转速
r/min
功率
Kw
扭矩
N.m
燃油油耗量Kg/h
排温
℃
水温
℃
机油温度
℃
机械损失功率Pm/kW
实验二柴油机负荷特性实验
一、实验目的：
制取发动机负荷特性曲线的目的在于找出发动机在不同负荷下动转（转速为常数）时的动力性与经济性变化规律，便于使用者将发动机的负荷控制在恰当范围且较为经济的区域下工作。
对不带调整器的（主要为汽油机的、也包括柴油机）负荷特性（节流特性），主要显示发动机在负荷变化时经济指标随发动机有效功率（或平均有效压力）的变化规律。
对带有调速器的（主要为柴油机）的负荷特性，主要显示高压油泵齿条（拉杆）在调速器控制下负荷变化时动力性与经济性指标随发动机有效功率的变化规律，以及检验调速器工作的正确性。
1.熟悉制取发动机负荷特性曲线方法、步骤与基本操作技术；
2.了解发动机在不同转速、不同负荷下运转时动力性与经济性的变化规律；
二、实验原理：
在发动机转速不变的情况下，利用电涡流测功器改变发动机的负荷，同时通过油耗仪测量发动机的燃油消耗率，分别测取不同负荷时柴油机燃油消耗率及其他参数并测，绘制柴油机负荷特性曲线图。
三、实验仪器及设备：
2105B型柴油机南昌凯马柴油机有限公司
CW100-3000/10000电涡流测功机迈凯（洛阳）机电有限公司
FCM-D油耗转速测量仪上海内燃机研究所
FST2E发动机数控试验台迈凯（洛阳）机电有限公司
四、试验步骤：
1、完成试验前的安全检查及实验条件完备情况检查（具体内容见附件一），开启FST2E发动机数控测试系统，进入测控界面（如图1所示）。
图1发动机测控系统操作界面
2、起动发动机，预热发动机至热平衡状态（冷却水出水温度达到80±5℃左右,预热方法见附件一）。
3、 进入实时测控系统，本实验可采用手动控制和自动控制两种方式进行，下面以手动控制为例介绍实验步骤。
首先选取“自然调位”方法控制发动机运行。
通过手动调节发动机的油门使发动机达到要测定的转速（如转速为1400r/min），待发动机稳定运转后，测量该转速下发动机空转时（即输出有效功率为0kW）的各实验数据。
4、通过手动调节油门和励磁使得发动机达到相同转速下的有效功率为2kW的工况点。
让柴油机在此状态下运行2-3分钟，待热稳定后测量各实验数据。
5、重实验步骤4,测出该转速下其它有效功率点（4kW，6kW......，可每隔2kW测试一次，直至该转速下最大功率点（即发动机出现冒黑烟现象））的实验数据。
6、逐渐减小测功器扭矩及转速，空载运行5min后停机。
7、整理实验数据，撰写实验报告。
五、试验数据处理及分析：
1．认真记录发动机技术参数和试验数据。
2．绘制实验柴油机在不同转速时（至少3个转速）的负荷特性曲线，并进行分析；
3.绘制实验柴油机的万有特性曲线图。
附：
负荷特性试验数据记录表
发动机型号：
发动机机号：
大气温度：
℃大气压力：
mmHg
序号
转速
r/min
功率
Kw
扭矩
N.m
燃油消耗量
Kg/h
燃油油耗率Kg/Kw.h
排温
℃
水温
℃
机油温度
℃
实验二附：
采用自动控制的实验步骤：
1、实验准备工作同手动控制。
2、自动控制的实验方法过程：
在实验前编制控制过程文件，然后在实验时，采用“程控”模式，则测控系统会按照控制过程文件的设置自动完成实验测试过程，并将实验数据保存在数据文件中。
3、具体操作如下：
（1）控制文件编辑:
如下图
（2）、数据文件设置和保存：
（3）自动控制测试：
实验三发动机气道稳态流动性能实验
一试验目的：
发动机要具有良好的燃烧过程，获得理想的动力性，经济性及低排放的性能指标，就必须合理匹配燃烧系统。
要使混合气形成过程和燃烧过程完善，必须使缸内有充足的新鲜空气和组织合理的缸内气流运动，而气道的流通性能对发动机的充量系数和缸内气流运动都有重要的影响。
发动机气道稳流性能实验就是利用测试设备获得表示气道流动阻力的流量系数和表征缸内流动强度的涡流强度和涡流比等重要参数，为气道性能设计和改进提供重要依据。
二、试验仪器及设备：
