发动机原理第七章-发动机特性

第七章发动机的特性第一节发动机的特性概述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发动机的转矩适应性第五节车用柴油机的调速特性第六节发动机的万有特性一、发动机工况指发动机运行状态，常用转速n和负荷表示。转速：表征发动机的工作频率挡位&车速；负荷：表征发动机对外做功能力加速踏板：Ttqpme

发动机输出功率：PeTtq

n功率相同，工况不同燃烧过程不同性能不同研究发动机特性的目的：评价发动机性能，为正确选用动力源提供依据；为进一步改进发动机性能提供有效途径。研究方法：性能指标随发动机工况变化特性来研究第一节发动机特性概述

定义：

发动机的实际运转情况。

实际上，发动机工况就是研究不同运转情况下，其功率、转矩和转速三者间的变化关系。1、发动机工况的分类

（1）第一类工况（负荷、转速基本不变）

（2）第二类工况（负荷变化但转速基本不变）

（3）第三类工况（负荷、转速在宽广的范围内变化）发动机运行工况(operatingcondition)：负荷Ttq,pme(Pe)vs转速n(1)点工况：抽水机①(2)线工况：发电机组②；船舶发动机③(3)面工况：汽车；拖拉机根据工作机械不同，发动机工况分类为三种：1.恒速工况：发动机转速始终保持不变；功率随负荷变化。发电用发动机2.线工况：Pe=f(n)的工况，螺旋桨工况。

Pen3点工况排灌1恒速3.面工况：Pe和n都相对独立变化，无约束关系。

如汽车：

n取决于车辆行驶速度；

Pe取决于行驶阻力阻力和道路情况。1.发动机的工况分类第—类工况，其特点是发动机的功率变化时，转速几乎保持不变。该工况又被称为固定式内燃机工况。线工况。点工况第二类工况，其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系，如图中的曲线2示的三次幂函数()。当内燃机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或推进工况，也属于线工况。

第三类工况，其特点是功率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区域，相应的上况区域称为面工况。发动机的台架试验：测试发动机的主要性能指标基础：振幅≯0.05~0.1mm测功器：测转矩油耗仪：测油耗转速表冷却系统排放分析仪(3)面工况：汽车；拖拉机a—最大功率限制线b—最高转速限制线c—最低稳定转速限制线d—怠速线e—倒拖线2、车用发动机的工况范围

（1）上边界线a:

最大油门位置时，不同转速下发动机所能发出的最大功率，是发动机功率的极限。

（2）右边界线b:

发动机所能承受的最高转速极限。

（3）左边界线c:

发动机能稳定运转的最低转速。

（4）水平边界d

不同油门位置的怠速特性，即发动机指示功率与机械损失功率相等（Pe=0）。

（5）下边界e

发动机停机后倒拖特性（下坡时的制动能力）。

二、发动机功率的标定

标定功率：

制造厂根据发动机的使用要求（用途、寿命、可靠性、使用条件等），人为规定的该发动机在标况下允许输出的最大功率。

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GBll05——87《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：发动机功率标定

我国四个等级的发动机功率标定：1、15分钟功率*思考：人为规定就会存在可高可低的情况，那么汽车用发动机与工程机械用发动机标定时应如何考虑？2、1小时功率3、12小时功率4、持续功率

汽车、快艇等

工程机械、船舶等

机车、移动发电机组等

农用机械、固定发电机组等

需要注意的是：实际使用过程中，发动机功率超出标定功率或标定功率下超出规定的时间，并不意味着发动机就会损坏。(1)15min功率

这一功率为内燃机允许连续运转15min的最大有效功率，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)12h功率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)持续功率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、船舶等用途的内燃机。

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。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。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。（1）有效功率三、发动机特性参数间的关系（2）有效输出转矩（3）有效燃油消耗率（4）发动机每小时耗油量有效功率有效输出转矩燃油消耗率小时耗油量有效功率有效输出转矩燃油消耗率小时耗油量

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。发动机特性有关定义所谓发动机的特性，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。性能指标随调整情况变化的特性称为调整特性，如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性等；性能指标随运行工况变化的特性称为性能特性，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，它是评价内燃机的一种简单、直观、方便的形式。第二节发动机的负荷特性

