发动机万有特性

第七章发动机的特性汽车行驶时，由于车速与行驶阻力不断变化，则发动机的转速和负荷亦相应变化，以适应汽车的需要。随着转速和负荷的改变，发动机工作过程也会发生变化。因此，发动机在不同使用条件下具有不同的动力性与经济性。第一节发动机工况一、工况发动机的运行情况，简称工况。工况以功率Pe和转速n来表示，此功率、转速应该与发动机所带动的工作机械要求的功率、转速相适应。只有当发动机发出的扭矩与工作机械消耗的扭矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。二、发动机特性发动机性能指标随调整运转工况而变化的关系称为发动机特性。性能指标调整情况运转工况调整特性性能特性特性用曲线表示称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。三、发动机性能指标与工作过程的关系发动机输出的有效指标通常用平均有效压力pme、有效扭矩Ttq、有效功率Pe、有效燃油消耗率b、每小时耗油量B表示。这些指标与发动机工作过程参数的关系可以推导如下。式中ηv——充量系数；ρo——大气状态下空气密度（kg/m3）；Vs——气缸工作容积（m3）；α——过量空气系数；hu——燃料低热值（kJ/kg）；Lo——理论空气量（kg/kg）。ovsvLhvQ每循环放热量Q（kJ）为根据平均有效压力pme（kPa）的定义式中We——每循环有效功（kJ）；ηe——有效热效率。sesemevQvWpvmivmioooovemeKLhLhp式中ηit——指示热效率；ηm——机械效率。nKPmive1功率mivtqKT2扭矩（汽油机）mieKb13燃油消耗率nKBv4小时耗油量扭矩（柴油机）bKTmitq2第二节发动机台架试验一、试验台装置基本组成、装配关系、固定、支承二、制动测功装置—测功器1.水力测功器2.平衡式电力测功器3.电涡流测功器三、耗油率的测量1.容积法充油测量测量消耗容积v的燃油所用时间t燃油消耗量按下式计算式中V—球泡容积（mL）；Pe—发动机有效功率（kW）;ρf—燃油密度（g/mL）；t—消耗容积V的燃油所用时间（s）。tvBf6.31000eePBb小时耗油量耗油率2.质量法油箱供油充油测量燃油消耗量按下式计算式中t——消耗m（g）燃油所需时间（s）；Pe——消耗m（g）燃油时测量的有效功率（kW）；B——小时耗油量（kg/h）；be——有效燃油消耗率[g/（kW·h）]。tmB6.31000eePBb第二节发动机的速度特性发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的速度特性。若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，上坡时汽车速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性工作。一、汽油机的速度特性（1）速度特性：汽油机节气门开度固定不动，其有效功率Pe、扭矩Ttq、、燃油消耗率b、每小时消耗油量B等随转速n变化的关系。（2）测取：发动机台架试验。测取前，应将点火提前角及化油器调整完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。节气门全开时速度特性称为外特性。节气门部分打开时的速度特性称为部分负荷速度特性。由于节气门的开启可以无限变化，所以部分负荷速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只能有一条。（一）外特性曲线1．扭矩曲线变化趋势随着转速n的增加，扭距Ttq逐渐增大，出现最大扭距Ttqmax后逐渐下降，且下降程度越来越大。曲线呈上凸形状。根据公式可见，Ttq随n的变化取决于指示热效率ηi、机械效率ηm、充气效率ηv与过量空气系数α随n的变化。mivtqKT2（1）在节气门开度一定时，过量空气系数φat可视为常数。（2）充气效率ηv在某一中间转速时最大。因为一定的配气相位仅对一种转速最适合，此转速下能最好地利用气流惯性。其余转速时ηv均降低，曲线为上凸形。（3）指示热效率ηit转速低，进气流速低，紊流减弱，使雾化、混合状态较差，火焰传播速度降低，散热及漏气损失增加，ηit较低，转速高时，燃烧过程所占曲轴转角较大，燃烧在较大容积下进行，ηit也较低。