发动机原理课件8

第8章发动机特性第一页，共57页。学习目的通过对本章节的学习，重点掌握发动机的负荷特性、速度特性，万有特性及及柴油机的调速特性的定义。理解各个特性曲线的变化趋势及原因；各个曲线的形状和位置对发动机的性能有何影响；柴油机安装调速器的原因。理解柴油机和汽油机特性曲线的异同点及形成原因；万有特性的应用；两级式调速器和全程式调速器对柴油机性能的影响，及各自的特点；发动机主要性能的测试方法及主要参数的测试方法。第二页，共57页。发动机特性定义发动机特性，即发动机性能指标随调整情况和运转工况而变化的关系。表示其变化规律的曲线称为发动机特性曲线。发动机性能指标随调整情况而变化的关系称为调整特性。如汽油机的燃油调整特性、点火提早角调整特性、柴油机的喷油角提早角调整特性等。发动机性能指标随运转工况变化而变化的关系有速度特性与负荷特性。在柴油机的调速器起作用时，其性能指标随转速或负荷而变化的关系，称为调速特性。根据发动机特性曲线，可以很方便地评价不同发动机在不同工况下的动力性和经济性，分析其影响因素，寻求改进发动机特性的途径。第三页，共57页。8.1发动机的工况及根本特性发动机所处的工作状况〔简称工况〕是由负荷和转速两个因素决定的。由功率和转速的关系kW可知，Pe、Te、n三个参数中，只有两个独立变量。因此，可用Pe、n或Te、n来表示发动机的工况。Pe或Te说明发动机负荷的大小，n表示发动机转速的上下。第四页，共57页。8.1发动机的工况及根本特性发动机的工况一般可分为三类。1、点工况2、线工况3、面工况发动机的功率标定〔P133〕〔1〕15分钟功率〔2〕1小时功率〔3〕12小时功率〔4〕持续功率第五页，共57页。8.2发动机的负荷特性负荷特性是指发动机在某一转速下，燃油经济性指标及其他参数随负荷变化的关系，假设用曲线表示那么称为负荷特性曲线。当汽车以一定的车速沿着阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。第六页，共57页。汽油机的负荷特性点火提早角最正确、燃油喷射系统及进气系统工作正常，或化油器调整完好的情况下，保持汽油机转速一定，每小时燃油消耗量Gt、有效燃油消耗率ge随负荷Pe而变化的关系，称为汽油机负荷特性。汽油机的负荷调节方法称为“量调节〞。即化油器式发动机通过改变节气门开度，改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化；汽油喷射式发动机所形成的混合气的混合比，按不同工况的空气量来计量喷油量，而进气管中的空气流量由节气门来控制，仍属于量调节。缸内直喷汽油机和柴油机喷射类似，属于质调节。第七页，共57页。汽油机的负荷特性汽油机ηi、ηm随负荷的变化关系第八页，共57页。每小时燃油消耗量曲线汽油机转速一定时，每小时燃油消耗量主要取决于节气门开度和混合气成份。由于汽油机的量调节方式，负荷变化时，节气门开度改变，影响混合气量的变化。汽油机除怠速工况外，从小负荷到中等负荷，随节气门开度变大，曲线呈线性变化，燃油消耗量逐渐增加；当节气门开至加浓装置参加工作后，曲线变陡，燃油消耗量上升较快。第九页，共57页。有效燃油消耗率曲线燃油消耗率ge=k3/ηiηm〔ηi—指示热效率；ηm—机械效率；k3—比例常数〕。由此可知ge取决于ηi和ηm。ηi、ηm随负荷变化如下图。转速一定，随负荷增加，节气门开度加大，剩余废气相对减少，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。ηm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。第十页，共57页。有效燃油消耗率曲线当发动机空转〔Pe=0〕时，指示功率完全用于抑制机械损失，即Pi=Pm，那么ηm=0，所以耗油率为无穷大。随负荷增大，由于ηiηm同时上升，使耗油率曲线迅速下降。当ηiηm到达最大值时，出现最低油耗后，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，使油耗率又有所增加。第十一页，共57页。柴油机负荷特性柴油机转速一定，每小时耗油量Gt、有效燃料消耗率ge随负荷变化的关系称为柴油机负荷特性。在转速一定时，进入气缸的空气量不变，改变符合相应改变的每循环供油量△q，使混合气成分发生变化。因此，柴油机是通过改变混合气的过量空气系数来适应负荷的变化。此方法称为“质调节〞。第十二页，共57页。1-油耗最低点2-冒烟界限点3-极限功率点柴油机负荷特性柴油机ηi、ηm随负荷的变化关系第十三页，共57页。每小时燃油消耗曲线转速一定时，柴油机的每小时耗油量mh取决于△q。负荷增加，△q增加，mh随之增加。当负荷接近冒烟界限点2后，由于燃烧恶化，mh上升得更快一些。第十四页，共57页。有效燃油消耗率曲线同汽油机一样，柴油的有效燃油消耗变化也取决于ηi和ηm。其变化关系如下图。与汽油机不同，随负荷增加，每循环供油量△q增加，过量空气系数α减小，燃烧不完全程度大，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下降快。ηm随负荷增加而上升。第十五页，共57页。有效燃油消耗率曲线

