柴油发电机的台架试验机理、内容及测试方法

摘要：玉柴公司在本文中引荐了电喷柴油发电机的构成和数学模型，并在柴油发电机台架试验探讨的基础上对电喷柴油发电机不同工况下的性能指标进行测试。对比试验结果表明，改良电喷柴油发电机性能的方式，对电控柴油发电机的试验讨论能起到一定的促进作用。此外，为了保证试验结果的可信度并使之具有可比性，要求试验方式严格按照国家规定的有关柴油发电机台架试验标准进行。根据试验目的和内容，制订详细的试验大纲，明确试验因素，确定试验工况、测定参数及试验方式等要求。

ζ ζ ζ 电控柴油发电机装置性能的具体衡量标准是柴油发电机的动态特征，取决于电控系统的控制规律、控制参数、控制装置与柴油发电机的匹配。传统柴油发电机试验台架无法满足对一些电喷数据的测试要求，通过建立电控柴油发电机台架可以对装置控制界面进行反复调试，对系统各具体控制参数进行优化。在自主布置的电喷柴油发电机的试验台架上进行试验开发设计，可以评估柴油发电机的性能参数，得到较为系统的试验总结理论。柴油发电机电喷装置具体由探头、电喷器和执行器3部分构成。传感器的功用是检测柴油发电机及发电机组运行时的各种信息，如进气与环境压力、防冻液、机油与燃油温度、进气流量、喷油器油量调节装置的位移、主轴转角信号与柴油发电机转速等，目标设定则包括柴油发电机转速与负荷等。在排查上述各种信号送入ECM以后，还要经过A/D转换，转变成计算机可以接受的数字信号。

ζ ζ ζ 柴油发电机电控机构模型包括监控系统模型、齿杆位移执行器模型、齿杆位置探头模型、油门位置探头模型和柴油发电机速度探头模型。设备外观如图1所示，构造框架如图2所示。

ζ ζ ζ 柴油原理论速度nc与油门位置Th的关系为：

ζ ζ ζ 式中，nR为柴油发电机较高怠速速度；nL柴油发电机较低怠速速度。

ζ ζ ζ 式中，nc为柴油原理论转速；n为柴油发电机实际速度；Kr为调速率。

ζ ζ ζ 电喷柴油发电机温度与压力传感器共同对进气造成影响，尽管有燃烧室对进气加热的要素，但考虑到存在一定的扫气流程对气缸壁的冷却作用，并且进气步骤进行较快，因此，气缸内每循环进气量可用以下方法求得，即压缩始点气体状态方程为：

ζ ζ ζ 式中，P?为进气阀关闭时汽缸内压力；V?为进气阀关闭时气缸内容积；Pk为进气压力；Tk为进气温度；Vs为作业容积；m为空气质量；Vc为余隙容积；R为空气气体常数。

ζ ζ ζ 因为柴油发电机的汽缸是互相间隔布置的，主轴转两圈后，汽缸又开始新的作业循环。间隔角度均匀分布时，计算式为：

ζ ζ ζ ζ式中：θ为主轴转角；N为柴油发电机气缸数。在四缸柴油发电机中，利用主轴速度传感器在两次发火间隔所用扫描时间内的平均曲轴转数即可求出转速。

ζ ζ ζ 执行器是电子调速器中齿杆位移执行器或共轨喷油嘴中的电磁阀，电磁执行器实质上是螺线管型直流线性比例电磁铁，执行器将操作界面传来的电信号切换成与输入信号成比例输出轴位移，执行器起着累加的功用。

ζ ζ ζ 式中，I（s）为操作系统传来的电信号I（t）的拉氏变换；L（s）为齿条位移L（t）的拉氏变换；K为增益；T为执行器的时间常数；s为传递因子。

ζ ζ ζ 因为同样的柴油发电机在相同的工况下，测量环境因素不一样，所测得的结果有所差异。于是，为了具有统一的比较基准，规定标准大气状态，并对试验所测得的数据根据当时试验环境状态，按国家有关标准规定的要求进行大气调校。国家有关标准规定柴油发电机台架试验的标准大气状态是：大气压力p0＝99kPa，环境温度t0＝25℃（T0＝298K），相对湿度中Ф0＝30％。当实际试验要素与标准状态不同时，需要按以下的要求进行调校。

ζ ζ ζ 在实际试验条件下，当实测的柴油发电机输出容量为Pe时，校正到标准环境要素下的有效功率Pe0为：

ζ ζ ζ 其中，点燃式柴油发电机的大气校正系数α。可按式（公式7）计算，即

ζ ζ ζ 其中ζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζζ

ζ ζ ζ 式中，T为试验现场的进气温度（K）；Pe0为试验现场的干空气压（kPa）；Ps为试验现场的总气压（kPa）；Ф为试验现场大气的相对湿度；Psw为大气条件下的水蒸气饱和分压（kPa）；t为大气温度（℃）。

