第六章发动机特性讲义

第六章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。第一节发动机工况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作业题特性曲线分析§6-1发动机工况一、发动机工况：发动机的运行情况（简称工况）用功率和转速n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=工作机械消耗的扭矩时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。大致可分为以下三类。（恒速、螺旋桨、路上运输）表征内燃机运行工况的参数可由下式给出:式中，Pe-有效功率，Ttq-转矩，n-工作转速。1.恒速工作：第—类工况:转速不变，而功率改变。例如，带动发电机工作时，为保证频率的稳定性，要求发动机转速基本不变，功率则随电机负荷大小，可由零变到最大呈阶跃式突变。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8—1中的曲线1)，称为线工况。

2、螺旋桨工作：

第二类工况：功率与转速接近三次幂函数关系，，K为比例常数。带动螺旋桨工作的船用机即属此类，故称螺旋桨工况，如图中曲线2所示。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。

3、陆上运输：第三类工况，功率和转速都独立地在很大范围内变化。①转速决定车速，可以从最低稳定转速一直变到最高转速；②扭矩取决于行驶阻力，在同一转速下，可由零变到全负荷；③当需要发动机制动时，如汽车下长坡，发动机是由底盘倒拖而做负功。阴影面的上限是发动机在各种转速下所能发出的最大功率（曲线3），左面对应于最低稳定转速，右面对应于最大额定转速，下面是制动时倒拖发动机所需功率。

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曲线：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。

三、发动机性能指标与工作过程的关系

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。这些指标与发动机工作过程参数的关系可以推导如下。每循环加热量Q（kJ）为：式中ηv——充量系数；ρo——大气状态下空气密度（kg/m3）Vs——气缸工作容积（m3）；α——过量空气系数；hu——燃料低热值（kJ/kg）；Lo——理论空气量（kg/kg）。其中：为混合气热值（KJ/Kmol）,功率扭矩（汽油机）燃油消耗率小时耗油量扭矩（柴油机）其中：K1、K2、K3、K4为比例常数。§6-2发动机的负荷待性

负荷特性：评价发动机的经济性

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。以曲线表示，则称为负荷特性曲线。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。

一、汽油机负荷特性1、制取条件：将供油系、点火提前角调整好；水温、油温最佳（85±5℃）。2、制取方法：①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。②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。③如此依次一直作到节气门全开，一般不少于8点。④把测量数据画在以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。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”。3、be曲线历程分析①燃油消耗率b曲线由公式:be=k3/ηiηm可知，燃油消耗率be的变化取决于ηi、ηm的变化。ηi、ηm随负荷的变化如图所示。●关于ηi的变化：①②Pe接近全开时，为了保证最大功率，供给α=0.8～0.9的浓混合气，燃烧不完全→ηi↓。●关于ηm的变化：①（空转时）,②当n恒定时，Pm基本不变，

燃烧完全；UT↑→燃烧及时性因此：怠速（空转时），随着负荷增加ηi、ηm同时增加be急剧下降。当时be最小。当负荷再曲线上翘。②B曲线,由公式:当转速一定，Pe↑→节气门开度↑

→B↑，直至混合气成分变浓后，B上升更快一些。二、柴油机的负荷特性1、制取条件：将供油提前角调整完好；水温、油温度最佳（85±5℃）。2、制取方法：①将柴油机调到给定转速（由小到大）稳定后，测量Ttq

、B等参数。②增加供油量，同时调节测功机保持转速不变，稳定后测量第二点的功率小时耗油量B，排气温度和排气烟度等参数。③如此依次一直作到全负荷，一般不少于8点。④把记录的数据通过计算，画在以为横坐标的坐标系内、并连成曲线即得柴油机负荷特性曲线。3、be曲线历程分析⑴燃油消耗率曲线由公式:be=k3/ηiηm可知，燃油消耗率be的变化取决于ηi、ηm的变化。ηi、ηm随负荷的变化如图所示。●关于ηi的变化：当n恒定时，Pm基本不变，