当Pe=0，ηm=0时，耗油率ge趋于无穷大。随负荷增加，由于ηm迅速增加，且远大于ηi的减小，使ge下降很快。当△q增加到1点位置时，ge最小。此后再增加负荷，由于ηi下降比ηm上升的多，使ge又有所增加。当△q增加到2点位置时，不完全燃烧现象显著增加，烟度急剧增大，到达规定限值。2点称为冒烟界限。当循环供油量超过2点时，不仅燃油消耗量增大，排放污染严重，甚至影响发动机寿命。所以，柴油发动机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。第十六页，共57页。结论负荷特性是内燃机的根本性质。常用它评价内燃机工作的经济性。根据需要可以测定内燃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一样，各条曲线所代表的转速不同。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。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，应注意进步内燃机的功率利用率。同一转速下，最低有效燃油消耗率越小，其曲线变化越均匀，经济性越好。相比之下，柴油机的最低燃油消耗率比汽油机的低10%~30%；柴油机部分负荷的低油耗区比汽油大，因此柴油机比汽油机省油。第十七页，共57页。8.3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速度特性。假设驾驶员将加速踏板位置保持一定，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。第十八页，共57页。汽油机的速度特性汽油机节气门开度固定不动，其有效功率Pe、转矩Te、耗油率ge、每小时耗油量mh等随转速n变化的关系称为汽油机速度特性。实验时调整测功器，如逐渐改变水利测功器水量来改变汽油机的转速。测取前，应将点火提早角、化油器调整完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、光滑油温度在最正确状态。节气门保持全开，所测得的速度特性称为外特性。节气门部分开启时所测得的速度特性称为部分速度特性。由于节气门的开启可以无限变化，所以部分速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只有一条。第十九页，共57页。汽油机ηi、ηm、ηv随转速n的变化趋势车用汽油机外特性第二十页，共57页。外特性曲线转矩Te曲线Te=k2(ηv/α)ηmηi在节气门开度一定时，α值根本不随转速而变化，汽油机Te大小主要决定于ηvηmηi随n的变化。ηv是在某一中间转速时最大，这时因为在此转速下能最好地利用惯性进气，当转速低于或高于此转速时。ηv都将降低。第二十一页，共57页。ηi的变化是在某一中间转速略为凸起。在较低转速下，因缸内气流扰动减弱，火焰传播速度减低，散热及漏气损失增加，使ηi降低；转速高时，燃烧所占的曲轴转角大，燃烧效率低，也使ηi降低。不过它的变化比较平坦，对Te影响较小。转速增加，消耗于机械损失的功增加，因此ηm随转速上升而下降。综合而言，当转速由低速开场上升时，由于ηv、ηi上升，Te有所增加，对应于某一转速时，Te达最大值。转速继续进步，由于ηv、ηm同时下降，因此Te随转速升高而较快地下降，即Te曲线变化变陡。第二十二页，共57页。功率Pe曲线当转速从很低值增加时，由于Te和转速同时增加，P=Ten/9550迅速上升；直至转矩到达最高点后，再继续进步转速，那么Pe上升逐渐缓慢；至某一转速Ten到达最大值时，Pe亦不能再增加；假设转速再上升，由于Te的降低已超过了转速上升的影响，所以功率Pe反而下降。第二十三页，共57页。有效燃油消耗ge曲线综合ηi、ηm的变化，ge在某一中间转速时最低；当转速高于此转速时，那么因ηi、ηm同时下降而ge上升。当转速低于此转速，因ηi上升弥补了ηm的下降，ge亦增加。由于进气管动态效应影响到ηv随n的变化规律，因此Te、ge等随n变化的曲线也常呈某些波动现象。第二十四页，共57页。汽油机的外特性是在节气门全开时测得的，曲线上每一点表示它在此转速下的最大功率及转矩，所以代表发动机最高动力性能，所有发动机都需要做外特性曲线。外特性曲线实验条件分为如下两种：1〕发动机仅带维持运转所需的附件运转〔不装风扇、气泵或空气滤清器以及消声器等附件〕，这时输出的校正有效功率称为总功率。我国的发动机特性数据为这一种情况。2〕发动机试验时带上全套附件，此时输出的校正有效功率称净功率或使用外特性。显然，第2种情况下的功率低，而油耗高。制造厂商根据发动机的用处规定的额定转速下对应的功率称为发动机的额定功率。第二十五页，共57页。部分速度特性汽车大部分时间是在部分负荷下工作的，随着节气门关小，节流损失增大，进气终了的压力pa下降，从而引起ηv下降；随着转速进步，ηv下降的速度更快。