定义：

当转速不变时，发动机性能指标随负荷而变化的关系（通常用负荷特性曲线表示）。

负荷特性（曲线）的测定：1、发动机稳定运转一段时间，使水温、油温为正常值；2、改变测功器负荷和循环供油量，保持转速不变；3、测量be、Pe、Tr、η等；4、重复上述操作，并绘制特性曲线。

一、柴油机的负荷特性

保持柴油机转速不变，改变循环供油量b时，B、be、η等随负荷（Pe或Te）变化的关系。

定义：

特点：

因此，柴油机负荷特性的调整过程称为“质调节”。

转速n不变充量系数φc基本不变循环供油量△b改变过量空气系数φa或空燃比α改变1、有效燃油消耗率曲线

柴油机负荷特性曲线

先增大（混合气由稀变浓，燃烧充分）；后降低（混合气偏浓，燃烧不完全）；2）机械效率ηe：

转速不变，摩擦损失不变，故其随着指示功Pi（负荷）的增大而增大。当超过最大功率点后，随着燃烧急剧恶化，Pi下降，Pm也下降。1）指示热效率ηi：

先急剧减小（怠速时为∞，后随ηi、ηm的增大而减小）；

后逐渐升高（到达最低油耗点后，由于燃烧恶化，油耗随ηi降低而增大）。2.燃油消耗量曲线

最低油耗点1

冒烟界限2（限制超过）

最大功率点3

柴油机负荷特性曲线

二、汽油机的负荷特性

保持汽油机转速不变，改变节气门时，B、be、η等随负荷（Pe或Te）变化的关系。

定义：

特点：节气门开度增大充量系数φc增大循环供油量△b增大浓度基本不变而数量增大

因此，汽油机负荷特性的调整过程称为“量调节”。测取方法：将供油系、点火提前角调整好；水温、润滑油温最佳（85℃）。当汽油机保持某一稳定转速后，逐渐改变节气门开度（由小到大），测量功率、小时耗油量B，排气温度等参数。加大节气门开度，同时调节测功机负荷保持转速不变，稳定后测量第二点的功率小时耗油量B，排气温度等参数。如此依次一直作到节气门全开，一般不少于8点。把测量数据画在以负荷为横坐标的坐标系内、并连成曲线即得汽油机负荷特性曲线。

汽油机负荷特性曲线1.有效燃油消耗率曲线

先增大（节气门开度增大，残余废气减少，燃烧改善）；

后降低（大负荷混合气浓，燃烧不完全）；2）机械效率ηe：

转速不变，摩擦损失不变，故其随着指示功Pi（负荷）的增大而增大。1）指示热效率ηi：

汽油机负荷特性曲线

先急剧减小（怠速时为∞，后随ηi、ηm的增大而减小）；

后逐渐升高（随着混合气变浓，由于燃烧恶化，油耗随ηi降低而增大）。2.燃油消耗量曲线

三、柴油机、汽油机负荷特性的对比分析1、柴油机燃油消耗率普遍较低，且小负荷到中负荷的油耗率下降迅速；1）柴油机不仅压缩比大，过量空气系数也大；

原因：2）汽油机低负荷时采用浓混合气且残余废气多，加之泵气损失大，故油耗率高；

柴、汽油机负荷特性对比2、柴油机低油耗区较汽油机宽；3、柴油机排气温度较汽油机普遍较低，且随负荷变化较大；1）柴油机压缩比大，故膨胀比较汽油机大，热效率高；

原因：2）柴油机充量基本不变，循环供油量增大时，放热多，故温度升高较快；

柴、汽油机负荷特性对比

汽油机节气门开度增大时，虽然供油量增大，但相应进气也多，故温度升高较平坦；负荷特性曲线特点负荷特性是发动机的基本特性。常用它评价发动机工作的经济性。根据需要可测定发动机不同转速下的负荷特性。转速变化时，各条负荷特性曲线的变化趋势相同，只是各条曲线的路径不同。每条曲线的最右端点表示全负荷转速下的功率及燃油消耗率。负荷特性曲线特点由负荷特性可以看出，低负荷时，有效燃油消耗率很高，经济性差。因此，应注意提高发动机的功率利用率。同一转速下，最低油耗率bmin愈小，曲线变化愈平坦，经济性愈好。柴油机bmin比汽油机低10％～30％；而且燃油消耗率曲线比较平坦。