TUST105型发动机气道稳流试验台主要由试验台主体、变频器、风机、稳压箱、压力传感器、进（排）气管路和蝶阀孔板流量计,动量计以及数据采集仪、计算机与打印机等部分组成，实验台总体布置如下图所示：
设备名称厂家及型号
TUST102气道稳流试验台天津大学
缸盖一个VM28
测控用计算机
三、实验基本原理：
在内燃机中，进气过程进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流（或滚流）和湍流状况等对燃烧过程有着显著的影响，从而对内燃机的经济性、动力性、排放指标、燃烧噪音和怠速稳定性等产生重要的影响。
中小型高速直喷式柴油机常利用螺旋进气道来产生适当的进气涡流，而在汽油机中则利用进气道与燃烧室的配合来产生适当的滚流，以促进燃料与空气的混合，从而改善燃烧。
一、气道流动特性的定义
进气道流动特性一般指流通能力和产生涡流（或滚流）的能力。
目前，评价气道流通特性的方法大部分仍采用在稳流试验台上测得的流量系数和涡流比。
在稳流试验台上测量进气道涡流的方法有叶片风速仪法和涡流动量矩法，测量气道流通能力一般用标准流量计测量。
为了便于对不同形状和尺寸的气道流动性能进行比较，用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的流通能力，用无量纲涡流比来评价不同气门升程下气道形成缸内涡流的能力，用加权平均流量系数和加权平均涡流比来评价气道总的流通能力和涡流能力。
二、评价方法及参数
现有气道流动性能主要平价方法有：
Ricardo方法，AVL方法，FEV方法，西南研究院SwRI方法等。
在我国，前三种方法运用比较多。
各种评价方法及评价参数定义如下
（一）、Ricardo方法：
一般流量系数的定义：
1、流量系数：
式中：
Q实际为实际气体质量流量；V0为气门出口处气体流速；A为气门座圈内截面面积。
其中：
式中：
D为气门座内径；i为每缸进气门数；Dp为气道的压力降；rm为气道内空气密度。
平均流量系数Cfm：
在平均流量系数的计算是Ricardo方法采用实际的气门升程曲线。
2、涡流比
a、无量纲动量涡流数Nr
式中：
M为涡流动量计测得的动量矩，Q为质量流量，B为气缸直径。
b、涡流比Rs：
式中：
Ld为形状因子，
；
（二）AVL方法
AVL方法假定进气只发生在上止点与下止点之间，并采用一标准的气门升程表来计算平均流量系数和平均涡流比，由于采用标准气门升程并且在上下止点间进行积分，所以，所的平均涡流比和平均流量系数与实际配气相位及气门升程无关。
1、流量系数：
式中：
Q实际为实际气体质量流量；V0为气门出口处气体流速；A为气门座圈处截面面积。
其中：
式中：
D为气门座密封带的最小内径；i为每缸进气门数；Dp为气道的压力降；rm为气道内空气密度。
平均流量系数Cfm：
式中：
C，Cm分别为活塞瞬时速度和平均速度
假定活塞平均速度Cm与模拟气缸内空气的轴向气流速度ua相等，则有：
2、涡流比
a、各气门升程下的涡流比W：
式中：
Vh为发动机单缸排量，B为发动机缸径，Q为测得的流量。
当采用涡流动量计来测量气道流动特性时，测出的是模拟气缸内气体流动的动量矩M，因此，此时的涡流比的计算公式为：
平均涡流比Rs：
式中：
M为涡流动量计测得的动量矩，Q为质量流量，B为气缸直径,Vh为发动机单缸排量。
备注：
Ricardo与AVL评价方法的比较：
1、Ricardo方法在计算平均涡流比时采用的是发动机的实际气门升程数据，对不同升程时的流量系数和发动机形状因子进行了加权计算，考虑了流量系数及发动机结构参数对平均涡流比的影响。
因此Ricardo方法更适用于评价气道形状及配气相位变化对缸内气流运动的影响。
2、AVL方法在计算平均涡流比时采用的是标准AVL气门升程曲线，对不同升程时的活塞运动速度进行了加权计算，考虑了活塞运动速度（发动机速度，连杆长度，活塞行程）对平均涡流比的影响。
