简易教学发动机性能试验台设计

杨旭东，陈义乐

（安徽文达信息工程学院，安徽合肥，231201）

1 绪论

1.1 发动机性能试验的评价指标

发动机性能试验的评价指标可以让发动机的性能特点更直观的表现出来，并能够作为衡量发动机性能优劣的标准。发动机性能试验的评价指标一般有动力性指标，经济性指标等。动力性指标的意思是汽车行驶在条件良好的路况上，由汽车受到的纵向力决定的，汽车在行驶过程中的平均速度。汽车经济性是一种使用性能，是汽车为完成一定的运输量所耗费最少资源的能力。其中有:指示指标，有效指标，动力性能速度指标。

指示平均压力：气缸在一定量工作容积下所做的指示功定义为指示平均压力

Pmi为指示平均压力，MPa；Wi为指示功，Kj；Vs为气缸排量，L。

有效平均压力；它表明了气缸在单位工作容积下所作的有效功

Pme有效平均压力，MPa；We为有效功，Kj。

指示效率：燃料的化学能转化为指示功Wi的能量转换效率

上面的公式中，gb的意思是在单缸情况下，每一个循环的燃料所消耗的量，kg；Hv为燃料低热值，kj/kg

有效效率：是指燃料所释放的化学能能够转化为曲轴输出功We的能量转化效率

燃料消耗率：单位功率在单位时间内所消耗的燃料量，也分为指示燃料消耗率和有效燃料消耗率。

指示燃料消耗率：

式中bi为指示燃油消耗率，g/(kW*h)；B为整机燃料消耗率，kg/h；Pi为指示功率，kW。

有效燃料消耗率：

式中be为有效燃料消耗率，g/(kW*h)；P为有效功率，kW。

确定功率大小的因素除了力外，还包括活塞的平均运动速度，也是可以作为评判发动机动力性能的速度指标。曲轴发出动力给发动机，所以曲轴转速n也是一种速度指标。n与vm有一定转化关系：

式中，Vm为活塞的平均运动速度，m/s；s为活塞冲程，mm;n为转速，r/min。

2 常规发动机性能试验台

2.1 类型介绍

交流电力测功机：它使用的是交流变频回馈加载技术；由计算机，电量综合测量仪及各种传感器组成，扭矩和转速可以通过扭矩传感器直接测量出；电流、电压、功率因数等数据可通过电量综合测量仪表测量出来；计算机处理各种数据，制表，画图等。设备如图1所示。

图1 交流电流测功机

电涡流测功机：使用电磁感应的原理形成功率及转矩的消耗。主要组成部件是涡流制动器、测力组件、测速组件和控制系统等。设备如图2所示。

图2 电涡流测功机

2.2 工作原理

交流电力测功机:使用交流变频的回馈加载技术，用扭矩传感器测量出扭矩、转速的数据；电流、电压、功率因数等参数的测量是通过电量综合测量仪表直接检测的；用计算机处理检测的数据，并用处理的数据画出各种曲线，制作表格等各种功能。

电涡流测功机：直流电通过和转子的同时也会通过与之同轴装配的励磁线圈，从而会生成磁通，流经涡流环、气隙和转子这三个部件，形成一个闭合回路。齿和槽都是均匀的分布在外边，气隙和电枢体或涡流环内的表面上任意一个地方的磁感应发生变化时，就会产生磁场，从而产生涡流电。此时，在涡流和磁场的涡合下，转子会产生产生出摆动体上拖动力矩大小相同的力矩，此数值可由传感器检测显示出来。

3 简易教学用发动机性能试验台的设计

3.1 整体结构设计及工作原理

本文的简易教学用发动机性能试验台由测功器、发动机、转速表、油耗仪、蓄电池组成。发动机实验台架装置示意图见图3。

图3 发动机实验台架装置示意图

工作原理：流量计在油箱与发动机之间，通过油管将油箱与发动机连接，使得油箱给发动机供油的同时也可以通过流量计显示出累计流量起点值Q1和累计流量终点值Q2，用秒表测出间隔时间t(s)。接着发动机曲轴与发电机转子轴用联轴节连接。当发动机运转时，可以带动三相发电机一起跟着运转，发出三相交流电，通过三相电缆输出给三相电阻负荷箱。电阻负荷箱通过拨动开关来改变吸收功率，吸收的有效功率可以通过面板上的液晶显示屏显示出数值（kW），同时将三相交流电的电压（V）和电流（A）也一并显示出。通过转速表能测出发动机的转速，就可测出发动机转矩和燃油消耗率，发动机转矩与发动机功率、转速关系式：