但变化比较平坦，对Ttq影响较小。（4）机械效率ηm转速增加，消耗于机械损失功增加。因此，随转速升高，机械效率ηm明显下降。综合作用的结果是；当转速由低开始上升时，ηv，ηit同时增加的影响大于ηm下降的影响，使Ttq增加，对应于某一转速时，Ttq达到最大值。转速继续增加，由于ηv、ηit、ηm均下降，因此Ttq随转速升高而较快的下降，即Ttq曲线变化较陡。2．功率变化趋势Pe=Ttq·n/9550当转速由低逐渐升高时，由于Ttq、n同时增加Pe增加很快。在达到最大扭距转速ntq后，再提高转速，由于Ttq有所下降，使Pe上升缓慢。某一转速时Ttq·n达最大值。此后，再增加转速，由于扭距下降超过转速上升的影响，Pe反而下降。3．燃油消耗率变化趋势b=k3/ηitηmb在某一中间转速当ηitηm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于ηm上升弥补不了ηit的下降，使b增加。转速较此转速高时ηit、ηm均较低，b也增加。（二）部分负荷速度特性随着节气门的关小，节流损失增大，充气效率减小，使部分负荷速度特性的Pe、Ttq低于外特性值。且转速越高，充气效率减小的越多，因此，节气门开度越小，随转速增加，扭距、功率曲线下降得越快，并使最大扭矩及最大功率点向低速方向移动。当节气门开度的75%左右时，耗油率曲线位置最低。超过75%开度，混合气较浓，存在燃烧不完全现象，耗油率曲线位置较高，低于75%开度时，残余废气相对增多，燃烧速率下降，使ηit降低，耗油率曲线位置也高，且开度越小，耗油率曲线位置越高。二、柴油机速度特性速度特性：喷油泵油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标（主要是功率Pe、扭距Ttq、燃油消耗率b、每小时耗油量B）随转速n变化的关系。外特性：油量调节机构固定在标定循环供油量位置时速度特性称为柴油机标定功率速度特性。部分负荷速度特性：当油量调节机构固定在小于标定循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为柴油机。（一）外特性曲线变化趋势1．扭矩曲线变化趋势柴油机的扭矩曲线比汽油机平坦。柴油机扭矩曲线的变化趋势，很大程度上决定于每循环供油量随转速变化的情况。扭矩表达式可定性地写成由式可见，柴油机扭距随转速的变化趋势决定于ηit、ηm、△b随转速n变化的趋势。bKTmitq2（1）△b—随转速n的提高，每循环供油量△b增加。（2）ηv也是在某一中间转速n出现最高值。（3）ηi—指示热效率ηi某一中间n稍高ηi转速低空气涡流减弱，燃烧不良及散热漏气损失增加ηi转速高ηv、△b，使α，不完全燃烧严重燃烧占曲轴转角，燃烧容积2．功率曲线由于扭矩Ttq曲线变化平坦，在一定n范围内，功率Pe几乎与转速n成正比增加。3．燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高，ηi较高，曲线比汽油机的平坦，最低耗油率值比汽油机相应值低。当ηi、ηm达到最大值时，出现bmin值。（二）部分负荷速度特性随油量调节机构位置向减小供油量方向移动时，循环供油量减小，使部分负荷速度特性的Pe、Ttq值低于外特性。但随着负荷减小，循环供油量随转速的变化趋势基本不变，使部分负荷速度特性的变化趋势同外特性相似，所以柴油机的部分负荷速度性的Pe、Ttq曲线是随负荷的减小，大致平行下降。耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。当负荷为75%左右时，曲线位置最低。三、发动机扭矩特性要求发动机的扭矩随转速的降低而增加。如当汽车上坡时，若油量调节拉杆已达最大位置，但所发出的扭矩仍感不足，车速就要降低，此时需要发动机随车速降低而发出更大扭矩，以克服爬坡阻力。因此，为表明发动机的性能，引入扭距储备系数和转速储备系数的概念。%100maxtqtqtqTTTK1.扭距储备系数要充分表明发动机的动力性能，除给出标定功率及其相应的转速外，还要同时考虑发动机的扭矩特性，从而引入扭距储备系数μ和适应性系数K的概念。