基于試驗(yàn)的機(jī)油溫度對(duì)柴油機(jī)阻力矩影響規(guī)律的預(yù)測(cè)方法*

杜巍 范璘 王 劉福水

（1-北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院北京1000812-河北華北柴油機(jī)有限公司）

·設(shè)計(jì)·計(jì)算·

基于試驗(yàn)的機(jī)油溫度對(duì)柴油機(jī)阻力矩影響規(guī)律的預(yù)測(cè)方法*

杜巍1范璘1王2劉福水1

（1-北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院北京1000812-河北華北柴油機(jī)有限公司）

提出了一種根據(jù)在柴油機(jī)停機(jī)過(guò)程中的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算柴油機(jī)阻力矩的方法，并針對(duì)一臺(tái)多缸柴油機(jī)，測(cè)量和分析了不同轉(zhuǎn)速下柴油機(jī)阻力矩隨機(jī)油溫度的變化規(guī)律，采用多項(xiàng)式擬合方法得到阻力矩與機(jī)油溫度的關(guān)系式。試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明：在相同轉(zhuǎn)速下，阻力矩隨著機(jī)油溫度的降低而上升，并呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式變化規(guī)律；轉(zhuǎn)速越高，阻力矩隨著機(jī)油溫度的降低而上升越多；并通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的公式預(yù)測(cè)了一定機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)阻力矩。

柴油機(jī)阻力矩機(jī)油溫度多項(xiàng)式擬合

引言

柴油機(jī)的阻力矩直接影響其機(jī)械損失，進(jìn)而影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性等性能指標(biāo)。機(jī)油溫度因影響機(jī)油的粘度，進(jìn)而間接地影響柴油機(jī)阻力矩的大小，最終會(huì)影響柴油機(jī)的機(jī)械效率[1]。因此，研究機(jī)油溫度對(duì)柴油機(jī)阻力矩的影響對(duì)于提高機(jī)械效率具有很大意義。

目前，常用的柴油機(jī)阻力矩測(cè)量方法有：示功圖法、慣性法、倒拖法、關(guān)缸法、油耗延長(zhǎng)線法[2]，通過(guò)得到發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械摩擦損失功，可間接計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩。另外，利用經(jīng)驗(yàn)公式也可以計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下的平均摩擦損失壓力或發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦阻力矩，如麻省理工學(xué)院JB.Heywood教授給出的經(jīng)驗(yàn)公式[3]，Gamma Technology公司和Ricardo-Wave公司提出的Chen-Flynn計(jì)算模型[4]、N.C.赫沃謝夫和M. A.明金提出的經(jīng)驗(yàn)公式[5]等。

多年來(lái)，研究人員針對(duì)柴油機(jī)阻力矩進(jìn)行了大量的研究。福特汽車(chē)公司的Michael Murphy等研究了機(jī)油粘度對(duì)內(nèi)燃機(jī)低溫低轉(zhuǎn)速工況下內(nèi)摩擦力的影響，研究發(fā)現(xiàn)平均摩擦損失壓力與機(jī)油粘度成單調(diào)遞增的關(guān)系，且隨著溫度的降低機(jī)油粘度上升[6]。曹志義等采用倒拖法，測(cè)試了一臺(tái)6缸柴油機(jī)的起動(dòng)阻力矩，并采用單因素方差分析法分析轉(zhuǎn)速對(duì)平均起動(dòng)阻力矩的影響規(guī)律[7]。王忠等使用三相變頻異步電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)量了在不同溫度、不同拖動(dòng)轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)阻力的變化規(guī)律[8]。胡玉貴等分析研究了影響柴油機(jī)低溫起動(dòng)的主要因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低溫情況下的起動(dòng)力矩減小、阻力矩增大和著火困難是導(dǎo)致柴油機(jī)低溫起動(dòng)困難的主要原因，并提出了相應(yīng)的改善措施[9]。莫瑋等為了改善嚴(yán)寒條件下車(chē)輛柴油機(jī)的冷起動(dòng)性能，對(duì)柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程的起動(dòng)力矩、阻力矩以及燃料著火進(jìn)行了研究分析，并采用一些措施提升了柴油機(jī)冷起動(dòng)性能[10]。

與前人的研究方法不同，在沒(méi)有電力測(cè)功機(jī)的情況下，本文提出了一種通過(guò)采集和分析停機(jī)過(guò)程中柴油機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，計(jì)算柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)阻力矩的方法。利用此方法，本文針對(duì)一臺(tái)8缸柴油機(jī)，測(cè)量、分析了在停機(jī)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速下阻力矩隨機(jī)油溫度的變化規(guī)律，并采用多項(xiàng)式擬合方法得到阻力矩與機(jī)油溫度的關(guān)系式，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了不同轉(zhuǎn)速、不同機(jī)油溫度時(shí)的柴油機(jī)阻力矩。

