汽车发动机原理 第七章发动机特性

1、 第七章第七章 发动机的特性发动机的特性 汽车行驶时，由于行驶速度与道路阻力不断变化，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发动机在不同使用条件下具有不同的动力性与经济性。力性与经济性。 第一节第一节 发动机的特性概述发动机的特性概述 第第 二节二节 发动机的负荷特性发动机的负荷特性 第第 三节三节 发动机的速度特性发动机的速度特性 第四节第四节 发动机的转矩适应性发动机的转矩适应性 第五节第五节 车用柴油机的调速特性车用柴油机的调速特性 第六节第六节 发动机的万有特性发动机的万有特性 作业题

2、作业题特性曲线分析 第一节第一节 发动机的特性概述发动机的特性概述 一、发动机的发动机的工况工况 发动机实际运行的工作状况，简称工况工况。 表征内燃机运行工况的参数可由下式给出nTPtqev式中，Pe为有效功率，Ttq为转矩， n为工作转速。 有效功率Pe和转速n 决定了发动机的工作运行情况。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。下按一定功率稳定工作。 1.发动机的工况分类发动机的

3、工况分类第第类工况，其特点是发动机类工况，其特点是发动机的功率变化时，转速几乎保持的功率变化时，转速几乎保持不变。不变。该工况又被称为固定式内燃机工况。例如，发电用内燃机，其负荷呈阶跃式突变，并没有一定的规律、然而内燃机的转速必须保持稳定，以保证输送电压和频率的恒定，反映在工况图上就是条垂直线(图81中的曲线1)，称为线工况线工况。灌溉用内燃机，除了起动和过渡工况外，在运行过程中负荷与转速均保持不变，称为点工况点工况(图81中的A点)。第二类工况，其特点是内燃第二类工况，其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函机的功率与转速接近于幂函数关系，数关系，如图81中的曲线2示的三次幂函数( )。当内燃机

4、作为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发出的功率必须与螺旋桨吸收的功率相等，而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低，且与转速成幂函数关系，这样，内燃机功率就呈现一种十分有规律的变化。该类工况常被称为螺旋桨工况螺旋桨工况或推进工况推进工况，也属于线工况线工况。 3nPe第三类工况，其特点是功率第三类工况，其特点是功率与转速都在很大范围内变化，与转速都在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，都居于这种工况。此时，内燃机的转速决定于行驶速度、可以从最低稳定转速一直变到最高转速；负荷取决于行驶阻力，在同一转速下，可以从零变到全负荷。内燃机可能的工作区域就是该种类型内燃机的实际工作

5、区域，相应的上况区域称为面工况。面工况。2.研究发动机特性的必要性研究发动机特性的必要性为了评价内燃机在不同工况下运行的动力性指标(如功率、转矩、平均有效压力等)、经济性指标(燃油消耗率)、排放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标(如指示热效率、充量系数以及机械效率)等，就必须研究内燃机的特性。 有关定义有关定义l所谓发动机的特性发动机的特性，就是指上述性能参数随参数调整情况或运转工况变化的规律。l性能指标随调整情况变化的特性称为调整特调整特性性，如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性等；l性能指标随运行工况变化的特性称为，如负荷特性、速度特性和调速特性等。 用来表示特性的曲线称为特性曲线

6、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。通过特性曲线可以分析在不同适用工况下 ，发动机特性变化的规律及影响因素,评价发动机性能，从而提出改善发动机性能的途径二、发动机的功率标定二、发动机的功率标定l内燃机的功率标定，是指制造企业根据内燃机的用途、寿命、可靠性、维修与使用条件等要求，人为地规定该产品在标准大气条件下所输出的有效功率以及所对应的转速，即标定功率与标定转速。世界各国对标定方法的规定有所不同。按照国家标准GBll0587内燃机台架性能试验方法规定，我国内燃机的功率可以分为四级：(1)15min(1)15min功率功率这一功率为内燃机允许连续运转15min的最大有效

