柴油机性能排放试验

柴油机速度特性、负荷特性实验报告

实验人员：阿拉坦 张鑫鑫

潘宁 钟湾 邹晨宇 班级：汽62班 报告：张鑫鑫

2009/5/14

1. 实验目的

1. 了解并熟悉柴油发动机台架试验的主要设备。 2. 掌握柴油发动机负荷特性、速度特性试验方法。 3. 掌握对试验数据进行修正及分析处理的方法。

4. 了解柴油发动机燃油消耗率及CO 、HC 、NOx 、烟度等随工况的变化趋势。 5. 能够根据发动机特性曲线对其性能进行分析和评价。

6. 能够根据试验结果找出提高发动机排放性能的主要切入点（提高要求）。

2. 实验要求

1. 熟悉和掌握与本试验内容相关的柴油发动机性能指标随转速及负荷的变化规律和原因。

2. 了解试验设备的原理及试验的基本条件。

3. 试验中，按指导老师的要求操作仪器设备，正确观测和记录数据，按步骤进行试验。认真体会试验方法。

3. 主要仪器设备

3.1性能实验仪器设备

3.2排放实验实验设备

CEB-Ⅱ型排气分析仪参数 4. 发动机台架系统装置

柴油机试验装置简图

1-轴 2-安全罩 3-油门执行器 4-橡胶支架 5-空气滤清器 6-空气流量计 7-进气温度、压力测量装置 8-水塔 9-水泵 10，14-油泵 11，16-调压器 12-油耗仪 13-阀门开关

15-柴油滤清器 17-排温测量装置 18-减震波纹管 19-排气温度传感器 20-排气后处理装置

5. 试验对象、燃料

5.1实验用柴油机

5.2实验用柴油

6. 试验标准及方法

6.1速度特性试验

6.1.1实验标准

发动机试验条件，按国标GB/T18297-2001>的规定进行控制，测量仪表精度及测量部位应符合GB/T18297-2001的规定。

6.1.2实验方法

1. 按照GB/T18297-2001>进行。

2. 测量数据时的发动机运行转速与选定转速相差不应超过1%或者

10r/min，发动机的运行状态稳定1min 后，方可进行测量。

3. 进行速度特性实验时，从高速开始逐渐降低发动机转速进行实验测量。 4. 实验过程中，缓慢调节负荷以达到所选定转速的工况点，稳定后进行实

验。

5. 使用容积法进行柴油机燃油消耗量的测量，相同工况最少测量3次，求平均值为该工况的燃油消耗量数据。

6. 实验中空气消耗量测量时：由于发动机进气具有脉动效应，因此从二次仪表中应读取波动的最大值和最小值，其平均值即为该工况的空气消耗量数值，单位为kg/h。每一工况按要求至少测量两次，求其平均值为该工况的测量数据。 7. 实验分工：根据参加的人数分3个小组，第1小组负责操作发动机控制台的操作，并检查每一工作的配合次序；第2小组负责记录功率，转速，转矩，水温，油温，排温，大气压，大气温度及湿度等参数；第3小组负责燃油消耗量，空气消耗量的测量和记录，同时汇总填写实验数据原始记录表格。条件允许时，各小组的任务可相应轮换。

6.2负荷特性试验

内容基本同速度特性试验

7. 试验步骤及内容

实验步骤

1. 检查发动机安装是否正确，安全，可靠。打开燃油开关，冷却水阀门以及各个测试系统开关。启动发动机，检查运转有无明显不稳定的现象。无问题时则进行发动机预热及实验前的其他准备工作。

2. 当发动机达到预热要求后，进行发动机速度特性及负荷特性试验。每条试验曲线适当选择8个以上的测量点。

1) 外特性试验。取油门全开位置，改变测功机转矩，试验点转速由低到高，依次选8个以上的测量点，注意不要超过柴油机的最高转速。记录发动机转矩，燃油消耗率，功率等参数随转速变化的规律。

转速应在怠速以上(取1000r/min)，以最大扭矩值左右（1600r/min）为中间点。因此取1000，1150，1300，1450，1600，1750，1900，2050，2200r/min这几个点进行测量。

2) 其他油门位置的部分速度特性试验。本次试验的油门开度定为x%，试验点转速由高到低，依次选8个以上的测量点，选取原则见上述，记录各项指标随转速变化的值。

此处x 取34.8，转速应在怠速以上(取1000r/min)，最大转速在2100r/min

左右，我们选择测量9个点，因此每隔130r/min取一个点，取1000，1130，1260，1390，1520，1650，1780，1910，2040这9个点进行测量。

