內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定功率和燃油消耗率的測(cè)定及其修正

楊安杰，楊建偉，朱國(guó)營(yíng)

(1.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450002)

功率是內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性指標(biāo)，燃油消耗率則是其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，兩者是衡量?jī)?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)制造水平的關(guān)鍵性指標(biāo).尤其是在標(biāo)定功率的測(cè)定中，其標(biāo)定工況調(diào)整的準(zhǔn)確性直接影響內(nèi)燃機(jī)噪聲、排放污染物等指標(biāo)測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以GB 9486—1988《柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)排氣煙度及測(cè)定方法》[1]、GB 14097—1999《中小功率柴油機(jī)噪聲限值》[2]、GB 3847—2005 《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度排放限值及測(cè)量方法》[3]、GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》[4]、GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法》[5]都對(duì)測(cè)定時(shí)的大氣環(huán)境狀況提出了要求.本研究運(yùn)用GB/T 21404—2008《內(nèi)燃機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的確定和測(cè)量方法 一般要求》[6]和GB/T 6072.1—2008《往復(fù)式內(nèi)燃機(jī) 性能 第1部分：功率、燃料消耗和機(jī)油消耗的標(biāo)定及試驗(yàn)方法 通用發(fā)動(dòng)機(jī)的附加要求》[7]標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了有關(guān)內(nèi)燃機(jī)功率和燃油消耗率檢測(cè)時(shí)大氣環(huán)境狀況修正方面的探討.

1 標(biāo)定功率和標(biāo)定工況燃油消耗率的測(cè)試方法

標(biāo)定功率是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下制造廠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途和特點(diǎn)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下所規(guī)定的有效功率，根據(jù)不同用途，標(biāo)定功率有時(shí)也被稱為“額定功率”，也叫ISO功率，這個(gè)值在發(fā)動(dòng)機(jī)的銘牌上均給予標(biāo)明.根據(jù)GB/T 1147.2—2007《中小功率內(nèi)燃機(jī) 第2部分：試驗(yàn)方法》[8]和全國(guó)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證辦公室頒發(fā)的《內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)許可證換(發(fā))證實(shí)施細(xì)則》，標(biāo)定功率的測(cè)定是把油量控制機(jī)構(gòu)置于油量最大位置時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出的最大有效功率.標(biāo)定工況燃油消耗率的測(cè)試是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的燃油消耗量計(jì)算得出的.標(biāo)定功率和標(biāo)定工況燃油消耗率的測(cè)試均要在內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上完成.

2 內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定功率和燃油消耗率修正的原因

內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械能是由燃料和空氣在氣缸內(nèi)混合燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化而來的，內(nèi)燃機(jī)的有效功率與氣缸內(nèi)燃燒形成的平均有效壓力成正比，而平均有效壓力pe由下式計(jì)算：

pe=ηe/α×Hu/lo×ηv×rs[9]，

(1)

式(1)中，ηe為有效熱效率，α是過量空氣系數(shù)，Hu指所用燃料的低熱值，lo指完全燃燒1 kg燃料所需的理論空氣量，ηv是充氣效率，rs指進(jìn)氣管狀態(tài)下的空氣密度.由式(1)可知，在保持α不變的情況下，燃料特性一定時(shí)氣缸內(nèi)的平均有效壓力只和充氣效率ηv及進(jìn)氣管狀態(tài)下的空氣密度rs有關(guān)，而充氣效率及進(jìn)氣管狀態(tài)下的空氣密度對(duì)已定的發(fā)動(dòng)機(jī)來講，只受大氣狀態(tài)的影響.進(jìn)入氣缸的空氣密度小，則平均有效壓力小，即有效功率小.環(huán)境溫度高、大氣壓力低，則空氣密度小.因此，季節(jié)和地區(qū)的不同會(huì)造成大氣狀態(tài)的不斷變化，在油量控制機(jī)構(gòu)固定在同一位置時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的功率也會(huì)不同.所以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境狀況和統(tǒng)一的修正方法是十分必要的.

