发动机机械效率测量及倒拖试验系统

1.一种发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：包括有计算机(1)、交流变频调速电机(3)、变频调速器(4)、智能联轴器(5)、转矩/转速/功率测量仪(6)、冷却水温度和机油温度监测仪(7)、发动机燃油切断器(8)、制动器/测功器(9)、制动/测功控制仪(10)、联轴器(11)和电源控制柜(12)；所说的交流变频调速电机(3)通过导线与变频调速器(4)电气连接，而变频调速器(4)通过接口及导线与计算机(1)通讯连接；所说的制动器/测功器(9)通过导线与制动/测功控制仪(10)电气连接，而制动/测功控制仪(10)通过接口和导线与计算机(1)通讯连接；所说的智能联轴器(5)通过导线与转矩/转速/功率测量仪(6)电气连接，而转矩/转速/功率测量仪(6)通过接口和导线与计算机(1)通讯连接；所说的发动机燃油切断器(8)通过接口和导线与计算机(1)通讯连接；所说的冷却水温度和机油温度监测仪(7)通过接口和导线与计算机(1)通讯连接；所说的交流变频调速电机(3)通过联轴器(11)与制动器/测功器(9)两者间呈轴连结，而所说的制动器/测功器(9)与智能联轴器(5)两者间呈轴连结；而所说的电源控制柜(12)则由导线分别与计算机(1)、交流变频调速电机(3)、变频调速器(4)、智能联轴器(5)、转矩/转速/功率测量仪(6)、冷却水温度和机油温度监测仪(7)、发动机燃油切断器(8)、制动器/测功器(9)、制动/测功控制仪(10)呈电气连接。
2.根据权利要求1所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：转矩/转速/功率测量仪(6)、冷却水温度和机油温度监测仪(7)、发动机燃油切断器(8)和制动/测功控制仪(10)构成集成化装置，其功能由计算机(1)和相应的传感器和执行器来完成，计算机(1)的应用软件包括数据采集、工况控制和数据处理的内容；制动器/测功器(9)为制动器。
3.如权利要求1或2所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：所说的交流变频调速电机(1)是普通异步电机、或是交流变频调速异步电机、或是交流主轴电机、或是交流同步电机、或是无换向器电机。
4.如权利要求1或2所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：所说的变频调速器(4)是通用变频调速器、或是无换向电机变频调速器。
5.如权利要求1或2所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：所说的联轴器(11)是挠性联轴器、或是弹性联轴器、或是万向联轴器。
6.如权利要求1或2所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：它还具有冷却水和机油辅助加热器(16)，且所说的冷却水和机油辅助加热器(16)通过导线与电源控制柜(12)电气连接，且通过接口和导线与计算机(1)电讯连接。
7.如权利要求1所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：所说的制动器/测功器(9)是磁粉制动/测功器、或是电涡流制动/测功器、或是水力制动/测功器，而所说的制动/测功控制仪(10)则为分别与磁粉制动/测功器、电涡流制动/测功器、水力制动/测功器相应对的制动/测功控制仪。
8.如权利要求1所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于，所说的转矩/转速/功率测量仪(6)的转矩/转速传感器均系非接触式传感器，而其转矩传感器是旋转耦合应变式传感器、或是磁致伸缩式传感器、或是相位差式传感器，而其转速传感器是磁电式传感器、或是光电式传感器。