3) 负荷特性试验：保持发动机转速不变进行试验。此次试验的负荷特性转速定为x （r/min），转速确定后保持转速不变，通过改变油门位置改变发动机负荷，逐点进行试验。负荷选择由最低扭矩值开始，依次升高，直至油门位置最大结束，记录各项参数随发动机负荷的变化规律。

此处x 取1500，

3. 其他转速点的负荷特特性实验与上述方法相同。

4. 试验时发动机水温、机油温度应尽量保持恒定，每个试验点应在保持稳定后，记录实验数据。

5. 试验过程中同步绘制主要性能的监督曲线，主要有扭矩、空燃比和比油耗。它们可直接反映试验是否正确，以决定实验是否补点或重复。

8. 试验数据整理及总结分析要求

8.1柴油机速度特性试验数据

从试验结果可以看出，在试验所测量的转速范围内，转矩随着转速的增加而下降。从柴油发动机的基本参数中可以了解到，这台柴油机在全负荷时的最大转矩在转速为1200-1600r/min时达到。因此，对于试验中柴油机的负荷率为30%的情况，柴油机的最大转矩转速距离1200-1600r/min这个转速范围并不会偏离很大，因此，试验中柴油机的最大转矩转速 1200r/min是完全有可能的，这样，在试验测定的转述范围内就会出现转矩随着转速的增加而下降的情况。

ge 在1200r/min左右时有最小值，之后随转速上升上翘幅度加大。理论上

b e ∝

1

ηit ηm

。其中ηit 线变化平坦，ηm 线随转速的增加迅速下降，所以be 速度特

性线随转速的上升其上翘度增加。

空燃比随转速的上升而几乎线性上升。这是因为，一方面该柴油机进气量随着转速的增加而增大，另一方面，柴油机在进行速度特性试验时，油量调节杆的位置保持不变，考虑到喷油泵进、回油孔节流以及燃油漏泄等因素的影响，该柴油机系统循环喷油量会产生一些变动，但变动范围远远小于进气量的变化范围。因此，空燃比随着转速的增加而变稀。

进气量随转速的上升而几乎线性上升。

充量系数整体上随转速的上升而下降。

8.2柴油机负荷特性试验数据

P e =2πnM e

由于转速n 不变，则P e 基本随M e 线性增加。

有效燃油消耗率（ge ）线在怠速时为无穷大（ηm =0），之后随负荷而急剧下

降，在中负荷区有较宽阔的平缓段，约接近80%~90%负荷率处获最低值，以后因燃烧恶化而上升。

空燃比A/F随着负荷的增加而逐渐降低，由于负荷增大时，喷油量要增加，进气量也增加，但是相对变化较小，所以空燃比下降。

进气量在小负荷时增长缓慢，在中高负荷时增加较快。

发动机负荷增加，则缸内的燃烧温度随之升高，排出的废气的温度自然升高，废气中所携带的能量也更多。该柴油机通过废气增压中冷的方式提高进气充量，进而提高发动机的功率，因此，进气量应随着负荷的增加而上升。

充量系数在小负荷时增长缓慢，几乎不变，维持在0.92左右，在中高负荷时增加较快，主要是由于中高负荷时涡轮增压作用增强，进气压力升高，进气充量增加。

CO 排放一般很低，只有在高负荷时才开始急剧增加。

CO2排放量基本上随负荷的增加线性增加，由于负荷增大时，喷油量要增加，生成的CO2也相应增加。

HC 量基本上随着负荷的加大而下降，主要由于在中小负荷时，由于在燃油喷雾边缘区域形成了过稀混合气以及缸内温度过低的原因，造成HC 排放略有上升。

O2排放量基本上随负荷的增加而降低，由于负荷增大时，喷油量要增加，需要的O2量也相应增加，排放的O2就相应减少。

NOx 的排放量随负荷的增加而上升，负荷小时，过量空气系数过大，是稀燃，燃烧温度下降，使NO 的生成速度减慢。

8.3实验结果分析讨论

1、油耗线法侧机械损失

油耗线法原理：发动机在转速不变时测定出整机耗油率随负荷的变化曲线，然后将此线外延到与横坐标相交的a 点，则图上a0之值就是所求机械损失值。a 点是发动机停机不耗油的全反拖点，0点是怠速点。适用范围：柴油机中低负荷。

