汽车发动机原理与汽车理论第8章课件

1、第一节发动机工况、性能指标与工作过程参数的关系第二节发动机的负荷特性第三节发动机的速度特性第四节柴油机的调速特性第五节发动机的万有特性第六节发动机有效功率和燃油消耗率的大气修正第七节发动机与动力装置的匹配第八章发动机的特性一、工况 发动机实际运行的工作状况，简称工况。 表征内燃机运行工况的参数可由下式给出式中，Pe为有效功率，Ttq为转矩， n为工作转速。第一节发动机工况、性能指标与工作过程参数的关系 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消耗的扭矩相等时

2、，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。 发动机的工况分类根据发动机的用途,其工况可分为以下几类:(1)恒速工况n=常数,如发电机组中的发动机,其转速基本保持不变,功率Pe随负荷而变化,称为线工况,如图8-1中曲线1所示。(2)螺旋桨工况作为船舶主机的柴油机按推进特性工作,柴油机功率与转速的立方成正比Pe=kn3,k为比例常数,如图8-1中曲线2所示。(3)面工况汽车在运输作业时,发动机的功率Pe和转速n都在很大的范围内变化。转矩取决于行驶阻力,即装载质量、车速和路面情况。转速取决于车速,它可以从最低稳定转速到最高转速。如图8-1中阴影所示,阴影面的上限曲线3是发动机在各种转速下所能发出的最

3、大功率。(4)点工况内燃机的转速n及功率Pe均近似不变,如内燃机作为排灌动力。发动机性能指标随着调整情况及运转工况变化而变化的关系称为发动机特性,特性用曲线表示称为特性曲线。性能指标随着调整情况而变化的关系又称为调整特性。调整特性包括柴油机供油提前角调整特性、汽油机点火提前角调整特性和汽油机化油器调整特性等。性能指标随着发动机工况而变化的关系称为性能特性。发动机的性能特性包括负荷特性、速度特性、万有特性和空转特性等,速度特性又包括外特性和部分速度特性。二、发动机特性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be、每小时耗油量B表示。这些指标与发动

4、机工作过程参数的关系。三、发动机性能指标与工作过程参数的关系有效功率有效输出转矩燃油消耗率小时耗油量内燃机的功率标定，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：四、发动机功率标定(1)持续功率在制造厂规定的正常维护保养周期内,在规定转速和规定环境状况下,按照制造厂规定进行维护保养,发动机能够持续发出的功率。(2)超负荷功率在规定环境状况下,在按持续功率运行后,立即根

5、据使用情况,以一定的使用持续时间和使用频次,按照每12h运行1h的运行条件,可以允许发动机发出的功率。(2)1h功率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)油量限定功率在对应于发动机用途的规定时间内,在规定转速和规定环境状况下,限定发动机油量,使其功率不再超出时所能发出的功率。 负荷特性：在发动机转速不变时,性能指标随负荷变化而变化的关系 如：汽车以等速在阻力变化的道路上行驶即为这种情况。此时的节气门位置必须经常改变来调整有效转矩,以适应外界阻力矩的变化,保持发动机的转速不变。 第二节

6、发动机的负荷特性一、汽油机的负荷特性 1.定义:当汽油机的转速保持不变,而逐渐改变节气门开度,同时调节测功器负荷,如改变水力测功器水量,以保持转速不变,小时耗油量B和燃油消耗率be随功率Pe(或转矩Ttq、平均有效压力pme)变化而变化的关系。一、汽油机的负荷特性 2.测取方法:测取前,应将汽油机的点火提前角、过量空气系数按理想值调整。冷却液温度、润滑油温度保持在最佳值。调节测功器负荷,并改变节气门开度,使汽油机的转速稳定在某一常数。测量各稳定工况下的燃油消耗率be、耗油量B以及烟度、噪声、排气温度等参数值。（1）燃油消耗率be曲线形状3. 曲线形状分析由公式be=k3/im可知be的形状取决

7、于i、m随负荷的变化,i、m随负荷的变化。（1）燃油消耗率be曲线形状指示热效率i随着负荷的增加而增加,这是因为节气门开度的加大,气缸内残余废气相对减少,可燃混合气燃烧速度增加,且由于热损失减少,燃料汽化条件改善,使指示热效率增加。机械效率m,当转速为一常数时,机械损失功率Pm变化不大,随节气门开度的增加,指示功率Pi随着增加,由公式m=1-Pm/Pi可知,机械效率随负荷的增加而提高。发动机空转时,Pi=Pm,m=0,所以be为无穷大,如图8-2所示。随着节气门开度的增加,i和m均上升,故燃油消耗率急速下降。在大负荷时需要浓混合气,此时=0.850.95,加浓器起作用,不完全燃烧加剧,指示热效