负荷特性曲线特点柴油机部分负荷时低油耗率区比汽油机宽，因而柴油机比汽油机省油。第三节发动机的速度特性

定义：

当油量调节机构（油门位置）不变时，发动机性能指标随转速而变化的关系（用速度特性曲线表示）。

速度特性（曲线）的测定：1、发动机稳定运转一段时间，使水温、油温为正常值；2、固定油量调节机构，改变测功器负荷；3、测量不同转速下的be、Pe、Te等；

外特性：全负荷（处在最大油量位置）时的速度特性。

发动机速度特性曲线定义：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。部分速度特性（有无数条）外特性(只有一条)外特性是发动机所能达到的最高性能

一、柴油机的速度特性

保持柴油机油泵调节机构位置不变，测量Pe、be、Te、η等随转速n的变化关系。

定义：1、指示热效率ηi：

先增大（转速提高，雾化混合好、燃烧改善且散热少）；

柴油机不同负荷时ηi的速度特性

后减小（转速过高，充量降低、燃烧不全与后燃加重）；*思考：如左图所示，柴油机小负荷时指示热效率低，中等负荷时高，而全负荷时介于两者之间，为什么？2、机械效率ηm

：

柴油机不同负荷时ηm的速度特性

随n增大而逐渐减少（转速越高，摩擦损失越大）。3、有效燃油消耗率be

：

柴油机不同负荷时be的速度特性*思考：柴油机的ηm为什么随负荷（油门开度）的增大而增大？

先减小后增大（基本随ηi变化，但高速转速区由于ηm下降，其升高幅度较大）；4、循环供油量△b：

柴油机不同负荷时△b的速度特性

随n增大而逐渐增大（转速越高，压油速率增大，供油压力提高）。5、有效转矩Te与有效功率Pe：

柴油机不同负荷时be的速度特性Te：

先减小后增大（先随△b增大而增大，后因ηi和ηm降低而减小）。Pe：

先增大后减小（∝Te*n，最大值出现在max（Te*n）处）。

二、汽油机的速度特性

保持节气门开度不变，测量Pe、be、Te、η等随转速n的变化关系。

定义：

汽油机速度特性制取方法汽油机节气门固定在全开位置，调整测功机负荷使其稳定在标定转速，测量有效扭矩、B，排气温度等参数。节气门开度不变，加大测功机负荷，使发动机转速降低，稳定后测量第二点的有效扭矩、B、排气温度等参数。如此依次一直作到发动机的最低稳定转速，一般不少于8点。把测量数据画在以n为横坐标的坐标系内、并连成曲线即得汽油机的外特性曲线。柴油机与汽油机速度特性的对比汽油机速度特性1)汽油机的Ttq总体向下倾斜较大，尤其是在低负荷；柴油机的Ttq总体变化平坦，低负荷略向上扬。稳定性差异2)汽油机Pe外特性的最大值往往是标定功率点；柴油机Pe外特性无此极值点。3)汽油机be线陡峭些，尤其是低负荷；柴油机be线较平坦。柴油机速度特性

三、柴油机、汽油机的速度特性对比1、转矩特性：

三、柴油机、汽油机的速度特性对比

汽油机转矩的速度特性

柴油机转矩的速度特性

柴油机转矩曲线变化较为平坦，而汽油机变化较大，且节气门开度越小，其峰值向低速移动，变化率也越大。*思考：试根据柴油机和汽油机转矩的速度特性，分析它们适应路况（行驶阻力）变化的能力如何？1、转矩特性：