ζ ζ ζ 压燃式柴油发电机的大气调校系数αd，可按式（公式2）计算，即：

ζ ζ ζ 式中，fa为大气因子；fm为柴油发电机因子。ζ

ζ ζ ζ 对自然吸气或机械增压压燃式柴油发电机：

ζ ζ ζ 当qc/πb＝40～65mg/（L·循环）范围时，柴油发电机因子fm可按式（公式5）计算，即：

ζ ζ ζ 式中，πb为增压比；qc为单位排量的循环喷射量［mg/（L·循环）］；n为柴油发电机速度；Vs为柴油发电机排量（L）。

ζ ζ ζ 当qc/πb＜40mg/（L循环）时，取fm＝0.3；如果qc/πb＞65mg/（L·循环），则取fm=1.2。

ζ ζ ζ 通常，对柴油机的燃油消耗率不进行大气调校。而对压燃式柴油发电机，按式（公式7）全负载速度特征的燃油消耗率进行调校，即

ζ ζ ζ 式中，be为实际试验因素（p，T）下测得的柴油发电机燃油消耗率；be0为标准大气状态下的调校燃油消耗率。随着试验要素的不断改进，试验状态可控的全封闭式空调试验室得到广泛应用，由此可省去上述烦琐的大气校正问题。

ζ ζ ζ 本试验基于玉柴公司生产的QSB6.7-G31系列原型柴油发电机，探求步骤侧重于电喷柴油发电机台架试验结果的数据简述得出具体的性能参数指标。试验用CW440B-1500/6500测功机由凯迈发电机制造公司生产，其主要技术说明是装置转矩检测精度优于满量程±0.4%；速度测量误差不大于±5%。

ζ ζ ζ 柴油发电机台架由柴油柴油发电机、测功机、机油恒温系统、增压中冷机构、防冻液恒温系统、燃油恒温机构、油耗仪、数据采集箱、控制柜系统和联机电脑等组成。试验台架三维立体图如图3所示，机构硬件组成原理如图4所示。

（1）试验前，对柴油发电机进行预热处理，稳定柴油发电机的各项数据后，通过柴油发电机容量特性确定试验转速A（柴油发电机怠速工况）=700 转/分钟；B（正常工况）=1500 转/分钟。

（2）试验中，使柴油发电机速度稳定在上述2种转速范围内，且速度分别保持在（700±30）转/分钟，（1500±30）转/分钟，稳定期间保持在（120±20）s范围内，在前一工况下完成试验后，再进行后一工况下的试验。

（3）柴油发电机在完成某一工况后，控制油门并保持匀速上升，测功机均速增加负载；柴油发电机在恒定速度和油门开度时，分别测试功率、排气背压、油耗量和排气温度的试验数据；柴油发电机转速为700～1500 转/分钟，分别以100 转/分钟为区间，记录转速随油门开度和容量随油门开度变化的数据。

ζ ζ ζ 由图5可见，转速在700 转/分钟怠速工况下，开始一段时间，容量随时间呈现不稳定的波动延迟；经过40s后，功率稳定在130～140 kW，随后产生继续上升的趋势。经过怠速工况进入正常工况后，转速在1500 转/分钟左右，开始50 s，功率随时间波动的幅度不大，此后容量开始大幅度增加，逐渐进入加载工况，如图6所示。

图5ζ 每分钟700速度下柴油发电机功率输出曲线ζ 每分钟1500转速下柴油发电机功率输出曲线图

ζ ζ ζ 由图7可见，速度在700 转/分钟怠速工况下，开始一段时间排气背压随时间变化在0.5～1.2 kPa范围内波动剧烈，后半时期出现持续曲线范围内波动，说明在怠速工况下排烟背压可能受到油门开度、容量、负载等多种因素的作用。由图8可见，经过怠速工况进入正常工况后，开始的50s内柴油发电机排气背压在1.1～2.0 kPa范围波动变化仍然较明显。ζ

ζ ζ ζ 由图9可见，转速在700 转/分钟怠速工况下，开始的一段时间，燃油消耗率较多为260～350g/（kW.h）；经过30s后燃油消耗率稳定在250～270 g/（kW.h）范围内；在最后40 s，燃油消耗率发生下降趋势后，维持在230～250 g/（kW.h）范围内。由图10可见，在怠速工况进入正常工况后，速度在1500 转/分钟左右，开始的40 s燃油消耗率随时间变化的幅度较大，数值在240～280g/（kW.h）范围内频繁波动；后一段时间油耗量产生了下降趋势，燃油消耗率保持在220～230g/（kW.h）范围。

图9ζ 每分钟700速度下柴油发电机燃油消耗率曲线ζ 每分钟1500转速下柴油发电机燃油消耗率曲线图

ζ ζ ζ 由图11可见，速度在700 转/分钟怠速工况下，柴油发电机的排烟温度在一段时间内产生加载上升的趋势，由253℃延长至270℃左右，此段时间排烟温度曲线可见，在怠速工况进入正常工况后，转速保持在1500 转/分钟左右，开始的60 s，柴油发电机的排气温度上升更加剧烈，由385℃急速延迟至415℃左右，此后，排烟温度上升速度变缓，排烟温度数值维持在425℃范围内波动。

图11ζ 每分钟700转速下柴油发电机排气温度曲线ζ 每分钟1500速度下柴油发电机排烟温度曲线图

ζ ζ ζ 通过对以上性能参数的优化，可以改进柴油发电机装置性能，满足更高的柴油发电机测试要求柴油发电机价格表。----------------