8、率下降,燃油消耗率上升。（2）小时耗油量B曲线形状3. 曲线形状分析根据耗油量的计算公式B=k4vn/知,B值决定于节气门开度和混合气成分。随着节气门开度的加大,混合气量增多,小时耗油量B上升,当全负荷时,=0.850.95,混合气浓度变大,使得B迅速增加。 二、柴油机负荷特性 1.定义:当柴油机保持某一转速不变,而移动喷油泵齿条或拉杆,改变每循环供油量b时,B、be随Pe(或Ttq、pme)变化而变化的关系。 二、柴油机负荷特性 2.测取方法:与汽油机的测取方法基本相同,只是柴油机用改变循环供油量的方法来调节负荷。3.曲线形状分析 （一）燃油消耗率be曲线形状 柴油机耗油率be随负荷的变化取

9、决于i和m。 i随着负荷pme增加,循环供油量增加,值减少,当降低到一定程度时,不完全燃烧加剧,使i降低。高负荷时i下降速度加快。m随着负荷pme的增加而增加。当柴油机空转时,机械效率m等于零,所以燃油消耗率be趋近于无穷大。随负荷增加,m上升速度比i下降速度快,故燃油消耗率be减少,直到be降低到最低点后,负荷再增加,使得过浓,燃烧恶化,i下降较快,致使be升高,负荷增加到某点,排气出现炭烟,达到国家法规规定的烟度极限值,继续加大供油量已为公害,故不允许。 （二）小时耗油量B曲线形状 随着负荷的增加,循环供油量加大,耗油量增加,当接近炭烟极限时,燃烧更加恶化,小时耗油量B迅速增加。柴油机与汽

10、油机负荷特性的区别汽油机的负荷特性与柴油机的负荷特性相比,汽油机的负荷特性有如下特点:1)be值普遍较高。2)排气温度高且受负荷的影响不那么大。3)B曲线弯曲度较大。而柴油机在中小负荷时B曲线直线性较好。涡轮增压柴油机负荷特性的特点是在低于40%50%标定负荷时,be的变化规律与无增压者大致相同,当负荷超过40%50%以后与无增压者相比,随负荷增加时,燃油消耗率和烟度在大负荷时变化缓慢。三、负荷特性的实用性 1)确定发动机的标定工况。负荷特性的燃油消耗率be曲线最低点称为最低耗油率点,此点经济性好,但动力性较差。负荷pme增加到排气烟度急剧增加时,此点称为炭烟极限点,发动机不能在此工况下工作。

11、所以内燃机的标定功率应定在最低耗油率点和炭烟极限点之间的由坐标原点向be曲线作切线的切点时的功率。2)由于负荷特性易于测定,因此常用于发动机调试,改变设计时用来检验改进效果。3)作为内燃机发电机组工作特性。4)根据不同转速的负荷特性可制取万有特性。 速度特性：是指发动机性能指标随转速变化的关系。 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，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。 第 三节 发动机的速度特性 A 定义： 当汽油机的节气门开度一定,其有效功率Pe、有效转矩Ttq、耗油率be等性能指标随转速变

12、化而变化的关系B 分类: 外特性 节气门全开时所测得的速度特性。 部分负荷速度特性 节气门部分开启时所测得的速度特性。一、汽油机的速度特征B 分类: 一、汽油机的速度特征C 测取方法： 节气门开度保持不变,改变测功器的负荷,在不同转速下测出各稳定工况的有效功率Pe、有效转矩Ttq、燃油消耗率be、小时耗油量B的数值,并绘出Pe、Ttq、be、B等指标随转速的变化曲线。试验前应将汽油机的点火提前角、过量空气系数按理想值调整,保持冷却液温度和机油温度在最佳状态。一、汽油机的速度特征1有效转矩Ttq曲线变化趋势由公式Ttq=k2vim/知,有效转矩Ttq随转速的变化取决于ivm/随转速的变化。i、v