式中Ttqmax—外特性曲线上的最大扭矩（N·m）；Ttq—标定工况下的扭矩(N·m)。tqtqTTmax%100maxtqtqtqTTTKμ或K值大，表明两扭矩之差（Ttqmax-Ttq）值大，即随转速的降低，扭矩Ttq增大越快，从而在不换档的情况下，爬坡能力、克服短期超负荷的能力越强。汽油机：μ值在10%~30%范围，K值在1.2~1.4。柴油机：若不予以校正，则μ值只有5%~10%范围，K值只有1.05左右，难以满足车辆使用要求。（二）转速存储设备系数φn转速存储设备系数是标定工况时的转速与最大扭距转速的比值。式中nB——标定工况转速；ntq——最大扭矩转速最大扭矩转速ntq越低，φn越大，车辆在不换挡的情况下，发动机克服阻力增加的潜力越强。一般，汽油机φn=1.15~2.0，柴油机φn=1.5~2.0。tqBnnn（三）柴油机扭矩特性的改善柴油机扭矩储备系数小的根本原因是由喷油泵速度特性决定的。因此，柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性扭矩曲线。油量校正装置的作用是：当发动机在标定工况下工作时，如果转速因外界阻力矩不断增加而下降，则喷油泵能自动增加循环供油量，以增大低速时的扭矩，提高扭矩储备系数。校正方法：（1）出油阀式校正机构。（2）附加在调速器上的弹簧校正机构。负荷特性：转速不变，其经济性指标随负荷（可用功率Pe、扭矩Ttq或平均有效压力Pme表示）的变化关系。当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效扭矩，以适应外界阻力矩的变化，以保持发动机转速不变。第三节发动机的负荷特性一、汽油机负荷特性1.负荷特性：当汽油机转速不变，而逐渐改变节气门开度，每小时耗油量B、燃料消耗率b随负荷（Pe、Ttq或Pme）而变化的关系。2.测取：发动机台架试验。测取前应将化油器、点火提前角调整完好；测取时应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。3.汽油机靠改变节气门开度，改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化。其负荷的调节方法称为“量调节”。汽油机负荷特性分析（一）燃油消耗率曲线由公式b=k3/ηitηm可知，燃油消耗率b的变化取决于ηit、ηm的变化。ηit、ηm随负荷的变化如图所示。（1）ηi转速一定，负荷增加，节气门开度加大，残余废气相对减少，热负荷增加，从而改善了燃油雾化、混合条件，使燃烧速度加快，散热损失相对减少，ηi增加。负荷增至大负荷，加浓装置工作，ηi下降。（2）ηmηm随负荷的增加而迅速增加。原因是转速一定而负荷增加时，机械损失功率Pm变化不大，指示功率Pi成正比增加，使ηm=1—（Pm/Pi）增加。当发动机空转（Pe=0）时，指标功率完全用于克服机械损失，即Pi=Pm，则ηm=0，耗油率b为无穷大。随负荷（节气门开度）增大，由于ηi、ηm同时上升，使耗油率曲线迅速下降。当ηiηm达到最大值出现最低耗油率bmin后，随节气门逐渐增至全开，化油器加浓装置参加工作，供给最大功率混合气，燃烧不完全现象增加，ηi下降，使耗油率又有所增加。（二）每小时耗油量B曲线B节气门开度：开度，量混合气成分：除怠速、全负荷时较浓外，大部分情况变化不大B几乎随节气门开度呈线性变化。当节气门开度增大至化油器加浓装置参加工作后，B上升得更快一些。二、柴油机负荷特性1.负荷特性:柴油机转速一定，每小时耗油量B、有效燃料消耗率b随负荷（Pe、Ttq或Pme）而变化的关系。2.测取:台架试验。测取时，应将柴油机的供油提前角、冷却水温度、润滑油温度等调整到最佳状态。3.柴油机负荷调节方法称为“质调节”。柴油机负荷特性曲线分析（一）耗油率曲线根据公式柴油机耗油率b随负荷的变化取决于ηit和ηm。mieKb13ηm：随负荷增加而上升。ηi：随负荷增加，每循环供油量△b增加，过量空气系数α减小，燃烧不完全程度增大，使ηi减小。大负荷时，混合气过浓，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增多，使ηi下降更快。综上所述，当Pe=0，ηm=0时，b趋于无穷大。随负荷增加，ηm