基于试验的机油温度对柴油机阻力矩影响规律的预测方法*

杜巍 范璘 王 刘福水

（1-北京理工大学机械与车辆学院北京1000812-河北华北柴油机有限公司）

·设计·计算·

基于试验的机油温度对柴油机阻力矩影响规律的预测方法*

杜巍1范璘1王2刘福水1

（1-北京理工大学机械与车辆学院北京1000812-河北华北柴油机有限公司）

提出了一种根据在柴油机停机过程中的瞬时转速信号计算柴油机阻力矩的方法，并针对一台多缸柴油机，测量和分析了不同转速下柴油机阻力矩随机油温度的变化规律，采用多项式拟合方法得到阻力矩与机油温度的关系式。试验和计算结果表明：在相同转速下，阻力矩随着机油温度的降低而上升，并呈现二次多项式变化规律；转速越高，阻力矩随着机油温度的降低而上升越多；并通过数据拟合的公式预测了一定机油温度和转速范围内的旋转阻力矩。

柴油机阻力矩机油温度多项式拟合

引言

柴油机的阻力矩直接影响其机械损失，进而影响柴油机的经济性、动力性、可靠性等性能指标。机油温度因影响机油的粘度，进而间接地影响柴油机阻力矩的大小，最终会影响柴油机的机械效率[1]。因此，研究机油温度对柴油机阻力矩的影响对于提高机械效率具有很大意义。

目前，常用的柴油机阻力矩测量方法有：示功图法、惯性法、倒拖法、关缸法、油耗延长线法[2]，通过得到发动机的机械摩擦损失功，可间接计算得到发动机阻力矩。另外，利用经验公式也可以计算得到不同转速下的平均摩擦损失压力或发动机摩擦阻力矩，如麻省理工学院JB.Heywood教授给出的经验公式[3]，Gamma Technology公司和Ricardo-Wave公司提出的Chen-Flynn计算模型[4]、N.C.赫沃谢夫和M. A.明金提出的经验公式[5]等。

多年来，研究人员针对柴油机阻力矩进行了大量的研究。福特汽车公司的Michael Murphy等研究了机油粘度对内燃机低温低转速工况下内摩擦力的影响，研究发现平均摩擦损失压力与机油粘度成单调递增的关系，且随着温度的降低机油粘度上升[6]。曹志义等采用倒拖法，测试了一台6缸柴油机的起动阻力矩，并采用单因素方差分析法分析转速对平均起动阻力矩的影响规律[7]。王忠等使用三相变频异步电机倒拖发动机，测量了在不同温度、不同拖动转速下，柴油机阻力的变化规律[8]。胡玉贵等分析研究了影响柴油机低温起动的主要因素，结果发现，在低温情况下的起动力矩减小、阻力矩增大和着火困难是导致柴油机低温起动困难的主要原因，并提出了相应的改善措施[9]。莫玮等为了改善严寒条件下车辆柴油机的冷起动性能，对柴油机冷起动过程的起动力矩、阻力矩以及燃料着火进行了研究分析，并采用一些措施提升了柴油机冷起动性能[10]。

与前人的研究方法不同，在没有电力测功机的情况下，本文提出了一种通过采集和分析停机过程中柴油机的瞬时转速信号，计算柴油机旋转阻力矩的方法。利用此方法，本文针对一台8缸柴油机，测量、分析了在停机过程中不同转速下阻力矩随机油温度的变化规律，并采用多项式拟合方法得到阻力矩与机油温度的关系式，进一步预测了不同转速、不同机油温度时的柴油机阻力矩。

1 试验和数据处理方法

1.1 试验方法

本文所采用的试验设备具体包括：

1）某型号多缸电控柴油机（柴油机运转时的阻力矩主要来自于曲柄连杆机构、配气机构、供油凸轮轴、水泵、油泵等零部件及泵气损失力矩）；

2）湘仪动力试验数据采集系统；

3）奥地利Dewetron公司燃烧分析仪及数据采集系统。

试验利用起动电机拖动发动机，当起动电机拖动转速大于150 r/min后，发动机着火成功，并达到怠速稳定工况。随后，通过电控系统切断供油，柴油机在自身惯性下继续转动，并在阻力矩作用下逐渐减速，直至停车。在此过程中，利用燃烧分析仪采集柴油机的曲轴正时齿盘信号，得到瞬时转速。在试验室条件下，试验时保证冷却水温恒定，机油温度分别控制在283K、288K、293K、298K、303K、308K、313K、318K、323K、328K、333K进行试验。

1.2 数据处理方法

发动机曲轴正时齿盘上有58个齿，每两个齿间隔6°，其中有两个齿间隔18°。齿盘旋转一周，转速传感器就会输出58个正弦电压信号，经过滤波处理，得到58个方波信号。燃烧分析仪基于时间采集方波的上升沿信号。计算出两个上升沿之间的时间，即可计算发动机的瞬时转速n。

根据刚体定轴转动微分方程得到：

其中：Mf为阻力矩；J为柴油机旋转部件对曲轴中心线的当量转动惯量，可根据曲柄连杆机构等运动件的结构尺寸、质量、质心计算得到；n为瞬时转速；t为时间[11]。

2 试验结果与分析

通过试验与数据处理，最终得到了不同机油温度下阻力矩随转速的变化规律，如图1所示。数据分析如表1所示。

图1 不同机油温度下阻力矩随转速变化关系

表1 数据分析

由图1可以看出，当机油温度在303K以上时，相同机油温度下，阻力矩随转速上升而上升，两者近似呈线性关系；当机油温度在303K以下时，相同机油温度下，阻力矩随转速上升而加速上升，两者呈非线性关系。