和小时耗油量和燃油消耗率的关系式：

3.2 功能介绍

3.2.1 发动机有效功率测量

本设计发动机有效功率是应用发电机和电阻负荷箱的组合形式来测量的。

基本测量原理是：发动机运转时，带动三相发电机运转，发出三相交流电，通过三相电缆输出给三相电阻负荷箱。发动机和三相发电机是一个机组整体，如图4所示。

图4 发动机机组外形图

三相可调电阻负荷箱的外形如图5所示。通过负荷拨动开关来改变电阻箱吸收功率，机箱内部设有排热风扇，可将受热电阻吸收的热量排出机箱之外。电阻箱吸收的有效功率、三相交流电的电压（V）和电流（A）也一并显示出。

图5 三相可调电阻负荷箱

3.2.2 转速测定

现代的大部分测功机都使用磁电式转速计。如图6所示，齿盘和磁电传感器都在转轴上。磁电传感器的零件的组成包括绕有线圈和永久磁铁。齿盘一般制有60个齿。这使得当轴旋转一周，磁电传感器可以产生60个脉冲信号。在这里设脉冲信号的频率为 f（Hz），发动机的转速为 n（r/min），齿数为Z，则 ：

所以，磁电传感器脉冲信号的频率与转速的数值在齿数为60时是相同的。

磁电式转速计的结构简单，转速精度高，测速范围广，绝大多数测功机都用这种结构。

图6 磁电式转速计原理

目前，光电测速技术发展很快，测试成本降低。试验中也可以用光电式转速计来进行发动机转速测量。

3.2.3 小时耗油量和燃油消耗率:

根据原始测量数据结果，按下列公式计算处理：

由发动机转矩与发动机功率、转速关系式，可得：

小时耗油量和燃油消耗率：

式中，Pe-电阻负荷消耗的有效功率（kW）；

Q-容积流量（L/min）；Q = ( Q2-Q1)÷t×60

其中，Q1（L）为累计流量起点值，Q2（L）为累计流量终点值，t（s）为计时时间。

B- 小时耗油量（kg/h）。

其中，燃油密度ρoil=0.84kg/L，be-燃油消耗率[g/（kW·h）]。

3.3 试验台零部件的选型与安装

3.3.1 零部件选型

由于本试验台架主要用于教学用途，所以各项零部件部件不仅要能够顺利完成试验，而且还要在试验过程中不能有任何质量问题，所以要严格按照标准挑选。

选择了发动机型号为YC1115柴油机、功率：16.2kw、标准转速：2200r/min、净质量：185kg的柴油发动机。

因为发电机和发动机的转速相同，且发动机的功率要通过发电机在电阻负载箱的显示仪上显示，所以功率得相似，转速差距不能过大，根据试验的转速要求和经验法选择的发电机型号为YC15GF直流发电机组、额定功率：15kw、额定转速：1500r/min。

根据发动机的选择知道其转速，功率，根据小时耗油量和燃油消耗率可以计算出流量范围，所以选择的油耗仪型号为WT021GSSB、流量范围：0.6-50L/h、信号输出4-20mA、电源：DC24V、工作温度 ：80oC。

蓄电池采用经验法选的是电压为12v、容量为120Ah的标准车用电池。完全符合试验标准。

测速仪采用的光电式测速仪，有电子数字显示电机转速，具体可以精确到秒。由以上的发动机和发电机的转速得知最大转速为1500r/min，经计算知25r/s，所以选择的光电式测速仪符合需求。

电阻负载箱是为了测出发电机的功率，因为发电机的额定功率是15kw，所以选择电阻负载箱的型号为：RXF-380V/220V-15KW，可调功率为500W-15KW，采用强制风冷散热，提高设备的安全性。

3.3.2 试验台的系统安装与调试

首先固定发动机，由于发动机在试验过程中会有较大的振动和旋转力矩，所以将发动机安装固定于坚固、防震的混凝土底座上。且发动机在工作过程中会有废气排出，有一定的噪声，所以实验室配备了特殊的通风装置和消声装置。

其次将流量计固定在桌子上，流量计在油箱与发动机之间，安装完成后，验证油管的密封性。

最后发电机通过三相电线连接于电阻负荷箱，电阻负荷箱的正面装有电流，电压，功率显示器，方便读取数据。

4 结论

本文对简易教学用发动机性能试验台整体设计、工作原理、相关功能及零部件的选型、装配与调试进行了系统的阐述。此简易教学用发动机性能试验台整体设计简约合理。经过严格的零部件选型，科学的装配和不断的调试，安全可靠，相关功能完全符合教学需求。这个设计既满足了教学需求，又使学生发挥了动手能力，理论与实践相结合，有利于提高学生的综合能力。