7、功率，适用于需要较大功率储备或瞬时需要发出最大功率的轿车、中小型载货汽车、军用车辆、快艇等用途的内燃机。 (2)1h(2)1h功率功率l这一功率为内燃机允许连续运转1h的最大有效功率，适用于需要一定功率储备以克服突增负荷的工程机械、船舶主机、大型载货汽车和机车等用途的内燃机。 (3)12h(3)12h功率功率l这一功率为内燃机允许连续运转12h的最大有效功率，适用于需要在12h内连续运转而又需要充分发挥功率的拖拉机、移动式发电机组、铁道牵引等用途的内燃机。 (4)(4)持续功率持续功率l这一功率为内燃机允许长期连续运转的最大有效功率，适用于需要长期连续运转的固定动力、排灌、电站、船舶等用途的内

8、燃机。 l根据内燃机产品的使用特点，在内燃机的铭牌上一般应标明上述四种功率的一或两种功率及其对应的转速。同时，内燃机的最大供油量限定在标定功率的位置上。对于同一种发动机，用于不同场合时，可以有不同的标定功率值，其中，15min功率最高，持续功率最低。l车用 常用15分钟, 1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。l除持续功率外，其他几种功率均具有间歇性工作的特点，故常被称为间歇功率。对间歇功率而言，内燃机在实际按标定功率运转时，超出上述限定的时间并不意味着内燃机将被损坏，但无疑将使内燃机的寿命与可靠性受到影响。三、发动机性能指标与工作过程的关系发动机性能指标与工作过程的关系发动机输出的有效指

9、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be、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。发动机性能指标分析式发动机性能指标分析式nKPmitace1有效功率mitactqKT2有效输出转矩miteKb13燃油消耗率nKBac4小时耗油量 负荷特性负荷特性：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。 如：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。用曲线的形式表示负荷特性 负荷特性曲线负荷特性曲线测取测取：

10、发动机台架试验 调整测功器负荷的大小，并相应调整油量调节机构位置，以保持发动机的转速不变，待工况稳定后，依次记录不同负荷下的有关数据，并整理得到性能曲线。 作作 用：用：由于负荷特性可以直观地显示发动机在不同负荷下运转的经济性以及排温等参数，且比较容易测定，因而在内燃机的调试过程中，经常用来作为性能比较的依据。由于每一 条负荷特性仅对应内燃机的一种转速，为了满足实际应用的要求，需要侧出不同转速下的多个负荷特性曲线。同时，根据这些特性曲线，可以得到发动机的另外一个重要的特性万有特性。 图7-2对于一条特定的负荷特性曲线而言，转速是固定不变的，这样有效功率Pe、有效转矩Ttq与平均有效压力pme互

11、成比例关系，均可用来表示负荷的大小。 负荷特性的横坐标通常是上述三个参数之一，较为常用的是有效功率Pe或平均有效压力pme。纵坐标主要是燃油消耗量B、燃油消耗率be以及排温、烟度、机械效率m等。图82所示的就是典型的负荷特性曲线。 一、柴油机负荷特性一、柴油机负荷特性 1.定义定义:柴油机转速一定，改变每循环供油量，每小时耗油量B、有效燃料消耗率be随负荷（Pe、Ttq或Pme）而变化的关系。 2. 柴油机负荷调节方法称为“质调节质调节”。 图7-3柴油机负荷特性曲线分析柴油机负荷特性曲线分析 （一）耗油率曲线（一）耗油率曲线 根据公式 柴油机耗油率be随负荷的变化取决于it和m。 miteK

12、b13当负荷为零(空载)时，因无动力输出，平均有效压力pme为零，故机械效率m为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身消耗，这样燃油消耗率be为无穷大。当负荷逐渐增大时，由于平均机械损失压力pmm在转速不变时变化不大，而平均有效压力pme则随负荷提高而增大，因此机械效率随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率be，曲线在负荷增加时下降得很快。并且，到达某一负荷时，be达到最低值。 随着负荷的进一步增加，过量空气系数a变得更小，混合气形成与燃烧开始恶化，指示热效率it开始明显下降，其下降速度逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从

