内燃机标定功率和燃油消耗率的测定及其修正

杨安杰，杨建伟，朱国营

(1.河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191；2.河南省机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450002)

功率是内燃机的动力性指标，燃油消耗率则是其经济性指标，两者是衡量内燃机设计制造水平的关键性指标.尤其是在标定功率的测定中，其标定工况调整的准确性直接影响内燃机噪声、排放污染物等指标测量的准确性，所以GB 9486—1988《柴油机稳态排气烟度及测定方法》[1]、GB 14097—1999《中小功率柴油机噪声限值》[2]、GB 3847—2005 《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》[3]、GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》[4]、GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》[5]都对测定时的大气环境状况提出了要求.本研究运用GB/T 21404—2008《内燃机 发动机功率的确定和测量方法 一般要求》[6]和GB/T 6072.1—2008《往复式内燃机 性能 第1部分：功率、燃料消耗和机油消耗的标定及试验方法 通用发动机的附加要求》[7]标准，进行了有关内燃机功率和燃油消耗率检测时大气环境状况修正方面的探讨.

1 标定功率和标定工况燃油消耗率的测试方法

标定功率是指在标准环境状况下制造厂根据发动机的用途和特点在标定转速下所规定的有效功率，根据不同用途，标定功率有时也被称为“额定功率”，也叫ISO功率，这个值在发动机的铭牌上均给予标明.根据GB/T 1147.2—2007《中小功率内燃机 第2部分：试验方法》[8]和全国工业产品生产许可证办公室颁发的《内燃机产品生产许可证换(发)证实施细则》，标定功率的测定是把油量控制机构置于油量最大位置时发动机在标定转速下发出的最大有效功率.标定工况燃油消耗率的测试是根据发动机在标定工况下运转时测得的燃油消耗量计算得出的.标定功率和标定工况燃油消耗率的测试均要在内燃机试验台架上完成.

2 内燃机标定功率和燃油消耗率修正的原因

内燃机的机械能是由燃料和空气在气缸内混合燃烧产生的热能转化而来的，内燃机的有效功率与气缸内燃烧形成的平均有效压力成正比，而平均有效压力pe由下式计算：

pe=ηe/α×Hu/lo×ηv×rs[9]，

(1)

式(1)中，ηe为有效热效率，α是过量空气系数，Hu指所用燃料的低热值，lo指完全燃烧1 kg燃料所需的理论空气量，ηv是充气效率，rs指进气管状态下的空气密度.由式(1)可知，在保持α不变的情况下，燃料特性一定时气缸内的平均有效压力只和充气效率ηv及进气管状态下的空气密度rs有关，而充气效率及进气管状态下的空气密度对已定的发动机来讲，只受大气状态的影响.进入气缸的空气密度小，则平均有效压力小，即有效功率小.环境温度高、大气压力低，则空气密度小.因此，季节和地区的不同会造成大气状态的不断变化，在油量控制机构固定在同一位置时发动机所发出的功率也会不同.所以评价发动机的性能，规定标准的环境状况和统一的修正方法是十分必要的.

3 标定功率和燃油消耗率的修正方法

内燃机在非标准环境状况下运转，其有效功率及燃油消耗率应修正到标准环境状况以便进行比对[10]，或由标准环境状况的功率值修正到现场环境状况下进行运转以进行性能检测，可用等油量修正法和可调油量修正法.

3.1 等油量修正法

3.1.1 功率换算

功率修正的公式对于汽油机

Pr=αa×Px，

(2)

对于柴油机

Pr=αc×Px，

(3)

式(2)和式(3)中，Px是现场环境状况下的有效功率，αa是汽油机功率调整系数，αc为柴油机功率调整系数，Pr指标准环境状况下的有效功率.

3.1.1.1 对于自然吸气和增压的汽油机的功率修正系数

αa=(99/ps)1.2(T/298)0.6，

(4)

式(4)仅当288 K≤T≤308 K，90 kPa≤ps≤110 kPa，0.96≤αa≤1.06时才适用.式(4)中，T是现场环境状况下的环境温度，ps是现场环境状况下的干空气压.

3.1.1.2 对于柴油机的功率修正系数

αc=(fa)fm，

(5)

其中，fa为大气系数，fm为柴油机特性指数，对于自然吸气柴油机和机械增压柴油机

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

(6)

对于不带增压中冷和带空/空中冷的涡轮增压柴油机

fa=(99/ps)0.7(T/298)1.2，

(7)

fm=0.036qc-1.14，

(8)

式中,qc为比排量循环柴油供给量.

qc=(Z×V)/(rr×VH×n)，

(9)

式中，Z是与发动机冲程数有关的参数，对四冲程发动机Z=120 000，二冲程发动机Z=60 000；V为燃料消耗量(燃料流量)，g/s；rr是增压比(自然吸气柴油机rr=1)；VH是发动机总排量，L；n是发动机转速，r/min.需要注意的是，①公式(9)只有当37.2≤qc≤65时才适用，若qc<37.2，fm取恒定值0.2；若qc>65，fm取恒定值1.2 .②只有当0.96≤αc≤1.06，修正系数公式(5)才适用.