因此Ricardo方法更适用于评价气道形状及发动机活塞连杆机构运动变化对缸内气流运动的影响。
四、试验步骤：
1、实验前仪器设备的检查。
2、安装与被测缸盖配套的模拟缸筒及定位底板，如有需要（原缸盖气门弹簧太硬时），更换气门弹簧。
3、开启测控软件及测控设备，在测控软件中输入被测缸盖的参数及发动机相关参数。
4、将被测缸盖安装到测试台上，保证安装位置正确，在保持气门关闭的状态下，对试验设备进行密封性检测，应保证不出现漏气现象。
5、调节气门开度，使气门升程达到2mm，测试此时气道及缸内气流运动特性。
6、依次调节气门开度，分别测试气门升程为4mm，6mm，8mm，10mm时气道及缸内气流运动特性。
7、实验结束，拷贝实验数据及关闭实验仪器，整理清扫实验室。
8、实验数据的处理与分析。
五、试验数据处理和分析：
1．记录发动机技术参数和试验数据。
2.计算不同气门升程时的Ricardo和AVL的流量系数及涡流比，计算Ricardo和AVL的平均涡流比。
3、比较分析切向气道、螺旋气道及组合气道的稳态流动特性。
实验三附：
发动机气道稳流性能实验数据表
表一发动机相关参数表
机型编号
发动机排量（L）
缸径
行程
连杆长度
发动机转速
气门座角度
缸心距
M28
2.80
94
100
159
3800
45
112
进气门
个数
开启角
关闭角
直径
摇臂比
气门间隙
气门最大升程
凸轮最大升程
2
-15.6
64.4
30.5
2.16448598
0
8.536533578
3.943908
排气门
个数
开启角
关闭角
直径
摇臂比
间隙
气门最大升程
凸轮最大升程
2
-66
32
28.9
2.16448598
0
8.538929664
3.945015
表二凸轮型线数据表
曲轴转角
进气凸轮升程
曲轴转角
排气凸轮升程
曲轴转角
进气凸轮升程
曲轴转角
排气凸轮升程
0
0
0
0
67
3.902064
72
3.906143
2
0.009027
7
0.059463
72
3.763815
77
3.788457
7
0.063643
12
0.208584
77
3.528655
82
3.592446
12
0.247438
17
0.540201
82
3.197494
87
3.318748
17
0.619301
22
1.009902
87
2.773831
92
2.96834
22
1.126109
27
1.541014
92
2.269913
97
2.544262
27
1.689193
32
2.069196
97
1.710922
102
2.055753
32
2.242434
37
2.553578
102
1.142553
107
1.524857
37
2.742206
42
2.973367
107
0.633244
112
0.993802
42
3.16492
47
3.320261
112
0.263499
117
0.528118
47
3.499474
52
3.591753
117
0.086861
122
0.20506
52
3.741741
57
3.786986
122
0.042278
127
0.068449
57
3.890101
62
3.905077
127
0.007437
132
0.03296
62
3.943908
67
3.945015
129
0
137
0
表三平均值数据表
平均值数据表
流出系数Cd：
0.6542；
性能系数Cp：
0.5451；
平均流量系数评价
平均涡流比评价
Ricardo
FEV
AVL
SwRI
Ricardo
FEV
AVL
SwRI
表四测量数据表
组别
气门升程
气道压差
稳压筒压差
流量计压差
动量计扭矩
流体温度
孔板压差
大气压力
/mm
/kPa
/kPa
/kPa
//mN.m
/℃
//Pa
/kPa
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
第7组