因此，节气门开度愈小，转矩Te随转速增加而下降得愈快，最大转矩点及最大功率点均向低转速方向挪动。第二十六页，共57页。柴油机的速度特性喷油泵的油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标〔Pe、Te、mh、ge〕随转速n变化的关系称为柴油机速度特性。测取时，应将供油提早角、冷却水温、光滑油温度等调整在最正确状态。当油量调节机构固定在标定〔或称额定〕功率循环供油量位置时，测得的速度特性为标定功率速度特性，习惯上亦称外特性。第二十七页，共57页。柴油机的速度特性部分速度特性标定功率定义为使用中允许的最大功率，它是根据用处、使用负荷情况而定的，对任何一款详细的柴油机标定的功率速度特性曲线只有一条，它代表该机在使用中允许到达的最大性能，所有柴油机必须作标定功率速度特性。第二十八页，共57页。柴油机外特性柴油机中ηm、ηi、△q随n的变化趋势第二十九页，共57页。外特性曲线转矩Te曲线柴油机中，各种转速下终究能发出多大转矩，主要取决于每循环供油量△q的多少。因此，柴油机转矩曲线的变化趋势，取决于△q随转速变化的情况。柴油机的转矩可定性为T=K2ηiηm△q，而其中ηi、ηm、△q的变化趋势如下图。第三十页，共57页。分析在常用的柱塞式喷油泵中，当油量调节机构位置一定而改变转速时，每循环供油量△q由油泵速度特性决定，它将随转速的进步而增加。ηi的变化是在某一中间转速时稍有凸起。因为在较高转速下常由于ηi下降和△q上升，使过量空气系数α下降，加上燃烧过程经历的时间缩短，混合气形成条件恶化，不完全燃烧现象增加，致使ηi有些下降。转速过低，也会由于空气涡流减弱，燃烧不良及传热漏气损失增加，使ηi降低。但ηi曲线的变化趋势比较平坦。ηm随转速的上升而下降。△q随转速增加的上升抵消了ηi和ηm下降的影响，因此随着转速的上升，柴油机的Te下降不明显，曲线变化甚至是一直微微上倾的。第三十一页，共57页。功率Pe曲线由于Te变化平坦，在一定转速范围内、功率Pe几乎与转速成正比增加。第三十二页，共57页。有效燃油消耗率ge曲线综合ηi、ηm的变化，ge是在某一中间转速时最低，但整个曲线变化并不很大。第三十三页，共57页。部分速度特性随着油量调节机构固定位置的减小，循环供油量减小，但△q随n的变化趋势根本相似，亦是随n的增加而上升，所以柴油部分特性Te的变化根本与外特性上Te平行，即Te随转速变化不大。对于经常在部分负荷下工作的发动机而言，还应该作90%，75%，50%和25%的部分负荷速度特性或作万有特性。第三十四页，共57页。8.4柴油机的调速特性柴油机上装调速器的必要性：1〕由柴油机的速度特性，其有效转矩曲线随转速变化平缓，因此，柴油机外界阻力矩的少量变化，就会引起柴油机转速的较大变化。又由喷油泵速度特性，转速升高，循环供油量增加。汽车的行驶阻力时经常变化的，偶尔也会有较大幅度的变化。例如突然卸去负荷，转速将会有较大的升高，循环供油量将随之增加，反过来又促使转速进一步升高。因此柴油机将猛然加速，转速大幅度上升，甚至超过允许限度而出现飞车事故。而且柴油机的运动零件较为笨重，超速时会产生很大的惯性力，严重时可能引起零件损坏。因此，柴油机上必须有防止超速的装置。第三十五页，共57页。柴油机上装调速器的必要性2〕汽车发动机经常会在怠速工况下运转，例如短暂停车、起动暖车等。假如发动机怠速运转不稳定，容易熄火，会给驾驶员带来很大费事。怠速时混合气燃烧放出的能量全部用于抑制发动机自身运转的机械损失。故怠速运转的稳定性决定于平均指示压力pi与平均机械损失压力pm的关系。一般来说，转速增加时pi、pm都略有增加。由喷油泵速度特性所决定，在转速增加时，喷油泵即使在最小的供油位置，循环供油量也略有增加，使pi也随之略有增加。因此，当pi或pm略有变化，都会引起转速很大的波动，使柴油机怠速极不稳定。可见，柴油机必须有保证怠速稳定的装置。第三十六页，共57页。〔1〕由柴油机的速度特性，其有效转矩曲线随转速变化平缓。因此，柴油机外界阻力矩的少量变化，就会引起柴油机转速的较大变化。又由喷油泵速度特性，转速升高，循环供油量增加。〔2〕发动机在标定转速附近运转时，假如突然卸去负荷会造成转速大幅上升，循环供油量也迅速增加，发动机转速进一步快速上升，甚至超过允许限度而出现飞车事故。因此，柴油机上必须有防止超速的装置。〔3〕汽车发动机在怠速工况运转时，假设发动机负载突然增加，怠速将会下降，循环供油量也下降，转速进一步下降，最终导致怠速运转不稳定，甚至熄火。因此柴油机必须有保证怠速稳定的装置。总结——为何柴油机上要装调速器？第三十七页，共57页。调速器与调速特性在调速器起作用时，柴油机的主要性能指标随转速或负荷变化的关系，称为柴油机的调速特性。根据需要可分为两极式调速器和全程调速器。第三十八页，共57页。两极调速器车用柴油机一般采用两极调速器。调速器在怠速和标定转速附近起作用，以稳定怠速和防止高速飞车。中间转速调速器不起作用，由驾驶员通过加速踏板控制供油量。第三十九页，共57页。两极调速器工作原理图1-油量调节齿条2-油门踏板