3.1.2 燃油消耗率的换算

燃油消耗率的换算公式为

br=βd×bx,

(10)

βd=1/αc,

(11)

式中，bx是现场环境状况下的燃油消耗率，br是标准环境状况下的燃油消耗率，βd为等油量燃油消耗率校正系数，αc是柴油机的功率修正系数.这里需要注意的是，式(10)仅适合于有调速器调节燃料供给量并使输出功率保持恒定的柴油机，汽油机不进行按等油量换算燃油消耗率.

3.2 可调油量修正法

3.2.1 功率换算

功率修正的公式为

Px=α×Pr,

(12)

式中，Px为现场环境状况下的有效功率，α是功率调整系数，Pr指标准环境状况下的有效功率其中，功率调整系数由式(13)得出：

α=k-0.7(1-k)(1/ηm-1),

(13)

式中，ηm为机械效率，由发动机制造厂规定，如未规定，则取ηm=0.8；k是指示功率比，由式(14)确定：

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

(14)

式中,ps是指现场环境状况下的干空气压，T是指现场环境状况下的环境温度，Tc是中冷器冷却介质进口温度；m,n,s是功率校正用指数，对于一般非涡轮增压汽油机，3个指数分别是0.86,0.65和0；对于一般非涡轮增压柴油机，3个指数分别是1,0.75和0.

3.2.2 燃油消耗率的换算

燃油消耗率的换算公式为

bx=β×br,

(15)

β=k/α,

(16)

式中，bx为现场环境状况下的燃油消耗率，br是标准环境状况下的燃油消耗率，β为燃油消耗率校正系数，k和α分别是前文的指示功率比和功率调整系数.

4 标定功率和燃油消耗率修正方法的实际运用

标准规定了等油量和可调油量两种修正方法，在实际运用时应根据不同情况、不同目的区别对待.抽检某台ZH1110型柴油机，铭牌标定功率为13.24 kW/2 200 rpm，厂方提供机械效率为0.80，试验现场环境状况为大气压99.3 kPa，温度30 ℃，相对湿度60%.

第一步，标定功率检查.预热后，按照标准将油量控制机构放在最大位置，调整测功机负荷，当发动机达到标定转速2 200 r/min时，实测最大功率为13.72 kW，并测出其名义标定工况(13.24 kW/2 200 rpm)时，燃油消耗量为3.076 kg/h(0.854 4 g/s).

按等油量法进行修正：

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

现场环境状况下的干空气压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，故标准环境状况下这台柴油机的标定功率Pr=αc×Px=1.013 6×13.72 kW=13.91 kW.

第二步，进行性能试验.试验前应按可调油量法算出该柴油机标准(名义)标定功率(13.24 kW)修正到试验环境状况下的功率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，名义标定功率修正到现场环境状况下的功率值Px=α×Pr=0.959 5×13.2 kW=12.67 kW.

算出该值后，将12.67 kW作为标定功率负荷调整供油量至标定转速，测出此时燃油消耗量为3.010 kg/h，燃油消耗率则为(3.010/12.67)×103g/(kW·h)=237.6 g/(kW·h)，燃油消耗率校正系数β=k/α=0.965 5/0.959 5=1.006 3，由此可以得出，标准环境状况下这台柴油机标定工况点的燃油消耗率br=bx/β=(237.6/1.006 3)g/(kW·h)=236.1 g/(kW·h).

5 结论

大气环境状况(温度、压力、湿度)的变化会影响发动机的动力性和经济性的发挥.温度升高、压力下降或湿度增加，都会导致有效功率变小、燃油消耗率升高，所以要求发动机制造企业在出厂检验时、政府职能部门在市场监督抽查检验时或一般的教学科研中都要注意大气状况对发动机性能的影响并对大气环境状况进行修正，以保证检验数据的科学性.

参考文献：

[1] 国家标准局.GB 9486—1988柴油机稳态排气烟度及测定方法[S].北京:机械工业出版社,1989.

[2] 国家质量技术监督局.GB 14097—1999中小功率柴油机噪声限值[S].北京:中国标准出版社,2000.

[3] 国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB 3847—2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法[S]. 北京:中国环境科学出版社,2005.

[4] 国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB 17691—2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)[S]. 北京:中国环境科学出版社,2005.

[5] 国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局.GB 18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)[S].北京:中国环境科学出版社,2005.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 21404—2008内燃机 发动机功率的确定和测量方法 一般要求[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 6072.1—2008往复式内燃机 性能 第1部分：功率、燃油消耗和机油消耗的标定及试验方法 通用发动机的附加要求[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 1147.2—2007中小功率内燃机 第2部分：试验方法[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[9] 董敬,庄志,常思勤.汽车拖拉机发动机[M]. 北京:机械工业出版社,2007：125-133.

[10] 史仁成,郭雪峰,李艳杰,等.柴油机功率与燃油消耗率修正方法的探讨[J]. 农机化研究,2007(4):162-163.