●关于ηm的变化：①（空转时）,②n恒定时，ηv基本不变，

燃烧不完全燃烧持续期↑当Pe=0，ηm=0时，be趋于无穷大。随负荷增加，ηm迅速增加，且远大于ηi的减少，使be下降很快。当△b增加到1点位置时，be最小。此后再增加负荷，由于ηi下降较ηm上升的多，使be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。如，拖拉机、工程机械经常在大负荷或超负荷工作，一般油量可调整在最低油耗点1。汽车发动机经常在中小负荷工作，偶尔全负荷，油量可调整在冒烟点，也可采用切线法确定全负荷油量，从坐标原点作be曲线的切线，切点油量可作为该转速下全负荷油量。这时是功率和油耗的最低折中。⑵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。三、柴油机与汽油机负荷特性的区别1)汽油机的燃油消耗率普遍较高，且在从空负荷向中、小负荷段过渡时，燃油消耗率下降缓慢，仍维持在较高水平，燃油经济性明显较差。2)汽油机排温普遍较高，且与负荷关系较小。3)汽油机的燃油消耗量曲线弯曲度较大，而柴油机的燃油消耗量曲线在中、小负荷段的线性较好。小结：负荷特性主要用于评价发动机的经济性①同一转速下的最低耗油率愈小，曲线愈平坦，经济性愈好。②比较柴油机和汽油机负荷特性曲线可知，柴油机经济性好ⅰ、最低耗油率比汽油机低20-30%；（柴油机ηv,α,ε大）ⅱ、柴油机耗油率曲线比汽油机曲线平坦；（因ηi的变化趋势相反）ⅲ、汽油机B曲线弯曲度较大，柴油机B曲线在中小负荷接近直线。③在低负荷区耗油率高。因此，选用发动机时，再满足动力性要求前提下，不宜装功率过大的发动机以提高功率利用率和使用经济性。§6-3发动机的速度特性1.速度特性：发动机性能指标随转速变化的关系。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)随发动机转速的变化规律。；；；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，这称部分速度特性。种类：部分速度特性与外特性当油量控制机构在最大位置时，测得的特性为全负荷速度特性(简称外特性)；（只有一条）油量低于最大位置时的速度特性，称为部分负荷速度特性。（无数条）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。

一、汽油机的速度特性A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be、每小时消耗油量B等)随转速n变化的关系。B种类:外特性（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—节气门部分打开时的速度特性。一、汽油机的外特性1、制取条件：将供油系、点火提前角调整好；水温、油温最佳（85℃）。2、制取方法：①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Ttq、B，排气温度等参数。

②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Ttq、B、排气温度等参数。③如此依次一直作到节气门全开，一般不少于8点。④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。3、曲线历程分析（1）Ttq曲线历程分析由公式：可知:外特性油门不变α为常数，所以Ttq主要取决于ηv、ηi、ηm、的变化。

①关于ηv随转速的变化：某一中间转速ηv最大.n↓→进气倒流－－→

ηv

↓

n再↑→进气阻力↑→

②关于ηi随转速的变化：也是中间高两头低n↓→涡流弱↓、UT↓、传热、漏气损失↑n↑→燃烧所占曲轴转角↑→燃烧速率↓

③关于ηm随转速的变化：n↑→Pm↑而Pi变化不大,∴Ttq—随转速的变化高速时:Ttq:曲线呈上凸形状ηin使Ttq。ηin使Ttq变化不大,略有；低速时:综合作用的结果是；当转速由低开始上升时，ηv，ηi同时增加的影响大于ηm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ηv、ηi、ηm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）Pe曲线：由公式（n+Ttq）↑→Ρe↑↑，当Ttq达到最大后,n↑→Ttq→Ρe↑较缓；直到Pemax后⑶．燃油消耗率曲线变化趋势根据公式:be在某一中间转速当ηiηm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于ηm上升弥补不了ηi的下降，使be增加。转速较此转速高时ηi、ηm均较低，be也增加。

二、柴油机的速度特性定义：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（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。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。

扭矩表达式可定性地写成:

由式可见，柴油机扭距随转速的变化趋势决定于ηi、ηm、△b随转速n变化的趋势。

（1）△b—随转速n的提高，每循环供油量△b增加。（2）ηv也是在某一中间转速n出现最高值。

（3）ηi—指示热效率ηi某一中间n稍高ηi转速低空气涡流减弱，燃烧不良及散热漏气损失增加ηi转速高ηv、△b，使α，不完全燃烧严重燃烧占曲轴转角，燃烧容积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．燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高，ηi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ηi、ηm达到最大值时，出现bemin值。

三、发动机扭矩特性如当汽车上坡时，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。要求发动机的扭矩随转速的降低而增加。因此，为表明发动机的性能，引入扭距储备系数和转速储备系数的概念。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。（一）.扭距储备系数充分说明发动机的动力性能，除给出标定功率及其相应的转速外，还要同时考虑发动机的扭矩特性，从而引入扭距储备系数μ和适应性系数K的概念。扭矩储备系数：