9.如权利要求1所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：所说的发动机燃油切断器(8)是由牵引电磁铁，且由电磁铁拉动发动机调速器停车手柄所组成，或是串联在发动机喷油泵与高压喷油管之间的电磁阀所组成。
10.如权利要求1所述的发动机机械效率测量及倒拖试验系统，其特征在于：所说的冷却水温度和机油温度监测仪(7)是热敏电阻式温度监测仪，或是半导体感温传感式温度监测仪。

发动机机械效率测量及倒拖试验系统\n技术领域\n本发明属于发动机测试技术，特别涉及一种发动机机械效率测量及倒拖试验技术，具体涉及一种机电一体化的交流变频调速传动的发动机机械效率测量及倒拖试验系统。\n采用通过扭矩仪加上电动机倒拖，也可以用于上述测量试验，目前有两种方案：一是直流电机调速传动方案。例如北京理工大学采用7.5kW/110V直流电机、TDGC-3/0.5型调压器和TR-5转矩转速传感器及配套显示仪表，用于FG-1型风冷柴油机摩擦、磨损试验等。其优点是直流调速性能好，精度和快速性都能满足要求，缺点是直流电机的电刷和换向器为易损件结构，限制了它的使用环境，特别是限制了最高转速和容量的提高。如20kW以上的直流电机，最高转速低于3600r/min，并且需要经常维护和检修。二是交流转差率调速传动方案。它以低同步串级调速或电磁离合器调速为主要形式。如上海内燃机厂的可控硅电力测功机，采用绕线异步电机摇摆式结构；南通常通公司为我公司装配车间设计的倒拖装置，采用Y180L-4异步电机和YCT250-4B电磁离合器(调速范围1320-132r/min)。其优点是价格便宜，缺点是调速范围狭窄，最高转速小于3000r/min，调速精度不高，不能快速响应，只能用于要求不高的小功率发动机的启动、摩合场合。\n人们已经熟知，发动机机械效率的测量关键在于如何测量发动机机械损失功率，而我们已知计算发动机机械效率的公式是：η＝{Ne/(Ne+Nm)}×100％，其中：Ne为发动机有效功率，Nm为发动机机械损失功率。发动机有效功率Ne，就是我们通常用测功机测到的发动机的功率。这是大家都熟悉的。所以发动机机械效率的测量，归根到底是一个如何测量发动机机械损失功率Nm的问题。而人们已经掌握的测量发动机机械损失功率有几种方法，本发明选择了倒拖法。本发明主要的创新部分在于发动机倒拖装置那一部分。而研究发动机倒拖试验的重要意义在于：一是降低磨擦损失是个世界性研究课题。目前，各国都在致力于节能和环保研究，降低磨擦损失成为内燃机行业重要的研究工作内容之一。文献表明，汽油机磨擦损失每降低10％，经济性可改善3-5％，动力性也相应提高。柴油机也近如此。发动机倒拖试验是研究发动机磨擦损失最好的方法。二是发动机的实际工作过程相当复杂，影响的因素十分多，至今尚有一系列问题有待于进一步研究和探讨。实践表明，采用倒拖的方法研究发动机的工作过程，可以将喷油和燃烧两大复杂因素排除在外，从而突出其它因素的影响，使得工作过程简化而易于研究。其成果反过来对发动机实际工作过程的研究十分有帮助。\n有鉴于上述理性认识，本发明实现其目的总体技术构思，主要包括以下几个方面的内容：①将发动机有效功率测量装置与机械损失功率测量装置组合为一整体；②有一个着火工况转为倒拖工况的切换装置；③用倒拖法和温度测控，模拟同转速、同温度参数下的发动机着火工况的实际机械损失；④有一个能实现大功率拖动和超同步转速下运行的变频调速传动系统，从而达到模拟发动机超过3000r/min以上运行的目的；⑤有一个冷却水和机油辅助加热器和冷却水温度和机油温度监测仪，保证测取有效功率和机械损失功率的温度参数差别在±1℃范围内：⑥有一个保证各部分协调动作，准确快速的计算机测控装置。\n本发明实现其目的采取的技术方案之一，请参阅附图1。它包括计算机1、交流变频调速电机3、变频调速器4、智能联轴器5、转矩/转速/功率测量仪6、冷却水温度和机油温度监测仪7、发动机燃油切断器8、制动器/测功器9、制动/测功控制仪10、联轴器11和电源控制器12。而所说的交流变频调速电机3通过导线与变频调速器4呈电气连接，而变频调速器4通过接口和导线与计算机1通讯连接。所说的制动器/测功器9通过导线与制动/测功控制仪10电气连接；制动/测功控制仪10通过接口和导线与计算机1通讯连接。