3-调节轴

4-支承架5-飞球

6-调节推杆

7-拉杆

8-调节杠杆

9-弹簧座10-怠速弹簧

11-高速弹簧12-滑块第四十页，共57页。全程调速器柴油机由最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用，这样的调速器我们称为全程式调速器。工程机械、矿山机械等用柴油机一般都为全程式调速器。第四十一页，共57页。8.5发动机的万有特性负荷特性和速度特性只能表示某一转速或某一齿条位置〔或节气门开度〕时发动机参数间的变化规律，而汽车、拖拉机的工况变化范围很广，要分析各种工况下的性能就需要许多张负荷特性或速度特性图，这样做极不方便，也不清楚。为了能在一张图上较为全面地表示发动机性能，经常应用多参数的特性曲线称为万有特性。通过万有特性可以方便查出内燃机各种工况下的性能指标。以转速n为横坐标，以转矩Te或平均有效压力Pme为纵坐标，在图上画出许多等燃油消耗曲线和等功率曲线，构成万有特性。第四十二页，共57页。汽油机与柴油机万有特性的比较最低油耗偏高，经济区偏小；等燃油消耗线在低速区向大负荷收敛，说明汽油机低速、低负荷工作时，燃油消耗率较高；等功率曲线随转速升高而斜穿等燃油消耗线，故当Pe一定时，转速愈高愈费油；汽油机〔n一定〕的△ge/△Te或△ge/△Pme比柴油机大，说明变工况工作时平均油耗偏高。柴油机万有特性与汽油机相比：最低燃油消耗偏低，经济区较宽；等耗油率线在上下速均不收敛，变化比较平坦；等功率线向高速延伸时，耗油率变化不大。第四十三页，共57页。