13、、m随n的变化关系如图8-8所示。转速由低逐渐升高,指示热效率i、充气效率v均上升,虽然机械效率m略有下降,但总趋势是Ttq上升,到某一点取得最大值。随着转速继续上升,由于i、m、v均下降,致使有效转矩Ttq迅速下降,曲线较陡。D 外特性曲线1有效转矩Ttq曲线变化趋势充气效率v节气门开度固定,v是在某一转速时最大,即在设计工况时v最高,低于或高于设计工况时v都低。指示热效率i汽油机在某一转速时,指示热效率i有最高值。当转速低时,燃烧室的空气涡流弱,火焰传播速度减慢,可燃混合气燃烧速度小,同时在转速低时,气缸的漏气多、散热快,指示热效率i低。转速过高时,以曲轴转角计燃烧延续时间长,燃烧效率低,

14、指示热效率i也降低。不过i曲线变化平坦,对有效转矩Ttq的影响较小。机械效率m当转速提高时,因机械损失大机械效率m降低。在节气门开度一定时,值基本不随转速而变化。D 外特性曲线2有效功率Pe曲线由公式功率Pe=Ttqn/9550可知,当转速提高时,初始转矩Ttq也增加,所以Pe迅速上升,直到转矩Ttq到最大值以后,Pe上升变得较平缓,当Ttqn达最大值时,Pe达到最大值,此后转速再增加,已抵不过Ttq的下降,故Pe开始下降。D 外特性曲线3燃油消耗率be曲线综合i、m的变化,be在中间某一转速时最低。当转速高于此转速时,i、m随转速上升同时下降,be增加。当转速低于此转速,因i上升弥补不了m的

15、下降,be也上升,总之be曲线变化不大,较平坦。D 外特性曲线外特性因试验条件不同,又分为:1)使用外特性,试验时发动机带全部附件,所输出的校正有效功率称为净功率。2)发动机仅带维持运转所必需的附件(如不带风扇、气泵、空气滤清器等附件)所输出的校正有效功率称为总功率。我国发动机特性数据多属于这一种。汽车大部分时间是在部分负荷下工作,因为节气门开度减小,节流损失增大,进气终了压力pa下降,引起v降低,且随着转速的提高,v迅速下降,故节气门开度越小,Ttq随着转速降低得越快,而且最大转矩和最大功率及其所对应的转速,向低速方向移动,如图8-6b所示。近年来,汽油机采用了电控燃油喷射系统和可变配气系统

16、等。这样,汽油机的外特性可按某种目的人为设计,以适应动力装置的需要。E 部分速度特性A 定义： 喷油泵的油量调节机构(节气门拉杆)位置固定,柴油机的性能指标Pe、Ttq、B、be等随转速变化而变化的关系称为速度特性,如图8-6a所示。B 分类: 外特性 在油量调节机构(节气门拉杆)固定于标定功率循环供油量位置时,测得的速度特性。如图8-9所示 部分速度特性 油量调节机构固定在小于标定工况循环供油量位置时,测得的速度特性,如图8-6a所示。二、柴油机的速度特征B 分类: 二、柴油机的速度特征二、柴油机的速度特征C 测试方法： 类似于汽油机的试验方法,试验前供油提前角、冷却液温度、润滑油温度等均调

17、整为最佳状态。D 标定功率速度特性曲线: 1转矩Ttq曲线b随转速n变化的情况,决定了转矩的变化趋势。Ttq=k2imbi、m、b随转速的变化趋势如图8-10所示二、柴油机的速度特征D 标定功率速度特性曲线: 1转矩Ttq曲线2燃油消耗率be曲线由公式be=k3/im可知,因为随转速升高i曲线中间高两端低,而m曲线逐渐降低,综合i、m随着转速的变化,be曲线是在中间某一转速时为最低,但整条曲线变化不很大。D标定功率速度特性曲线: 3功率Pe曲线由公式Pe=Ttqn/9550可知,因为Ttq变化平坦,故Pe曲线形状取决于转速的变化,即Pe几乎与转速n成正比增加。D标定功率速度特性曲线: 柴油机采

18、用涡轮增压后,Ttq和Pe均明显增加,而be略有下降。Ttq和Pe的增加程度主要取决于增压比。 Ttq随n的变化趋势取决于涡轮增压器的性能及其与发动机的匹配,还与发动机供油系统的调整及其增压补偿系统有关。用普通涡轮增压器,且按中等转速匹配时,因增压压力随n提高而增加,Ttq曲线的峰值向高转速方向移动;采用带排气旁通阀的涡轮增压器且按低速匹配时, Ttq峰值向低速方向移动,Ttq曲线形状是与自然吸气发动机差不多的形状;采用可变喷嘴增压器可以使发动机的Ttq曲线达到理想的丰满程度。涡轮增压发动机be 下降的原因是利用了排气能量,减小了泵气损失。E 增压柴油机速度特性: 随油门位置减小,循环供油量b