由表1中的数据可知，当机油温度从333K降低到283K，800 r/min与100 r/min时的阻力矩差由40.6 N·m增加到105.1 N·m，由此可见机油温度越低，阻力矩随转速增加而增加得越多。

将上述试验数据进一步处理，得到不同转速下阻力矩随机油温度变化关系，如图2所示。数据分析如表2所示。在不同的转速下，柴油机阻力矩随着机油温度的下降而单调增加，且呈非线性关系。由表2中的数据可知，当转速从100r/min增加到800r/min，283K与333K时的阻力矩差由35.9 N·m增加到100.4 N·m，由此可见转速越高，阻力矩随机油温度的降低而增加得越多。

图2 不同转速下阻力矩随机油温度变化关系

表2 数据分析

图1和图2所显示的柴油机阻力矩对转速和机油温度的变化规律分析，主要是由于：

1）柴油机旋转时的阻力矩主要来自于摩擦阻力矩、驱动气门、水泵、油泵等设备的损失力矩、及泵气损失力矩，其中摩擦阻力矩所占的比例最大，约占阻力矩60~70%[2]。

2）一般情况下，柴油机摩擦副处于液体摩擦状态，摩擦副之间的摩擦系数与表面润滑油的粘度、表面滑动速度成正比[12]，也可以认为摩擦阻力矩与粘度、滑动速度成正比。

3）机油粘度随着温度的降低而单调增加，如图3所示，呈现二次多项式分布规律。所以，可以近似认为柴油机的阻力矩随机油温度的降低而单调递增，且存在二次多项式的变化规律。

图3 机油动力粘度随温度变化规律[13]

3 公式拟合及分析预测

利用图2中的试验数据，进行二次多项式的数据拟合，得到了不同转速时发动机的阻力矩随机油温度变化的关系式，见表3。表中的公式是以绝对温度t（单位为K）为变量、阻力矩为函数的二次多项式，满足了拟合优度R平方值大于0.998。

根据上表3中所列出的公式，总结得到柴油机适用的阻力矩经验公式，即：

其中：Tf为阻力矩，单位为N·m；t为绝对温度，取值范围为253K～333K；A、B、C为与转速有关的系数。系数A在100 r/min至800 r/min的取值范围为0.0124～0.0277，转速越高，A值越大；系数B在100 r/ min至800r/min的取值范围为－8.272～－18.992，转速越高，B值越小；系数C在100r/min至800r/min的取值范围为1489.9～3397.6，转速越高取值越大。A、B、C随转速的变化曲线见图4、5、6。

图4 系数A随转速变化关系

图5 系数B随转速变化关系

图6 系数C随转速变化关系

如果认为A、B、C是转速的函数，则利用三次多项式进行数据拟合，得到A、B、C三个参数与转速的函数关系式，满足了拟合优度R平方值大于0.998，见表4。

根据公式（2）和表4中A、B、C的计算公式，可以计算出机油温度在253K～333K、转速在100 r/min~800 r/min范围内柴油机的阻力矩值。如：当机油温度为273K时，转速200 r/min时的阻力矩为165 N·m；转速800 r/min时阻力矩为279 N·m，两者相差114 N·m。在263K下，柴油机不同转速时的阻力矩为：n= 200 r/min时阻力矩为185 N·m；n=800 r/min时阻力矩为321N·m，两者相差136N·m；在253K条件下，柴油机不同转速时的阻力矩为：n=200 r/min时阻力矩为207 N·m；n=800 r/min时阻力矩为368 N·m，两者相差161 N·m。

表4 拟合公式

4 结论

1）在相同机油温度下，阻力矩随转速上升而上升，且机油温度越低，阻力矩随转速增加而增加越多；在相同转速下，阻力矩随着机油温度的降低而上升，且转速越高，阻力矩随着机油温度的降低而上升越多。

2）试验数据拟合得到的公式表明：在一定的机油温度范围内，柴油机的阻力矩随机油温度变化近似呈现二次多项式分布规律。利用该公式可以进一步预测不同机油温度和转速范围内的阻力矩。

1吴兆汉.内燃机设计[M].北京：北京理工大学出版社，1990

2周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011

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

4L.R.Zhong，N.A.Henein.Simulation-based cold start control strategy for a diesel engine with common rail fuel system at different ambient temperatures[C].SAE Paper 2007-01-0933

5魏长河，王忠，王宇成，等.ISAD技术混合动力柴油机起动系统的低温试验[J].农业工程学报，2010，26（2）：154～159

6P.J.Shayler，D.K.W.Leong，M.Murphy.Contribution to engine friction during cold，low speed running and the dependence on oil viscosity[C].SAE Paper 2005-01-1654

7曹志义，张探军，张生平.起动转速对起动阻力矩的影响规律试验研究[J].内燃机，2012（5）：43～45

8王忠，叶飞飞，马金荣，等.柴油机冷起动阻力矩试验研究[J].车用发动机，2008（2）：10～13

9胡玉贵，栗彦辉.柴油机低温启动的影响因素和改善措施[J].移动电源与车辆，2004（1）：29～32

10莫玮，鄂加强，赵廷明.严寒条件下车辆柴油机冷启动性能研究[J].内燃机工程，2002，23（5）：65～67

11芶秉聪，胡海云.大学物理（上册）[M].北京：国防工业出版社，2009

12严立，余宪海.内燃机磨损及可靠性技术[M].北京：人民交通出版社，1992

13刘传安，周珺.机油粘度与温度关系的研究[J].拖拉机与农用运输车，2005（6）：61～63

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）

国家部委预研项目（40402020101）。

杜巍（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向为内燃机性能仿真与测试。

刘福水（1964-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为新型发动机及内燃机燃烧。