1 試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理方法

1.1 試驗(yàn)方法

本文所采用的試驗(yàn)設(shè)備具體包括：

1）某型號(hào)多缸電控柴油機(jī)（柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的阻力矩主要來(lái)自于曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、供油凸輪軸、水泵、油泵等零部件及泵氣損失力矩）；

2）湘儀動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

3）奧地利Dewetron公司燃燒分析儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

試驗(yàn)利用起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速大于150 r/min后，發(fā)動(dòng)機(jī)著火成功，并達(dá)到怠速穩(wěn)定工況。隨后，通過(guò)電控系統(tǒng)切斷供油，柴油機(jī)在自身慣性下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并在阻力矩作用下逐漸減速，直至停車(chē)。在此過(guò)程中，利用燃燒分析儀采集柴油機(jī)的曲軸正時(shí)齒盤(pán)信號(hào)，得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。在試驗(yàn)室條件下，試驗(yàn)時(shí)保證冷卻水溫恒定，機(jī)油溫度分別控制在283K、288K、293K、298K、303K、308K、313K、318K、323K、328K、333K進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸正時(shí)齒盤(pán)上有58個(gè)齒，每?jī)蓚€(gè)齒間隔6°，其中有兩個(gè)齒間隔18°。齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)速傳感器就會(huì)輸出58個(gè)正弦電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理，得到58個(gè)方波信號(hào)。燃燒分析儀基于時(shí)間采集方波的上升沿信號(hào)。計(jì)算出兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間，即可計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速n。

根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)微分方程得到：

其中：Mf為阻力矩；J為柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)部件對(duì)曲軸中心線的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)件的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量、質(zhì)心計(jì)算得到；n為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速；t為時(shí)間[11]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理，最終得到了不同機(jī)油溫度下阻力矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖1所示。數(shù)據(jù)分析如表1所示。

圖1 不同機(jī)油溫度下阻力矩隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

表1 數(shù)據(jù)分析

由圖1可以看出，當(dāng)機(jī)油溫度在303K以上時(shí)，相同機(jī)油溫度下，阻力矩隨轉(zhuǎn)速上升而上升，兩者近似呈線性關(guān)系；當(dāng)機(jī)油溫度在303K以下時(shí)，相同機(jī)油溫度下，阻力矩隨轉(zhuǎn)速上升而加速上升，兩者呈非線性關(guān)系。

由表1中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)機(jī)油溫度從333K降低到283K，800 r/min與100 r/min時(shí)的阻力矩差由40.6 N·m增加到105.1 N·m，由此可見(jiàn)機(jī)油溫度越低，阻力矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加得越多。

將上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，得到不同轉(zhuǎn)速下阻力矩隨機(jī)油溫度變化關(guān)系，如圖2所示。數(shù)據(jù)分析如表2所示。在不同的轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)阻力矩隨著機(jī)油溫度的下降而單調(diào)增加，且呈非線性關(guān)系。由表2中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?00r/min增加到800r/min，283K與333K時(shí)的阻力矩差由35.9 N·m增加到100.4 N·m，由此可見(jiàn)轉(zhuǎn)速越高，阻力矩隨機(jī)油溫度的降低而增加得越多。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下阻力矩隨機(jī)油溫度變化關(guān)系

表2 數(shù)據(jù)分析

圖1和圖2所顯示的柴油機(jī)阻力矩對(duì)轉(zhuǎn)速和機(jī)油溫度的變化規(guī)律分析，主要是由于：

1）柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力矩主要來(lái)自于摩擦阻力矩、驅(qū)動(dòng)氣門(mén)、水泵、油泵等設(shè)備的損失力矩、及泵氣損失力矩，其中摩擦阻力矩所占的比例最大，約占阻力矩60~70%[2]。

2）一般情況下，柴油機(jī)摩擦副處于液體摩擦狀態(tài)，摩擦副之間的摩擦系數(shù)與表面潤(rùn)滑油的粘度、表面滑動(dòng)速度成正比[12]，也可以認(rèn)為摩擦阻力矩與粘度、滑動(dòng)速度成正比。

3）機(jī)油粘度隨著溫度的降低而單調(diào)增加，如圖3所示，呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式分布規(guī)律。所以，可以近似認(rèn)為柴油機(jī)的阻力矩隨機(jī)油溫度的降低而單調(diào)遞增，且存在二次多項(xiàng)式的變化規(guī)律。