13、而使燃油消耗率上升很快，且柴油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室积碳.，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。 （二）每小时耗油量（二）每小时耗油量B曲线曲线 转速一定时，柴油机的每小时耗油量B主要决定于q。随负荷增加，每循环供油量b增加，B随之增加。当负荷接近冒烟界限后，由于燃烧恶化，B上升得更快一些。 二、汽油机的负荷特性二、汽油机的负荷特性与柴油机不同的是，在测取汽油机的负荷特性时，油量是通过改变节气门的开度来调整的，这样相应地改变了进入气缸的混合气数量，而混合气的浓度变化不大，故称为“量调节”。图72b是汽油机的负荷特性。初看起来

14、，汽油机的负荷特性与柴油机负荷特性似乎没什么区别。 有效燃油消耗率有效燃油消耗率be随负荷的变化取决于it和m的变化 指示热效率:随负荷的增加而先缓慢增加，然后略有下降。 机械效率：随负荷的增加而增加。 当发动机空转时，机械效率m为零，这样燃油消耗率be为无穷大。随节气门开度的增加，指示热效率和机械效率均上升，故燃油消耗率急剧下降，在大负荷需要浓混合气，不完全燃烧加剧，指示热效率下降，燃油消耗率上升。1.有效燃油消耗率有效燃油消耗率be曲线曲线2.燃油消耗量燃油消耗量B曲线曲线 转速一定时，汽油机燃油消耗量燃油消耗量B曲线的变化主要决定于节气门开度（决定充量系数）和混合气成分（过量空气系数）。

15、 随负荷增加，节气门开度的增加，汽油机充量系数增大，进入气缸的混合气量增多；过量空气系数先缓慢上升（混合气变稀），然后缓慢下降（混合气变浓），但总体变化不是很大。 所以，B一直上升；全负荷时，混合气浓度变大，由于燃烧恶化，B上升得更快。特性差别的解释 因为两种类型发动机的机械效率变化情况基本类似，造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于指示热效率的差异。l由于柴油机的压缩比比汽油机高出较多，其过量空气系数也要比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情况下进行的，所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高。这样，从数从数值上看，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油值上看，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机

16、。机。l从指示热效率曲线的变化趋势上来看，两者也有比较明显的差异。在转速不变的前提下，柴油机进人气缸的空气量基本上不随负荷大小而变化，而每循环供油量则随负荷的增大而增大，这样过量空气系数就随负荷的增大而减小，因此，指示热效率也就随负荷的增大而降低；汽油机采用定质变量的负荷调节方法，在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降，而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷减小时泵气损失增大，导致指示热效率下降。这样, 汽油机的燃油消耗率汽油机的燃油消耗率在中、小负荷区远高于柴油机。在中、小负荷区远高于柴油机。l排气温度曲线的差异也可以用上述原因

17、来解释。汽油机的压缩比比柴油机低，相应的膨胀比也低，排温就要比柴油机高出许多。在负荷变化时，尽管由于混合气总量的增加引起加入气缸总热量的增加，使排温随负荷的提高而上升，但由于在大部分区域内过量空气系数保持不变，故排温上升幅度不大。在柴油机中，随着负荷的提高，过量空气系数随之降低，排温显著上升。 第第 三节三节 发动机的速度特性发动机的速度特性 发动机的速度特性，是指发动机在油量调节机构(油量调节齿条、拉杆或节气门开度)保持不变的情况下，主要性能指标(转矩、油耗、功率、排温、烟度等)随发动机转速转速的变化规律。 如:当汽车沿阻力变化的道路行驶时，若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，

18、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。 速度特性也是在发动机试验台架上测出的。测量时，将油量调节机构位置固定不动，调整测功器的负荷，发动机的转速相应发生改变，然后记录有关数据并整理绘制出曲线，一般是以发动机转速作为横坐标。 l当油量控制机构在最大位置时，测得的特性为(简称)；（只有一条一条）l油量低于最大位置时的速度特性，称为无数条无数条l由于外特性上反映了内燃机所能达到的最高性能，确定了最大功率、最大转矩以及对应的转速，因而是十分重要的，所有发动机出厂时都必须提供该特性。 l车用 常用15分钟, 1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。作