所说的智能联轴器5通过导线与转矩/转速/功率测量仪6电气连接，转矩/转速/功率测量仪6通过接口和导线与计算机1通讯连接。所说的发动机燃油切断器8通过接口和导线与计算机1通讯连接，所说的冷却水温度和机油温度监测仪7通过接口和导线与计算机1通讯连接，所说的交流变频调速电机3通过联轴器11与制动器/测功器9两者间呈轴连结，而所说的制动器/测功器9与智能联轴器5两者间呈轴连结，而所说的电源控制柜12则通过其导线分别与计算机1、交流变频调速电机3、变频调速器4、智能联轴器5、转矩/转速/功率测量仪6、冷却水温度和机油温度监测仪7、发动机燃油切断器8、制动器/测功器9、制动/测功控制仪10呈电气连接。\n在本发明总体技术构思下实现其目的的另一个技术方案是：所说的转矩/转速/功率测量仪6、冷却水温度和机油温度监测仪7、发动机燃油切断器8、制动/测功控制仪10等装置可以集成化，其功能由计算机1和相应的传感器和执行器来完成，请参阅附图2。它包括有计算机1、交流变频调速电机3、变频调速器4、智能联轴器5、制动器9、联轴器11、电源控制柜12等所组成，而所说的交流变频调速电机3由导线与变频调速器4电气连接，而变频调速器4通过接口和导线与计算机1通讯连接，制动器9通过接口和导线与计算机1电讯连接，智能联轴器5通过接口和导线与计算机1电讯连接，电源控制柜12则分别通过导线与计算机1、交流变频调速电机3、变频调速器4、智能联轴器5、制动器9等电气连接。\n本发明所采用的倒拖交流变频调速电机3为交流电机，调速传动为交流变频调速传动。根据调速范围，调速精度和响应速度等综合技术指标，其交流变频调速电机3可分别选用50HZ或60HZ标准普通异步电动机，或交流变频调速异步电动机，或交流主轴电动机，或交流同步电动机，或无换向器电机。\n而计算机1除采用PC机外，也可以采用虚拟仪器或单板计算机。本发明优选的是386及其以上的计算机。\n而变频调速器4采用通用变频调速器。同时，根据不同的控制精度，也可以分别选用带闭环速度控制的u/f变频器，或具有转矩控制功能的u/f变频器，或带速度传感器的矢量控制变频器，或不带速度传感器的矢量控制变频器。若选用无换向器电机，则应选用配套的无换向器电机变频调速器。为了提高变频调速器的抗干扰和降低变频调速器本身产生的干扰。可视实情增加进线滤波器或电抗器，或者输出滤波器和电抗器。而变频调速器都要匹配制动单元，以增加快速响应。\n而传动联轴器11最好采用挠性联轴器，其次是弹性联轴器或万向联轴器，以保证只传递扭矩，而不产生附加弯矩。\n而转矩/转速/功率测量仪6的转矩转速传感器均采用非接触式传感器，以便提高测量精度，提高可靠性和寿命。其中转矩传感器可选用旋转耦合应变式传感器，或磁致伸缩式或相位差式传感器；转速传感器则可选用磁电式或光电式传感器。\n而发动机燃油切断器8用于多缸机的是一个由电子开关、牵引电磁铁和电源组成的电路，牵引电磁铁拉动发动机调速器的停车手柄，控制燃油的通断。而用于单缸机的是一个由电子开关、电磁阀和电源组成的电路。由电磁阀串接在发动机的喷油泵与高压喷油管之间，控制燃油的通断。\n而制动/测功器9和制动/测功控制仪10，为磁粉制动器或电涡流测功器或水力测功器及其应对的制动测功控制仪。其中磁粉制动器结构简单、安装和使用方便，维修简易，寿命长，与其它制动器相比，还具有以下特点：①响应速度快。通电瞬间即产生制动扭矩，且扭矩增大也很快。②断开性能好。激磁电流断开时，剩余力矩非常小。③转矩与激磁电流基本成线性关系，力矩控制容易。④定转矩特性为转矩在允许范围内，仅取决于激磁电流的大小，而与转速无关。为了扩大磁粉制动器转速范围，可配一个齿轮变速箱。\n而冷却水温度和机油温度监测仪7均由热敏电阻或半导体感温传感器和数显表组成。之所以要进行发动机上述温度状态监控，是为了使拖动运转状况尽可能地接近着火运转状况。因为所说的温度对摩擦功测量结果影响甚大，通常测取有效功率时的温度，和测取机械损失功率时的温度，两者之差控制在±1℃范围之内。\n本发明还配装有冷却水和机油辅助加热器16，而所说的冷却水和机油辅助加热器16通过导线与电源控制柜12电气连接，且通过接口和导线与计算机1电讯连接。