当B=0时，Pe=-3.66kW，即机械损失为3.66kW

2、油门开度与负荷率的关系

在某一油门位置时的速度特性曲线上，对于相同转速，该曲线上点的数值（转矩）与外特性曲线上对应点数值之比，称为负荷率。

油门位置也是一个百分数，其描述的是当前油门位置与满油门位置的百分比。

由上面两个表我们可以知道油门开度与负荷率是不同的。

从概念上看，二者是不同的。就同一条部分负荷曲线，在不同转速下，对应的负荷率也是不同的，这说明，负荷与油门位置是不同的。

但是二者有是有着紧密联系的。对于相同的转速，油门越大，对应的特性曲

线越是靠上，即说明负荷越大。

3、分析负荷特性性能曲线呈鱼钩状的原因，并结合空燃比曲线讨论负荷加大受限制的原因；

有效燃油消耗率（be ）线在怠速时为无穷大（ηm =0），之后随负荷而急剧下

降，在中负荷区有较宽阔的平缓段，约接近80%~90%负荷率处获最低值，以后因燃烧恶化而上升。

be 线过标定功率点P en 后, 若继续增大油量，则随着燃烧的恶化，be 线继续

上升到P es 点时排烟将达到法规的限值，这就是“冒烟界限”点，再后燃烧更恶

化，be 持续上升，到P emax 点达此柴油机的极限功率值。若再增大油量，P e 反会下降，出现了折返，形成鱼钩状。

由空燃比的负荷特性曲线可知，负荷增加，空燃比下降，混合气加浓，直至到达“鱼钩段”，输出转矩不再增加，负荷加大受限制。

4、对比分析汽油机与柴油机负荷特性曲线的差异及原因，并对二者的经济性能特点进行分析；

1）汽油机有效燃油消耗率be 都比同负荷的柴油机高，这是两种机型的混合气形成、着火燃烧以及负荷调节方式的不同造成的。

2）中、低负荷处be 的差值明显比最低油耗点和标定功率处大，这是因为汽油机be 线过于陡尖，而柴油机有较宽的平坦段的缘故。

汽、柴油机b min 的差值约15%~30%，而综合使用油耗的差值可达25~45%，就

是由于汽车大多在中、低负荷下运行所致。

若单纯从燃油经济性出发进行汽车动力的选择，自然是柴油机优于汽油机，这是柴油机最明显的优势。无论汽、柴油机都希望尽可能提高负荷利用率，使其经常接近最经济的80%~90%负荷率处工作，这一点对汽油机尤为重要。

5、结合负荷特性进气量曲线，讨论增压与非增压柴油机在循环充气量方面的差异及原因；对比分析自然吸气与增压中冷柴油机的优缺点。

进气量在小负荷时增长缓慢，在中高负荷时增加较快。

充量系数在小负荷时增长缓慢，几乎不变，维持在0.92左右，在中高负荷时增加较快，主要是由于中高负荷时涡轮增压作用增强，进气压力升高，进气充量增加。

增压内燃机主要的利用废气能量的方式是废气涡轮增压系统。就是利用高压的废气驱动涡轮，增大进气压力，减小泵气损失，提高充气系数，从而提高了发动机性能。

对于增压柴油机，由于进气压力高，新鲜充量在正向压差的作用下流入气缸进行扫气，一部分还将流出气缸，进入排气管。增压发动机较大的气门叠开角，有利于扫除缸内的残余废气，增加进入气缸的新鲜充量。

增压后发动机的进气密度ρs 增加，若采用增压中冷，发动机的进气温度降低，ρs 更高。因为有扫气作用，发动机缸内残余废气系数降低，同时减少了对进气加热作用，使充量系数提高。

增压中冷柴油机与自然吸气相比，优点主要在于：增压和降低进气温度加大了进气充量，提高了输出功率，即提高了动力性能；增压使泵气损失减少，过量空气系数增大，提高了有效效率，即改善了经济性能；增压后，混合气变稀，有害HC 、CO 和烟尘排放减少，中冷技术使NOx 排放减少，从而改善了排放性能；还可以降低燃烧及排气噪声；此外进气温度降低也有利于扫气时期降低关键部件的热负荷。缺点有：增大热负荷与机械负荷；低速转矩特性与动态性能下降。