3 標(biāo)定功率和燃油消耗率的修正方法

內(nèi)燃機(jī)在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，其有效功率及燃油消耗率應(yīng)修正到標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況以便進(jìn)行比對(duì)[10]，或由標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況的功率值修正到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)以進(jìn)行性能檢測(cè)，可用等油量修正法和可調(diào)油量修正法.

3.1 等油量修正法

3.1.1 功率換算

功率修正的公式對(duì)于汽油機(jī)

Pr=αa×Px，

(2)

對(duì)于柴油機(jī)

Pr=αc×Px，

(3)

式(2)和式(3)中，Px是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的有效功率，αa是汽油機(jī)功率調(diào)整系數(shù)，αc為柴油機(jī)功率調(diào)整系數(shù)，Pr指標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下的有效功率.

3.1.1.1 對(duì)于自然吸氣和增壓的汽油機(jī)的功率修正系數(shù)

αa=(99/ps)1.2(T/298)0.6，

(4)

式(4)僅當(dāng)288 K≤T≤308 K，90 kPa≤ps≤110 kPa，0.96≤αa≤1.06時(shí)才適用.式(4)中，T是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的環(huán)境溫度，ps是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的干空氣壓.

3.1.1.2 對(duì)于柴油機(jī)的功率修正系數(shù)

αc=(fa)fm，

(5)

其中，fa為大氣系數(shù)，fm為柴油機(jī)特性指數(shù)，對(duì)于自然吸氣柴油機(jī)和機(jī)械增壓柴油機(jī)

fa=(99/ps)(T/298)0.7.

(6)

對(duì)于不帶增壓中冷和帶空/空中冷的渦輪增壓柴油機(jī)

fa=(99/ps)0.7(T/298)1.2，

(7)

fm=0.036qc-1.14，

(8)

式中,qc為比排量循環(huán)柴油供給量.

qc=(Z×V)/(rr×VH×n)，

(9)

式中，Z是與發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)有關(guān)的參數(shù)，對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)Z=120 000，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)Z=60 000；V為燃料消耗量(燃料流量)，g/s；rr是增壓比(自然吸氣柴油機(jī)rr=1)；VH是發(fā)動(dòng)機(jī)總排量，L；n是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min.需要注意的是，①公式(9)只有當(dāng)37.2≤qc≤65時(shí)才適用，若qc<37.2，fm取恒定值0.2；若qc>65，fm取恒定值1.2 .②只有當(dāng)0.96≤αc≤1.06，修正系數(shù)公式(5)才適用.

3.1.2 燃油消耗率的換算

燃油消耗率的換算公式為

br=βd×bx,

(10)

βd=1/αc,

(11)

式中，bx是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的燃油消耗率，br是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下的燃油消耗率，βd為等油量燃油消耗率校正系數(shù)，αc是柴油機(jī)的功率修正系數(shù).這里需要注意的是，式(10)僅適合于有調(diào)速器調(diào)節(jié)燃料供給量并使輸出功率保持恒定的柴油機(jī)，汽油機(jī)不進(jìn)行按等油量換算燃油消耗率.

3.2 可調(diào)油量修正法

3.2.1 功率換算

功率修正的公式為

Px=α×Pr,

(12)

式中，Px為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的有效功率，α是功率調(diào)整系數(shù)，Pr指標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下的有效功率其中，功率調(diào)整系數(shù)由式(13)得出：

α=k-0.7(1-k)(1/ηm-1),

(13)

式中，ηm為機(jī)械效率，由發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠規(guī)定，如未規(guī)定，則取ηm=0.8；k是指示功率比，由式(14)確定：

k=(ps/99)m(298/T)n(298/Tc)s,

(14)

式中,ps是指現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的干空氣壓，T是指現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的環(huán)境溫度，Tc是中冷器冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度；m,n,s是功率校正用指數(shù)，對(duì)于一般非渦輪增壓汽油機(jī)，3個(gè)指數(shù)分別是0.86,0.65和0；對(duì)于一般非渦輪增壓柴油機(jī)，3個(gè)指數(shù)分別是1,0.75和0.