以备在环境温度较低的状态下使用。\n本发明是一个机电一体化产品。各部分具体关联是：被测发动机13，通过带测量功能的智能联轴器5与制动器/测功器9连接，从计算机1上设定工况，通过接口和导线向制动器/测功控制仪10下达指令，使发动机13运行在该工况下。起初，计算机1下达预热指令，当发动机13充分预热之后，再进入某个设定工况下运行，在冷却水温度和机油温度都稳定后，方可进入测试阶段。带测量功能的智能联轴器5中的传感器，将检测到的转矩和转速信号经导线传递给转矩/转速/功率测量仪6，从而测量出某工况下发动机的有效功率Ne，与此同时，由冷却水和机油温度监测仪7记录该工况下与Ne相关的温度参数，并通过导线和接口传送给计算机1。计算机1通过接口和导线分别向发动机燃油切断器8和变频调速器4下达指令，将发动机着火运行切换为倒拖运行。一个配装高速轴承经特殊加固和高速动平衡处理过的交流变频调速电机3通过联轴器11与制动/测功控制仪9轴连接，进而与带测量功能的智能联轴器5和发动机13轴连接，构成一个倒拖系统。在一个能使交流变频调速电机3具有30kW以上的拖动功率、并能运行在超同步转速下(大于4000r/min)的通用变频调速器4的作用下，迅速倒拖发动机13，使它也稳定运行在上述设定的同样转速下。在环境温度较低的情况下，可启动冷却水和机油辅助加热器16，以维持冷却水和机油温度与测量有效功率状态时的温度相一致。同样通过带测量功能的智能联轴器5与转矩/转速/功率测量仪6测量出该转速下的发动机机械损失功率Nm及其相关的由冷却水温度和机油温度监测仪7纪录的温度参数，并经过同样路径传送给计算机1。由计算机1依据公式计算出发动机该工况下的机械效率η。之后，将计算结果(试验数据)存盘或在显示屏上显示，或通过外设2进行打印、绘图等。整个系统由电源控制柜12提供电源。系统的快速响应表现在整个切换和测量过程，必须保证在冷却水温度和机油温度监测仪7的监测下进行，且温度变化范围，控制在±1℃之内。\n对于一个工况点的测试，如果认为试验数据可信，不需重做，则让计算机1下达停机结束的指令。对于重做或多工况点的测试，只需重复上述循环。\n本发明的工作过程，以标定工况为例说明如下：首先进入人工准备阶段，将被测发动机13通过其输出轴与智能联轴器5实行轴连结，并将冷却水温度和机油温度监测仪7的温度传感器通过导线分别置设在冷却水出口处和机油的油底壳处，将发动机燃油切断器8通过导线与发动机燃油切断装置相连接。并让被测发动机13预热。然后进入计算机测试阶段，输入标定工况，且自动调节制动/测功控制仪10和被测发动机13的油门，使发动机稳定于标定工况下，由制动器/测功器9吸收功率。让冷却水温度和机油温度稳定之后，由转矩/转速/功率测量仪6测得发动机标定转速、标定输出转矩和有效功率Ne，并记下此时冷却水温度和机油温度；然后迅速启动燃油切断器8，切断被测发动机燃油通道，则被测发动机和制动器/测功器10均停止工作。同时迅速开启电源，而由交流变频调速电机3、变频调速器4和联轴器11所组成的变频电机调速传动装置，倒拖被测发动机13运转于上述标定转速下，并由转矩/转速/功率测量仪6测得机械损失功率Nm。这一过程控制在冷却水和机油温度变化±1℃的范围内。以上操作和测量均由计算机1按编制的应用程序软件自动完成。通过计算可求得发动机机械效率为：η＝{Ne/(Ne+Nm)}×100％。上述算式中：Ne为发动机有效功率，Nm为发动机机械损失功率。\n以上所有测量信息，全部汇总至计算机1，计算机1通过其应用软件作记录、分析和汇总计算，再通过计算机外设2(打字机)打成纸件。当然，本发明也可以不设计算机外设2，而直接从计算机1的荧屏上读出测量数据，且用笔和纸记录下来，并进行计算。\n综上所述，本发明与已有技术相比，具有以下特点和积极效果：(1)拖动功率大(＞30kW)，调速范围宽(300-4000r/min)，调速精度高(±0.5％F.S)，响应速度快。(2)可分别采用水力或电涡流或磁粉等多种制动器或测功机，既可测有效功率，又可测机械损失功率和机械效率。(3)采用带测量功能的联轴器，实现桥路电源和信号的非接触传递。