19、减少,但是b随着转速n的变化趋势与标定功率油门位置时是相似的,也是随着转速n的提高而上升,故Ttq在部分速度特性时的曲线与外特性的Ttq曲线相平行,即Ttq随n变化不大。汽车发动机经常在部分负荷下工作,所以在进行发动机性能试验时,还应该做标定功率的90%、75%、50%、25%的部分速度特性试验。F 部分速度特性: 要求发动机的转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。 衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数KT和转速适应性系数Kn。三、转矩特性1.转矩储备系数和适

20、应性系数、k值大表明随着转速的降低,Ttq增加较快,在不换档时,爬坡能力、克服短期超载能力强。汽油机、柴油机的、k值在如下范围:2.转速储备系数n式中,nb为标定转速;ntqmax为最大转矩时转速n大小影响发动机克服阻力的潜力。n越大,ntqmax越低,在不换档情况下发动机克服阻力的潜力越强。汽油机、柴油机的n值在如下范围:汽油机n=1.52.5柴油机n=1.52.03.柴油机转矩校正将不同转速下负荷特性曲线上冒烟界限点的连线称为不同转速的炭烟极限(炭烟特性)。变化趋势与v随着转速n的变化规律相似。转矩校正方法分类：出油阀式校正机构弹簧校正机构,见第六章。发动机的速度特性用途较多,如:1)标定

21、功率速度特性曲线是确定发动机允许工作的最高负荷限制线。不管发动机拖动什么样的动力装置和在什么转速下工作,允许发动机发出的功率均不可超出标定功率速度特性的限制。2)用于分析发动机动力装置的匹配情况。四、速度特性的实用性第四节 柴油机的调速特性定义:在调速器起作用、喷油泵调速手柄位置固定时,柴油机的性能指标随转速的变化关系。表达形式：负荷特性形式 速度特性形式一、调速特性图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。二、调速器的工作指标：调速率：瞬时调速率 稳定调速率不灵敏度：图7-14第五节 发动机的万有特性 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

22、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。一、万有特性万有特性是以转速n为横坐标、平均有效压力pme为纵坐标,在图上画出许多等耗油率be曲线、等比排放量曲线和等功率曲线。等耗油率be曲线是根据不同转速下的负荷特性曲线作出来的。等功率曲线因为Pe=kpmen,所以Pe曲线为一组双曲线,将外特性中的pme(或Ttq)曲线画在万有特性图上,构成上边界线。万有特性最内层be低,越向外b

23、e值越高,我们希望最低耗油率bemin区域越宽越好。对于车用发动机希望经济区最好在万有特性的中间位置,使常用转速和负荷落在最经济区域内,并希望等be曲线沿横坐标方向长些。对于工程机械用发动机,转速变化范围小,负荷变化范围大,希望最经济区落在标定转速nb附近,并沿纵坐标方向较长。二、汽油机、柴油机的等比油耗万有特性的特点1.汽油机的等比油耗万有特性的特点与柴油机相比,汽油机等比油耗万有特性具有以下特点最低耗油率偏高,经济区域偏小等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛,这说明汽油机在低速低负荷的耗油率随负荷的减小而急剧增大。在实际使用中,应尽量避免使用这种情况。汽油机的等功率线随转速升高而斜穿等耗油率线

24、,转速越高越费油,故在实际使用中,当汽车等功率运行时,驾驶人应尽量使用高速档,以便节油;汽油机变负荷时,平均耗油率偏高。1.汽油机的等比油耗万有特性的特点二、汽油机、柴油机的等比油耗万有特性的特点2.柴油机的等比油耗万有特性的特点与汽油机相比,柴油机等比油耗万有特性具有以下特点最低耗油率偏低,并且经济区域较宽等耗油率曲线在高、低转速时均不收敛,变化比较平坦。柴油机相对汽车变速工况的适应性好;等功率线向高速延伸时,耗油率的变化不大,所以采用低速档时,柴油机的转矩和功率储备较大。在使用中,以柴油机为动力的汽车可以长时间使用低速档。因此,以柴油机为动力的汽车的实际动力因数比以汽油机为动力的汽车高。2