适应性系数:

式中:Ttqmax—外特性曲线上的最大扭矩（N·m）；Ttq—标定工况下的扭矩(N·m)。μ或K值大，表明两扭矩之差（Ttqmax-Ttq）值大，即随着转速的降低，扭矩Ttq增加较快，从而在不换档的情况下，爬坡能力、克服短期超载能力强。汽油机μ=10％～30％，K＝l.2～1.4可以满足汽车的使用要求。柴油机扭矩曲线平坦，若不予以校正，则μ值在5％～10％范围，K值只有1.05左右，难以满足汽车拖拉机的工作需要。（二）转速存储设备系数φn转速存储设备系数是标定工况时的转速与最大扭距转速的比值。

式中nB——标定工况转速；ntq——最大扭矩转速.最大扭矩转速ntq越低，φn越大，车辆在不换挡的情况下，发动机克服阻力增加的潜力越强。一般，汽油机φn=1.15~2.0，柴油机φn=1.5~2.0。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7—10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ΔTtq1，转速相应降低了Δn1。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。对于柴油机，其速度特性如图中曲线Ⅱ，由于其转矩曲线较平坦，则从工况a过渡到工况2时，转速降低较多(Δn2＞Δn1)而转矩增大的幅度并不大(ΔTtq2＜ΔTtq1)。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，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。

（三）柴油机扭矩特性的改善柴油机扭矩储备系数小的根本原因是由喷油泵速度特性决定的。因此，柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性扭矩曲线。油量校正装置的作用是：当发动机在标定工况下工作时，如果转速因外界阻力矩不断增加而下降，则喷油泵能自动增加循环供油量，以增大低速时的扭矩，提高扭矩储备系数。调速器控制原理转速n离心力调速弹簧弹力调速拉杆各分泵柱塞角度供油量控制手柄驾驶员柱塞泵供油特性供油量Q转速n反馈调速器构造原理离心推力弹簧弹力额定工况调速器工作原理高速挡钉低速挡钉调速手柄供油拉杆分泵柱塞离心飞球推力盘调速手柄调速弹簧调速弹簧离心飞球推力盘驱动板驱动板供油拉杆分泵柱塞供油量转速起动工况调速器工作原理起动弹簧校正弹簧拉杆移动总量超负荷工况调速器工作原理校正弹簧受压缩

发动机转速过低，飞球离心力过小，使校正弹簧受压缩，供油量增加。小负荷工况调速器工作原理

额定工况下，发动机运转阻力过小，使转速增加，弹簧受压缩，减小供油量。供油减小量调速器各工况的工作原理部分负荷工况全负荷工况超负荷工况起动工况校正弹簧起动弹簧离心飞球怠速弹簧油门调节臂分泵柱塞

校正方法：（1）出油阀式校正机构。（2）附加在调速器上的弹簧校正机构。

（放在本章第六节中）。§6-4柴油机调速特性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。一、柴油机装置调速器的必要性1、提高工作稳定性发动机稳定工作的条件是其发出的扭矩与外界阻力矩相等，如图6－26中的A点。如果发动机扭矩曲线能随转速增加而迅速下降，则当外界阻力矩有暂时变化时，这种曲线便具有自动保持稳定工作的能力，§6-4柴油机调速特性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。一、柴油机装置调速器的必要性1、提高工作稳定性发动机稳定工作的条件是其发出的扭矩与外界阻力矩相等，如图6－26中的A点。如果发动机扭矩曲线能随转速增加而迅速下降，则当外界阻力矩有暂时变化时，这种曲线便具有自动保持稳定工作的能力，

如果扭矩曲线变化平缓，甚至微微上倾，则在阻力变化急剧时，理论上虽可恢复稳定工作，实际上转速变化很大，恢复稳定也慢，难以满足正常工作的需要。这样曲线实际上不具备自动保持稳定工作的能力，如图6-26b所示。由速度特性曲线可知，汽油机工作稳定性好，而柴油机较差。§6-4柴油机调速特性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。一、柴油机装置调速器的必要性1、提高工作稳定性总之，为了怠速稳定和高速不飞车，在柴油机上必须装置调速器。调速器可以根据外界负荷的变化，自动调节喷油泵供油量，使柴油机转速保持在极小的变化范围内稳定工作。2、防止发动机超速负荷突变，例如拖拉机所带农具突然卸去负荷，就可能引起发动机转速很快上升，甚至超过允许的限度，即所谓飞车。