表五计算数据表
组别
气门升程
相应转角
流量
流量系数
涡流强度
流量系数
涡流强度
AVL＿Ns
/mm
/CA
/L/s
Ricardo
Ricardo
FEV
FEV
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
第7组
实验四柴油机燃油喷射过程实验
一、实验目的：
柴油机良好的性能和排放指标取决于燃烧过程的完善程度，这受许多因素的综合影响，其中空气运动、燃油喷射和燃烧室结构是最重要的影响因素。
燃油喷射系统的改进对降低柴油机的排放具有重要作用。
高压共轨喷油系统可以自由调节喷油压力、喷油时间和喷油量，能够实现多次高压喷射，提高雾化质量；其电磁阀控制精度较高,针阀响应速度快，循环喷油量变动小,各缸供油不均匀性大大改善,对减轻柴油机的振动和降低排放效果比较显著。
1.了解对电控喷油器的喷油规律进行测试的方法及仪器的操作；
2.掌握高压共轨系统在油泵试验台上的运行过程；
3.理解基于博世长管法的喷油规律测试原理。
二、实验原理：
柴油机燃油喷射系统原理图
喷油器喷油进入细长管内，其体积流量的表达式为：
式中:
A为细长管的横截面积；
为燃油在管中的流速。
由非稳定流中的一元压力波理论，细长管内压力波
的表达式为，
式中:
a为音速；
为燃油密度；
为波动压力（采集卡采集压力波信号）。
由以上两式可得喷油率表达式为，
所以喷油量为，
式中：
（喷油开始时刻）；
（喷油结束时刻）；A（细长管横截面积）、a（音速）、
（燃油密度）、
（凸轮轴转速）确定后，通过测试系统测出长管内的压力变化，就可以得到喷油规律，进而算出喷油量。
a（音速）计算：
式中：
L为长管长度；
为给定轨压和喷油脉宽条件下采集的两个相邻反射波的时间间隔，将计算好的音速带入喷油率表达式，可计算出喷油率。
试验用柴油密度为
。
试验中，可以采用origin软件对数据进行处理。
三、实验主要设备仪器：
1）喷油泵试验台（型号DB2000-
A）：
泰安泰山金石机械公司
2）高压共轨燃油喷射系统（型号MULtecDCR1400）：
德尔福公司
3）电荷放大器（型号QSY7706）：
绵阳奇石缘科技有限公司
4）高速数据采集卡（型号QSY8504）：
绵阳奇石缘科技有限公司
5）细长管（长6.2m、内径4mm），连接块，节流阀，轨压传感器、转速传感器、相位传感器，油温传感器，燃油计量阀，喷油器电磁阀，压电式压力传感器等。
四、试验步骤：
1、完成试验前的安全检查及喷油共轨系统工作是否正常，通过德尔福高压共轨诊断软件Visu98，对高压共轨系统的轨压、喷油量、各传感器输入信号等进行监控，界面如下图所示。
诊断软件界面
2、启动进入实时测控系统，运行数据采集软件。
1、
3、待系统运行稳定后，选取采集软件自动测试的一段逐渐衰减的数据曲线保存，并将实验数据保存在数据文件中。
4、设置转速分别为200r/min、250r/min、、300r/min，采集喷油系统长管内的压力变化数据，然后计算成喷油率（mm3/s）随时间变化曲线，再积分计算喷油量。
5、整理实验数据，撰写实验报告。
五、试验要求：
1、试验前，根据柴油机燃油喷射相关内容，了解试验系统的原理及试验的基本条件；
2、试验中，正确观察记录数据，按步骤进行试验。
掌握基于博世长管法的柴油发动机喷油规律测试方法。
3、试验后，认真撰写试验报告，正确处理试验数据，分析喷油规律曲线是否符合理想喷油规律及对燃烧与排放的影响程度。
附：
燃油喷射过程试验数据记录表
序号
转速
r/min
采样数
个
采样率
个/m
电压
V
压力
MPa
喷油率
mm3/s
喷油量
mm3
实验五汽油发动机排放性能实验
一、实验目的
让学生了解汽车排放污染物的测试方法与相关的国家标准，掌握废气分析仪及柴油机烟度计的使用方法。
二、实验内容和要求
试验内容：
1、测试汽油机怠速工况
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