具有精度高频响快高可靠性寿命长易于安装轴向连接距离最短不需要反复调零等优点。(4)通过冷却水和机油温度测控，保证了有效功率和机械损失功率的测量，不仅转速相同，而且着火工况和倒拖工况的外界温度参数也相同。这样用倒拖法测量的机械损失功率，同着火工况下实际的机械损失功率就非常接近。(5)有效功率和机械损失功率的测量，都是采用同一个带测量功能的联轴器和转矩/转速/功率测量仪，消除了现有技术中采用两种测量仪器测量所带来的误差。(6)整个系统由计算机统一指挥协调，实现了工况调节、数据采集处理、着火与倒拖切换的自动化，保证了快速响应这一指标的实现。(7)系统的性能价格比高，易于制造和安装。(8)本发明由于其测量精度高、再现性又很好，所以它是发动机行业研制、开发、改进产品的重要手段之一，其用途广泛。其主要用途至少有以下几个方面：一是用以测量发动机的机械损失，求得发动机的机械效率。二是用以与燃烧分析仪联用，制作发动机倒拖示功图、压力增长率图、压力概率密度分布图等，以便进行热力分析。三是用拆件法，可测量发动机各附件的机械损失功率。四是用以发动机的摩合，磨损试验。五是用以发动机润滑油品质及减摩剂性能试验。六是用以检视活塞、活塞环和轴承等故障。七是通过实验，用以求得发动机启动电机应具有的功率。八是用以测量齿轮箱等各种动力传动机械的转矩、转速及功率等。九是倒拖试验不限于转速改变时的研究，而且可用于诸如压缩比、涡流等对内燃机强化和主要性能指标的影响，以及对局部瞬态传热的影响等深层次的研究。\n图2为本发明另一种组合形式的框图。\n图3为本发明的第三种组合形式的框图。\n图4为本发明的第四种组合形式的框图。\n图5为本发明的第五种组合形式的框图。\n图6为本发明的第六种组合形式的框图。\n本发明实施例之二是，请参阅附图2。制动器9采用浙大奕科公司生产的31N型水力制动器及与其配套的水门执行器。冷却水温度和机油温度的测量，采用Pt100传感器。发动机燃油的切断，采用DJT24-1030停机电磁铁。发动机油门的控制，采用浙江大学奕科公司生产的TDTM型油门执行器。而计算机1的应用软件应包括数据采集、工况控制和数据处理等内容。其它均如同实施例之一。\n本发明实施其技术方案所达到的技术指标体系，至少有两个方案可供选择，一是用于25kW以下单缸机的A方案，二是用于100kW以下多缸机的B方案。其主要技术指标内容分别如下：技术指标             A方案              B方案倒拖功率             7.5/11kW           45kW转速范围             300～3000r/min     400～4000r/min稳速精度             ±0.5％F.S         ±0.5％F.S测速精度             ±1r/min           ±1r/min转矩范围             0～100Nm            0～500Nm测矩精度             ±0.5％F.S         ±0.5％F.S测温范围             0～150℃            0～150℃测温精度             ±1℃               ±1℃扭矩传感器选用       200Nm               500Nm本发明在其技术方案的实施中，可根据以上所列的技术指标，选用相关的各种仪器仪表和设备，以保证本发明达到其技术指标。\n实现本发明目的之技术方案，除了以上所给出的两种最佳技术方案外，它至少还有4种，请参读附图3、4、5、6。\n图3至图6所示标号的对应名称是：1为计算机，2为计算机外设，3为交流变频调速电机，4为变频调速器，5为转矩/转速传感器(智能联轴器)，6为转矩/转速/功率测量仪，7为冷却水温度和机油温度监测仪，8为发动机燃油切断器，9为制动/测功器，10为制动/测功控制仪，11为联轴器，12为电源控制柜，13为被测发动机，14为扭力、转速、功率测仪，15为摆式平衡结构的交流变频调速电机，16为冷却水和机油辅助加热器。