①排气冒黑烟;柴油机：超速n↑↑→α↓↓

②零件过热;③由于运动件较重惯性↑↑→

引起零件损坏。汽油机：转速升高时ηv↓↓→Ttq↓↓→超速不会过高；超速时混合气成分变化不大，对工作过程影响较小；运动零件轻巧，所以短时间超速的危害不大，常允许超速10％。

3、保证怠速稳定柴油机：怠速运转的稳定性主要取决于发动机机械损失与气缸内发出指示功之间的相互配合关系。汽油机：怠速工作时，由于节气门开度很小，造成强烈节流，使平均指示压力随转速升高而迅速下降。这时，如果平均机械损失压力稍有变化,引起转速变化是不大的，可以认为是稳定运转。3、保证怠速稳定汽油机怠速柴油机怠速3、保证怠速稳定总之，为了怠速稳定和高速不飞车，在柴油机上必须装置调速器。调速器可以根据外界负荷的变化，自动调节喷油泵供油量，使柴油机转速保持在极小的变化范围内稳定工作。二、全程式调速器及调速特性

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，这种调速器即全程式调速器。（一）调速器工作原理

各组成件的作用可概括如下。（1）转速给定元件驾驶员根据所需转速，通过转动调速手柄1（实际即油门）可将调速弹簧2压缩到不同位置，以调整弹簧预紧力，在弹簧作用下，托板6向右移动。（2）转速变化的感受元件根据转速的变化，由喷油泵凸轮轴带动的旋转飞球就产生不同的离心力，离心力轴向分力抵抗弹簧弹力而作用于执行机构上。（3）执行机构它是用来执行感受元件所发生的变化，从而加油或减油。图中的推力盘5在离心力的作用下，要向左移动，而其移动又受到弹簧预紧力的抵制，因此推力盘的位置决定于弹簧弹力与离心力的平衡。推力盘5与油量调节拉杆4连在一起，所以盘5的位置也决定了油量调节拉杆的位置，从而控制油量。（二）调速特性

三、两级式调速器及调速特性

两级式调速器是在最低转速与最高转速时起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车，调速器在中间转速不起作用，由驾驶员通过油门控制供油量。车用柴油机一般采用两级式调速器。（一）调速器工作原理

（二）调速特性对于一般汽车来说，行驶阻力变化幅度较小而且缓慢，但车速却需不断变化，加上车身的振动，油门踏板不可能稳定在一个确定位置，汽车惯量又大，所以由驾驶员不断调节油门踏板压下的程度直接操纵油量调节机构，可以保持汽车相当稳定地行驶。四、调速器的工作指标：1.调速率①瞬时调速率:转速波动相对于全负荷转速的变化范围。②稳定调速率:表示过渡过程中转速波动的瞬时增长百分比。

式中:

n1——突变负荷前柴油机的转速（rpm）；n2——突变负荷时柴油机的最大（或最小）瞬时转速（rpm）；n3——突变负荷后柴油机的稳定转速（rpm）；n标定——柴油机的标定转速（rpm）。①瞬时调速率：是评定调速器过渡过程的指标。图6－37为突卸负荷时，转速变化的情况。一般δ1＜12％，对发电用的柴油机，要求δ1＜8％。过渡过程不好时，调节的转速不能稳定在某一转速下，有较大的波动，严重时还会发出转速忽高忽低的响声，这种现象常称“游车”。调速器一旦发生“游车”，工作就会失灵，必须设法消除。如果稳定调速率δ2太大，不仅对工作机械的稳定工作不利，而且对于空转时柴油机零件的磨损也是有害的。一般规定，对于农业排灌及工程机械用的柴油机，要求δ2＜％；对于汽车、拖拉机柴油机，δ2＜10％；对于交流发电机组用柴油机则要求高一些，希望δ2＜5％。2.不灵敏度：两个起作用的极限转速之差与平均转速之比。式中:n2/——当柴油机负荷减小时，调速器开始作用时的曲轴转速rpm；n1/——当柴油机负荷增大时，调速器开始作用时的曲轴转速（rpm）；n——柴油机的平均转速（rpm）；FE——调速器起作用时，作用在推力盘上的推动力；FR——调速器推力盘移动时所受的摩擦力。不灵敏度过大时，会引起柴油机转速不稳，在极端的情况下，甚至会导致调速器失去作用，有使柴油机产生飞车的危险。低速时调速器的推动力小，喷油泵调节杆移动时的摩擦力增大，结果调速器不灵敏度。显著地增加。一般规定ε在标定转速时不超过1.2％～2％，最低转速时不超过10％～13％。