19、为特性实验时作为特性实验时, 应把应把两种标定功率的外特性全做出来。两种标定功率的外特性全做出来。l 国家规定：一般柴油机只作外特性就可以了。车用柴油机, 除作外特性外, 还应作标定功率的90%, 75%, 50%, 25%的部分速度特性实验部分速度特性实验。一、柴油机速度特性一、柴油机速度特性定义定义：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、转矩Ttq、燃油消耗率be、耗油量B等）随转速n变化的关系。 外特性外特性（ 全负荷的速度特性全负荷的速度特性 ） 油量调节机构固定在标定循环供油量位置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。 部分负荷速度特性部分

20、负荷速度特性当油量调节机构固定在小于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。图7-6 7-7mitactqKT2有效输出转矩1.有效转矩曲线有效转矩曲线 在柴油机中，转矩的大小取决于每循环供油量b 、 指示热效率it以及机械效率m，图76给出了外特性上主要参数的变化情况，其趋势可分别阐述如下。1)油量控制机构位置不变时，由于进回油孔及燃油泄漏的影响,柴油机b曲线随转速的提高而增加；2)柴油机it曲线上凸；3)机械效率m将随转速的降低而提高。图7-6图7-7有效输出转矩的变化规律是，转速由低向高变化时，开始略有上升；当超过最高点时，随转速的提高，有效输出转矩下降，但曲线变化平坦

21、。2燃油消耗率曲线燃油消耗率曲线 燃油消耗率be曲线在整个速度特性的变化范围内比较平坦，两端略有上翘。3.有效功率曲线 二二、汽油机的速度特性汽油机的速度特性A 定义定义： 汽油机节气门开度固定不动，汽油机性能指标(如: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。B 种类种类: 外特性外特性（全负荷的速度特性）（全负荷的速度特性） 节气门全开时的速度特性。 部分负荷速度特性部分负荷速度特性 节气门部分打开时的速度特性。Ttq:曲线呈上凸形状曲线呈上凸形状 Pe: n Pe maxePbe:在某一中间转速时出现最低值图7-9 Ttq随n的变化取决于指示热效率

22、、机械效率m、充气系数与过量空气系数之比随n的变化。it1转矩曲线变化趋势转矩曲线变化趋势 根据公式(3-9)节气门开度一定时，过量空气系数 可视为常数。atmitactqKT2图7-8 （1）充气效率充气效率v v 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v均降低，曲线为上凸形。 n 气流惯性 ；n 节流损失 。 ccc（2）指示热效率指示热效率it 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，it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，it也较低。但变化比较平坦

23、，对Ttq影响较小。 （3）机械效率机械效率m 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m明显下降。mitccitmTtq 低速时:n使Ttq变化不大, 略有；高速时:n 使Ttq。Ttq:曲线呈上凸形状曲线呈上凸形状 综合作用的结果是；当转速由低开始上升时，v，it同时增加的影响大于m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v、it、m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功率曲线变化趋势功率曲线变化趋势 根据公式(2-9)9550nTPtpenTPtqe低速时:n Ttq nTtq eP n tqnTt

24、qeP上升缓慢maxePn eP 2功率曲线变化趋势功率曲线变化趋势 Pe=Ttqn/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Ttqn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燃油消耗率曲线变化趋势燃油消耗率曲线变化趋势根据公式(2-23)mitkb3mitb1b在某一中间转速当itm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于m上升弥补不了it的下降，使b增加。转速较此转速高时it、m均较低，b也增加。 3燃油消耗率变化趋势燃油消耗率变化趋势

25、 b=k3/itm b在某一中间转速当itm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于m上升弥补不了it的下降，使b增加。转速较此转速高时it、m均较低，b也增加。 3燃油消耗率曲线燃油消耗率曲线 由于柴油机压缩比高，i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i、m达到最大值时，出现bmin值。要求发动机的转矩随转速的降低降低而而增加增加。 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。 衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应转矩适应性系数性系数KT和转速适应性系数转速适应性系