CA6102汽油机万有特性EQD6102—1型柴油机万有特性第四十四页，共57页。万有特性的应用可以方便地查到内燃机在任何点〔Te,n〕工作时的Pe、ge、Pme以及发动机最经济负荷和转速。等燃油消耗率曲线的形状及分布情况，对内燃机使用经济性有很大影响。等燃油消耗率曲线内层为最经济区，曲线愈向外，经济性愈差。假如等燃油消耗率曲线横向较长，表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小。假如等燃油消耗率曲线纵向较长，那么发动机负荷变化较大而转速变化较小情况下的燃油消耗较小。对于常用于中等负荷、中等转速工况的车用内燃机，希望其最经济区处于万有特性中部，等燃油消耗率曲线横向较长。对于转速变化范围较小而负荷变化范围较大的工程机械用内燃机，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。第四十五页，共57页。万有特性的应用某些改进与研究性试验时，为保证内燃机与传动系的匹配，将常用排档下常用阻力曲线〔折算成Pme值〕绘于万有特性上。可以一目了然地看出汽车的常用工作区，是否与发动机的经济油耗区接近，以判断改进效果。可用万有特性评价内燃机排放污染情况。将内燃机有害排放物随负荷和转速变化的关系画在万有特性上，从而反映内燃机在某一工况下的燃烧与混合气形成情况。可以结合传动系统参数绘制整车万有特性。由此可以确定各排挡、各种坡度、不同车速下的经济性和动力性。第四十六页，共57页。发动机试验发动机试验按其目的分为性能试验和可靠性试验。主要性能的试验：功率试验负荷特性试验万有特性试验柴油机调速特性试验柴油机怠速试验汽油机怠速试验第四十七页，共57页。功率试验试验目的：评定发动机在全负荷下的动力性能和经济性能。测定工程分总功率测定和净功率测定两种。测定总功率时发动机仅带维持运转所必要的附件。测定净功率时发动机带全套附件。试验方法：节气门全开，在发动机工作转速范围内，顺序地改变转速进展测量。适当分布8个以上的测量点。通过测量发动机的输出转矩和转速，计算出发动机的有效功率。根据记录进展计算，并绘制总〔净〕功率曲线。第四十八页，共57页。负荷特性试验试验目的：评定在规定转速下发动机部分负荷的经济性。试验方法：在50%~80%的额定转速下进展，发动机转速不变，从小负荷开场，逐渐增大节气门，进展测量，直到节气门全开，适当分布8个以上的测量点。第四十九页，共57页。万有特性试验试验目的：评定发动机在各种工况下的经济性，为选用汽车发动机提供根据。试验方法：以下两种方法可任选其一。负荷特性法在发动机工作转速范围内均匀地选择8种以上的转速，按负荷特性的试验方法，在选定的各种转速下进展负荷特性试验。速度特性法根据额定功率的百分数，适当地选择8种以上的节气门开度，在一种节气门开度下，在发动机工作转速范围内，顺序地改变转速进展测量，适当地分布8个以上的测量点。然后再进展其他节气门开度的速度特性试验。根据所得到的负荷或速度特性曲线，绘制万有特性曲线。第五十页，共57页。发动机试验中的测试工程与试验设备试验台架油耗计测功机第五十一页，共57页。试验台架发动机工作时有较大的振动和旋转力矩，所以试验台要有比较巩固的根底。在根底下面有一层垫层，使用油毡、木材或橡胶等材料以吸收振动。在发动机的功率输出端通过万向联节与测功机连接。通过测功器和转速表所测读数，可以计算出被测发动机的有效功率。燃料的供给由专用的燃油箱通过油耗计供至发动机的燃料供给系。为了测量进气温度，冷却水进水温度，冷却水出水温度，排气温度等，备有安装各种测量仪器的专用位置。第五十二页，共57页。油