第11章 发动机运行特性与匹配技术(2003版)

第四篇

运行特性与性能调控

本篇重点阐述车用发动机的运行特性与性能调控问题

第11章发动机运行特性与匹配技术

第12章发动机性能与参数的调控技术第11章发动机的特性与匹配技术

主要讲述发动机运行特性—速度特性、负荷特性、全特性的变化规律及测试方法。发动机运行特性对汽车的适应性以及汽车与发动机动力、经济性的合理匹配，并涉及混合动力驱动技术教学提示发动机运行特性即主要的性能指标随工况参数—转速和负荷的变化规律。

由发动机运行特性转化而得汽车的运行特性：驱动力特性、燃油经济性、运转稳定性、安全性等。发动机与汽车配套在宽广转速和负荷范围内多工况、变工况工作，汽车与发动机特性需要全工况的合理匹配。教学要求掌握发动机运行特性及其分析方法掌握速度特性、负荷特性、万有特性等试验方法及数据处理掌握汽车与发动机的动力性、经济性匹配

发动机特性指在一定条件下，发动机性能指标或特性参数随各种可变因素的变化规律，可分为运行特性和调整特性。运行特性：主要的性能指标随工况参数转速和负荷的变化规律。调整特性：发动机在转速和油量调节装置位置不变条件下，各种性能指标随调整参数而变化的规律。11.1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。1.工况与工况平面发动机工况是指发动机实际运行的工作状况。Pe

∝Ttq

n(11-1)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。只有发动机输出转矩和工作机械的阻力矩相等时，发动机才以一定转速按一定功率稳定运转；工作机械阻力矩、转速变化时，发动机的工况会发生变化。

11.1.1工况、工况面与功率标定发动机的工况第一类工况发动机的工况平面即工作区域取决于发动机用途。用途不同，工作区域不同。第二类工况第三类工况（1）第一类工况

发动机的功率变化时，其转速几乎保持不变，该工况又被称为固定式发动机工况。例如：发电用发动机负荷呈阶跃式突变，发动机转速必须保持稳定，以保证电压和频率的恒定。工况图上是一条垂线，称为线工况。灌溉用发动机除起动和过渡工况外，运行中负荷和转速保持不变，称为点工况。第二类工况发动机的功率与转速接近于幂函数关系，该工况又称为发动机的螺旋桨工况。例如发动机作为船用驱动螺旋桨，发动机功率等于螺旋桨吸收功率，；螺旋桨吸收功率等于取决于转速的高低，于转速成幂函数关系，该工况也称为推进工况，属于线工况。第三类工况功率与转速都在很大范围内变化，称为发动机的面工况。例如陆地运输汽车用发动机的转速取决于汽车的行驶速度，可以从最低稳定转速变到最高转速。负荷取决于行驶阻力，在同一转速下可以从零变到全负荷。图11.1剖面线所覆盖的部分，属面工况。车用发动机运行工况，工作区域限定在一定范围内，图11.1所示：1）上边界线a为发动机油量控制机构最大位置时，不同转速发动机所能发出的最大功率，A最大有效功率标定点。2）

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。

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。

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。

一、汽油机的速度特性外特性节气门全开时速度特性称为外特性。部分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。

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、燃油消耗率的变化

（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。

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。

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

（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。

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.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。

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。

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迅速增加，且远大于ηi的减少，使b下降很快。当△b增加到1点位置时，b最小。此后再增加负荷，由于ηi下降较ηm上升的多，使b又有所增加。当△b增加到2点时，排气冒黑烟，达到国标规定限值。当△b超过2点时，燃料消耗量增大，排放污染严重，影响发动机寿命，所以，柴油机的最大循环供油量应在标定转速下调整，使烟度不超过允许值。

（二）每小时耗油量B曲线转速一定时，柴油机的每小时耗油量B主要决定于△b。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。

由负荷特性可以看出，(1)同一转速下最低耗油率bmin越小，曲线变化越平坦，经济性越好。柴油机bmin比汽油机低bmin；而且燃油消耗率曲线比较平坦。相比之下，柴油机部分负荷时低耗油率区比汽油机宽，因而柴油机比汽油机节省。(2)耗油率b随负荷的增加而降低，在接近全负荷（常在80%负荷率左右）时b达到最小。第四节发动机的万有特性

万有特性是以转速n为横坐标，以扭矩Ttq或平均有效压力Pme为纵坐标，在图上画出许多等耗油率曲线和等功率曲线，组成发动机万有特性。

一、万有特性的制取根据各种转速下的负荷特性曲线，用作图法可以得到万有特性。

（一）等燃油消耗率曲线

1.将不同转速的负荷特性转换为以平均有效压力PME或Ttq为横坐标、燃油消耗率b为纵坐标的负荷特性，并逆时针旋转90°。

2.

在万有特性图的横坐标上，以一定比例标出转速数值。纵坐标Pme的比例应与负荷特性Pme的比例相同。从b=230g/（kW·h）处引一垂线，与各种转速的b曲线有两个（或一个）交点。再从交点处引水平线，与从万有特性横坐标相应转速处引出的垂线相交，将交点连成圆滑的曲线，即得到一定燃油消耗率时的等燃油消耗率曲线，其余b时的等燃油消耗率曲线作法相同。（二）等功率曲线根据公式Pe=kPmen，可画出等功率曲线，是一组双曲线。

（三）边界线将外特性中的Ttq~n画在万有特性上，构成边界线。

二、万有特性的应用分析

1.由万有特性可以方便地查到发动机在任何点（Ttq、n）工作时的Pe、b、Pme，发动机在任何点（Pe、n）工作时的Ttq、b、Pme以及发动机最经济负荷和转速。

2.等燃油消耗率曲线的形状及分布情况对发动机使用经济性有很大影响。

（1）等燃油消耗率曲线最内层为最经济区，曲线越向外，经济性越差。（2）如果等燃油消耗率曲线横向较长，表示发动机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小。常用中等负荷，中等转速工况的车用发动机，希望其最经济区处于万有特性中部，等燃油消耗率曲线曲线横向较长。（3）等燃油消耗率曲线纵向较长，则发动机在负荷变化较大而转速变化较小的情况下的燃油消耗率较小。工程机械用发动机，希望最经济区在标定转速附近，等燃油消耗率曲线纵向较长些。

第五节发动机