汽油机最大功率点通常在标定功率处，而柴油机最大功率点对应的转速很高，因而其标定功率点通常较最大功率点低很多。

汽油机功率的速度特性

柴油机功率的速度特性2、功率特性：

柴油机不同负荷下油耗率曲线变化平坦，且低油耗区宽广；汽油机油耗率曲线随节气门开度减小而变化剧烈，且低油耗区窄。

汽油机油耗率的速度特性

柴油机油耗率的速度特性3、油耗特性：第四节发动机的转矩适应性

定义：

当行驶阻力变化时，在不换档和加油门的情况下，发动机自动降速增矩的特性（常用转矩适应性系数KT和转速适应性系数Kn来表示）。

一、KT与Kn：

发动机转矩的速度特性

式中：Temax、nm为外特性上最大转矩和对应的转速；

Tn、nn为标定转矩和转速；

二、转矩储备系数μ：KT、μ值越大，表明转速降低后转矩增加快，发动机适应道路阻力变化的能力就越强。汽油机、柴油机转矩特性对比

汽油机：μ=10%-30%

柴油机：μ=5%-10%

柴油机转矩特性较汽油机差，常需要配专门的调速器来改善转矩特性。柴油机与汽油机外特性的对比相同标定点条件下，汽、柴油机动力适应性对比结论：同一档位，汽油机的加速和克服阻力能力优于柴油机柴油机最高转速更远偏离标定转速，造成“飞车”柴油机需要低速“校正”；高速“调速”外特性的动力适应性1）转矩适应系数与转矩储备系数2）转速适应系数Question:三条转矩外特性线，哪一条线的动力适应性最好？结论：KT和Kn越大，发动机克服阻力的能力越强。汽油机:1.6~2.5柴油机:1.4~2.0汽油机:1.25~1.35柴油机:<1.052>1,Kn1=Kn23=2,Kn3>Kn2柴油机外特性的校正虚线——烟度限制线剖面线——可以让外特性进行校正而不使烟度超标的空间校正方法：机械校正:加速踏板位置不变，油量调节杆位置随转速下降而自动增大校正外特性曲线——机械校正法得到的速度特性已不符合油量调节杆位置不变的定义，故称之为校正外特性曲线第五节车用柴油机的调速特性调速器的必要性

柴油机工作时的最大特点：

随着转速的升高，其循环供油量增加；转速降低时，供油量减少。

柴油机使用中需要解决的两个问题：1、控制怠速稳定、防止易熄火2、防止高速“飞车”

调速器的功用

调速器的工作原理：

让循环供油量的变化符合充量的变化，即转速降低时增加供油量，反之则减少供油量。

调速器种类

（按功能）

两极调速

全程调速汽油机与柴油机的自调节性能对比（a）汽油机不同节气门位置（b）柴油机不同节气门位置实线：发动机转矩；点画线：阻力矩；虚线：调速特性曲线两级调速器工作原理发动机怠速运转时，调速器的飞球5的离心力，与软的怠速弹簧10的推力相平衡。当偶然原因使n高于或低于怠速转速时，调速器起作用。

由于飞球的离心力增大或减小，使调节推杆6带动调节杠杆8，以A为支点右移或左移，减少或增加循环供油量，使转速不至于增加或降低得过多，从而保持了怠速运转的稳定。两级调速器的柴油机调速特性由于调速器的作用，使速度特性的两端得到调整,转速变化时，转矩曲线急剧变化。中间部分按速度特性变化。

定义：

调速器手柄位置固定（油门位置不变），在调速器起作用时，柴油机性能指标随转速的变化关系。

一、调速特性：

两极调速特性1、调速率：

二、调速器的工作指标：

突然卸负荷的调速过程

调速器调速过程中应具备以下基本性能：1）转速波动应收敛，避免长时间不稳定工作而“游车”；

2）转速波动不能太大，以免影响动力系统正常工作；

3）过渡时间不能太长。

调速率越小，转速波动越小，柴油机工作就越稳定（通常要求调速率在10%以下）。2、过渡时间tn：

过渡时间越小，调速器反应越迅速（通常要求过渡时间＜5s）。3、不灵敏度ε：

由于调速机构存在摩擦等阻力，当负荷（转速）在一定范围内发生变化时，调速器不一定起反应。

式中：n2

、n1为调速器起作用的上、下限转速转速；

R为调速机构的摩擦阻力，E调速器产生的推力。

ε越大，柴油机工作越不稳定（通常低速时ε要大），当ε＞1时，调速器将失去作用，易“飞车”。第六节发动机的万有特性

定义：

与转速n为横坐标，平均有效压力pme为纵坐标，在图上画出许多等油耗线和等功率线。

一、万有特性曲线：特点：在pme~n的平面坐标上，同时表示多种性能万右特性的制取方法：负荷特性法1）制取负荷特性2）万有特性坐标3）将负荷特性上的等油耗线移到万有特性坐标上。2、万有特性的分析AB经济区：横向疏密程度：对转速的敏感性纵向疏密程度：对负荷的敏感性比较A、B两点性能：汽油机：负荷特性

节气门开度：A>B

c：A>B

m：A>B余废气系数r：A<B

i：A>B柴油机：

c：A=Bm：A>Br：A<B

i：A<B

a：A<BAB柴油机：

c：A>B