26、数Kn。第四节第四节 发动机的转矩适应性发动机的转矩适应性 v转矩适应性系数转矩适应性系数是指外特性上最大转矩Ttqmax与标定转矩Ttqn之比。tqntqTTTKmax相应地，转速适应性系数转速适应性系数是指标定转速n n与外特性上最大转矩对应的转速nm之比。mnnnnK定定 义义v有时，也用最大转矩与标定转矩之差与标定转矩的相对值，来表示发动机克服阻力能力的大小，并将其定义为转矩储备系数转矩储备系数.1maxTtqntqntqKTTTl 汽油机的转矩适应性系数KT较大，一般在1.21.4之间， 转速适应性系数Kn约为1.62.5。l柴油机转矩曲线平坦，适应性系数小，KT值一般不超过1.05

27、(无校正时)。Kn约为1.42.0 。汽油机的外特性比柴油机的外特性汽油机的外特性比柴油机的外特性的动力适应性好的动力适应性好。汽油机的转矩特性，特别适合车用的需要，也就是说，自动适应道路阻力变化的能力较强，行驶速度比较稳定。对此，可以用图710来解释。内燃机转矩与外界阻力矩在a点是平衡的，内燃机将在a点对应的转速na下稳定工作。如遇上坡等阻力增加的情况，内燃机从工况a过渡到工况1、沿速度特性1工作的内燃机驱动转矩增大了Ttq1，转速相应降低了n1。这说明驾驶员不用操作，发动机自动进行了调整，转速降低而转矩增大，以克服外界阻力的变化。对于另一发动机(柴油机)，其速度特性如图中曲线，由于其转矩曲

28、线较平坦，则从工况a过渡到工况2时，转速降低较多(n2n1)而转矩增大的幅度并不大(Ttq2Ttq1)。这一结果说明，内燃机转矩曲线越陡，运转的稳定性和操纵性能就越好。因此，汽油机一般不需要配备调速装置，即使当阻力矩突变到零时，汽油机的转速也不会超速或飞车。柴油机的调节过程与装置则与汽油机有明显的不同，需要采用专门设计的调速器。当柴油机用于汽车动力时，驾驶员可以按照路面的情况，随时改变油门踏板的位置或者行车挡位，改变发动机克服阻力的能力，以调整车速。然而，当用于拖拉机及工程机械时，发动机所要克服的阻力矩变化很大，经常会遇到过载的情况。由于柴油机的适应性系数小，加上这类机械行走速度低，无动能储备

29、，以致在遇到阻力矩突然增大时，转速下降很快，往往驾驶员来不及换挡发动机就可能熄火。对于这类用途的柴油机，要求有较大的转矩储备，以克服短期过载。l定义定义:喷油泵调速手柄固定，在调速器起作用时，柴油机的性能指标随转速的变化关系。l表达形式表达形式：负荷特性形式 速度特性形式一、图7-12调速特性曲线有调速器起作用的调速阶段和调速器不起作用的外特性段组成。图7-13二、l调速率：瞬时调速率 稳定调速率l不灵敏度：图7-14ERnnn12 负荷特性和速度特性只能用来表示某一转速或某一油量控制机构位置时，内燃机各种参数的变化规律，而内燃机特别是车用内燃机的工况变化范围很广，要分析各种工况下的性能，就需要多张负荷特性或速度特性图，这样既不方便，也不直观。为了能在一张图上较全面地表示内燃机各种性能参数的变化，经常应用多参数的特性曲线，这种特性就是万有特性。万有特性曲线一般是以转速n为横坐标，以负荷(平均有效压力pme)为纵坐标。在图上绘出若干条等油耗曲线和等功率曲线。两种类型内燃机典型的万有特性如图87所示。根据需要，还可在万有特性曲线上绘出等节气门开度线、等排放线、等过量空气系数线等。 根据发动机类型的不同，万有特性有两种绘制方法，即。 对于柴油机