25、.柴油机的等比油耗万有特性的特点三、排放特性1.汽油机的排放特性1.汽油机的排放特性图8-19a所示,汽油机在常用的部分负荷区,为满足三元催化转化器高效工作的要求,将过量空气系数控制在1.0左右,所以CO排放较低。在负荷很小时,为保证燃烧稳定,适当加浓混合气,致使CO排量略有上升。当负荷超过全负荷的95%左右时,CO排量急剧上升。图8-19b所示为汽油机未燃HC比排放量的变化趋势。HC的变化趋势与CO相似,都是中等负荷较小,大负荷和小负荷时相对增加。不同之处在于全负荷时HC排放增加不如CO严重;小负荷时HC排放随负荷的减小其增加速度比CO快。图8-19c所示汽油机的NOx排放特性与CO、HC截

26、然不同，在中等转速以上当转速不变时,NOx比排放量随负荷增加而下降,当接近全负荷时下降更快。当负荷一定时,NOx 的比排放量随转速升高而增加。从汽油机排放特性可知,为使车用汽油机排放较少的有害物,应尽可能在中等负荷下运行。2.柴油机的排放特性2.柴油机的排放特性如图8-20a所示,柴油机在整个工况范围内的CO均很少,在绝大多数工况下CO比排放量小于5g/(kWh)。对于柴油机,CO比排量也是中速中负荷工况时最小。接近全负荷时,CO排放量急剧增大。在转速很低时,不完全燃烧产物CO较多。负荷很小时,单位功率的CO排量增大。如图8-20b所示,柴油机的HC排放也比汽油机低很多。柴油机的HC比排放量基

27、本上随负荷的增大而下降,而绝对排放量不变。当负荷不变而转速变化时,HC比排放量变化不大。2.柴油机的排放特性如图8-20c所示为柴油机的NOx排放特性。柴油机在中等偏大负荷时NOx排放量最大。负荷再加大,NOx排放量不再增加甚至减少。在中等负荷区,当负荷不变而转速提高到中高速时,NOx比排放量不断增大,NOx绝对排放量增加更快。在小负荷区,NOx比排放量不随转速变化,绝对排放量基本上与转速成正比。如图8-20d所示为柴油机排气烟度SF的变化规律。当转速不变时,SF随负荷提高而增大。当负荷不变时,SF在某一转速下达到最小值。在低速大负荷工况下,SF急剧上升,即柴油机冒烟严重。四、万有特性的实用意

28、义万有特性常用于以下几个方面:1)选配发动机无论作何种用途,只要提供发动机的万有特性,又已知发动机所准备拖动的工作机械的转速和负荷的运转规律,就可以进行选配工作,将表示被拖动的工作机械的转速和负荷的运转规律的特性曲线绘在此柴油机的万有特性曲线图中,就可以判断发动机与其被拖动的工作机械匹配是否合适。2)根据等转矩Ttq、等排气温度tr、等最高爆发压力pz曲线,即可以准确地确定发动机最高、最低允许使用的负荷限制线。3)利用万有特性可以检查发动机的工作状态是否超负荷,工作是否正常。第六节 发动机有效功率和燃油消耗率的大气修正发动机所发出的功率取决于吸入气缸空气量的多少,而吸入的空气量直接与大气的密度

29、有关。大气压力、温度和湿度都影响大气密度,因此都影响发动机的性能,所以,功率标定时,必须规定标准大气条件。发动机工作现场大气条件一般都是非标准大气条件,对发动机进行性能试验时,应根据不同考核项目,将实测的功率、燃油消耗率、转矩等值按对应的修正方法换算成标准基准状况下的标准值;或是根据现场的大气条件将标准功率按对应的修正方法换算成实际功率值,并以此来调定发动机试验的运行工况点。二、等过量空气系数法.有效功率的修正表-计算指示功率比k的有关参数的选取有效功率的修正公式：为功率修正系数,其计算式为：k为指示功率比,其计算式为：二、等过量空气系数法.燃油消耗率的修正燃油消耗率的修正式为：二、等过量空气系数法3.饱和蒸汽压力的计算psw(饱和蒸汽压力)是温度的单值函数,可通过有关热力学图表查出,也可以通过下列的拟合计算式计算出：psw=0.6133+4.312*10-2t+1.628*10-3t2+1.492*10-5t3+5.773*10-7t4式中,t为温度();psw为饱和蒸汽压(kPa)。此式的适用范围为t=050。第七节发动机与动力装