圖3 機(jī)油動(dòng)力粘度隨溫度變化規(guī)律[13]

3 公式擬合及分析預(yù)測(cè)

利用圖2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行二次多項(xiàng)式的數(shù)據(jù)擬合，得到了不同轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩隨機(jī)油溫度變化的關(guān)系式，見(jiàn)表3。表中的公式是以絕對(duì)溫度t（單位為K）為變量、阻力矩為函數(shù)的二次多項(xiàng)式，滿(mǎn)足了擬合優(yōu)度R平方值大于0.998。

根據(jù)上表3中所列出的公式，總結(jié)得到柴油機(jī)適用的阻力矩經(jīng)驗(yàn)公式，即：

其中：Tf為阻力矩，單位為N·m；t為絕對(duì)溫度，取值范圍為253K～333K；A、B、C為與轉(zhuǎn)速有關(guān)的系數(shù)。系數(shù)A在100 r/min至800 r/min的取值范圍為0.0124～0.0277，轉(zhuǎn)速越高，A值越大；系數(shù)B在100 r/ min至800r/min的取值范圍為－8.272～－18.992，轉(zhuǎn)速越高，B值越?。幌禂?shù)C在100r/min至800r/min的取值范圍為1489.9～3397.6，轉(zhuǎn)速越高取值越大。A、B、C隨轉(zhuǎn)速的變化曲線見(jiàn)圖4、5、6。

圖4 系數(shù)A隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

圖5 系數(shù)B隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

圖6 系數(shù)C隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

如果認(rèn)為A、B、C是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，則利用三次多項(xiàng)式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到A、B、C三個(gè)參數(shù)與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系式，滿(mǎn)足了擬合優(yōu)度R平方值大于0.998，見(jiàn)表4。

根據(jù)公式（2）和表4中A、B、C的計(jì)算公式，可以計(jì)算出機(jī)油溫度在253K～333K、轉(zhuǎn)速在100 r/min~800 r/min范圍內(nèi)柴油機(jī)的阻力矩值。如：當(dāng)機(jī)油溫度為273K時(shí)，轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)的阻力矩為165 N·m；轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)阻力矩為279 N·m，兩者相差114 N·m。在263K下，柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的阻力矩為：n= 200 r/min時(shí)阻力矩為185 N·m；n=800 r/min時(shí)阻力矩為321N·m，兩者相差136N·m；在253K條件下，柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的阻力矩為：n=200 r/min時(shí)阻力矩為207 N·m；n=800 r/min時(shí)阻力矩為368 N·m，兩者相差161 N·m。

表4 擬合公式

4 結(jié)論

1）在相同機(jī)油溫度下，阻力矩隨轉(zhuǎn)速上升而上升，且機(jī)油溫度越低，阻力矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加越多；在相同轉(zhuǎn)速下，阻力矩隨著機(jī)油溫度的降低而上升，且轉(zhuǎn)速越高，阻力矩隨著機(jī)油溫度的降低而上升越多。

2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的公式表明：在一定的機(jī)油溫度范圍內(nèi)，柴油機(jī)的阻力矩隨機(jī)油溫度變化近似呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式分布規(guī)律。利用該公式可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)不同機(jī)油溫度和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的阻力矩。

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3Heywood J B.Internal Combustion Engine Funda-mentals [M].New York：McGraw-Hill，1988

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Prediction Method on the Effect Rule of Oil Temperature on Diesel Engine Resistance Torque Based on Experiments

Du Wei1,Fan Lin1,Wang Yan2,Liu Fushui1
1-School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology(Beijing,100081,China) 2-Hebei Huabei Diesel Engine Co.,Ltd.

The resistance torque of the diesel engine was calculated through a new method that the transient speed signal is collected and processed to get the resistance torque during the shutdown process of the diesel engine.A multi-cylinder diesel engine was studied.The relationship between oil temperature on diesel engine at different speeds and resistance torque was analyzed.Polynomial fitting method was applied to get the relation between resistance torque and oil temperature.The experiment and calculation result shows:At the same speed,resistance torque rises with oil temperature lowering and distributes in quadratic polynomial law with oil temperature;when the speed increases,resistance torque increases more with the oil temperature lowering.Polynomial fitting formula can be used to predict resistance torque in a certain oil temperature and speed range.

Diesel engine,Resistance torque,Oil temperature,Polynomial fitting

TK427

A

2095-8234（2014）06-0058-05

2014-10-31）

國(guó)家部委預(yù)研項(xiàng)目（40402020101）。

杜巍（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)性能仿真與測(cè)試。

劉福水（1964-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樾滦桶l(fā)動(dòng)機(jī)及內(nèi)燃機(jī)燃燒。