3.2.2 燃油消耗率的換算

燃油消耗率的換算公式為

bx=β×br,

(15)

β=k/α,

(16)

式中，bx為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的燃油消耗率，br是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下的燃油消耗率，β為燃油消耗率校正系數(shù)，k和α分別是前文的指示功率比和功率調(diào)整系數(shù).

4 標(biāo)定功率和燃油消耗率修正方法的實(shí)際運(yùn)用

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了等油量和可調(diào)油量?jī)煞N修正方法，在實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)根據(jù)不同情況、不同目的區(qū)別對(duì)待.抽檢某臺(tái)ZH1110型柴油機(jī)，銘牌標(biāo)定功率為13.24 kW/2 200 rpm，廠方提供機(jī)械效率為0.80，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況為大氣壓99.3 kPa，溫度30 ℃，相對(duì)濕度60%.

第一步，標(biāo)定功率檢查.預(yù)熱后，按照標(biāo)準(zhǔn)將油量控制機(jī)構(gòu)放在最大位置，調(diào)整測(cè)功機(jī)負(fù)荷，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到標(biāo)定轉(zhuǎn)速2 200 r/min時(shí)，實(shí)測(cè)最大功率為13.72 kW，并測(cè)出其名義標(biāo)定工況(13.24 kW/2 200 rpm)時(shí)，燃油消耗量為3.076 kg/h(0.854 4 g/s).

按等油量法進(jìn)行修正：

qc=(Z×V)/(rr×VH×n)=(120 000×0.854 4)/(1×1.093×2 200)=42.64(該值在37.2～65)，故fm=0.036qc-1.14=0.395.

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的干空氣壓ps=p-Фpsw=(99.3-2.52) kPa=96.78 kPa，代入式(6)得

fa=(99/ps)(T/298)0.7=(99/96.78)(303/298)0.7=1.034 9,αc=(fa)fm=1.034 90.395=1.013 6，故標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下這臺(tái)柴油機(jī)的標(biāo)定功率Pr=αc×Px=1.013 6×13.72 kW=13.91 kW.

第二步，進(jìn)行性能試驗(yàn).試驗(yàn)前應(yīng)按可調(diào)油量法算出該柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)(名義)標(biāo)定功率(13.24 kW)修正到試驗(yàn)環(huán)境狀況下的功率k=(ps/99)m(298/T)n(298/Tc)s=(96.78/99)×(298/303)0.75=0.965 5,α=k-0.7(1-k)(1/ηm-1)=0.965 5-0.7×(1-0.965 5)×(1/0.8-1)=0.959 5，因此，名義標(biāo)定功率修正到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況下的功率值Px=α×Pr=0.959 5×13.2 kW=12.67 kW.

算出該值后，將12.67 kW作為標(biāo)定功率負(fù)荷調(diào)整供油量至標(biāo)定轉(zhuǎn)速，測(cè)出此時(shí)燃油消耗量為3.010 kg/h，燃油消耗率則為(3.010/12.67)×103g/(kW·h)=237.6 g/(kW·h)，燃油消耗率校正系數(shù)β=k/α=0.965 5/0.959 5=1.006 3，由此可以得出，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況下這臺(tái)柴油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)的燃油消耗率br=bx/β=(237.6/1.006 3)g/(kW·h)=236.1 g/(kW·h).

5 結(jié)論

大氣環(huán)境狀況(溫度、壓力、濕度)的變化會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮.溫度升高、壓力下降或濕度增加，都會(huì)導(dǎo)致有效功率變小、燃油消耗率升高，所以要求發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)在出廠檢驗(yàn)時(shí)、政府職能部門在市場(chǎng)監(jiān)督抽查檢驗(yàn)時(shí)或一般的教學(xué)科研中都要注意大氣狀況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響并對(duì)大氣環(huán)境狀況進(jìn)行修正，以保證檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)性.

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