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1、第7章 发动机特性,学习目标,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。了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。,7.1 发动机的工况及基本特性,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
2、示发动机的工况。 Pe或Te说明发动机负荷的大小，n表示发动机转速的高低。,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、点火提前角调整特性、柴油机的喷油角提前角调整特性等。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。,发动机的负荷特性,负荷
3、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，若用曲线表示则称为负荷特性曲线。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。,汽油机的负荷特性,点火提前角最佳、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mh、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
4、机和柴油机喷射类似，属于质调节。,汽油机的负荷特性,汽油机i、m随负荷的变化关系,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。,有效燃油消耗率曲线,燃油消耗率ge=k3/im（ i指示热效率； m机械效率；k3比例常数）。由此可知ge取决于i和m 。i 、 m随负荷变化如图所示。转速一定，随负荷增加，节气门开度加大，残余废气
5、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，i增加。负荷增至大负荷，加浓装置工作，i下降。m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m =（1Pm/ Pi）增加。,有效燃油消耗率曲线,当发动机空转（Pe=0）时，指示功率完全用于克服机械损失，即Pi= Pm，则m =0，所以耗油率为无穷大。随负荷增大，由于im同时上升，使耗油率曲线迅速下降。当im达到最大值时，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，燃耗不完全现象增加i下降，使油耗率又有所增加。,柴
6、油机负荷特性,柴油机转速一定，每小时耗油量mh、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”。,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i、m随负荷的变化关系,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。,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
7、i和m。其变化关系如图所示。与汽油机不同，随负荷增加，每循环供油量q增加，过量空气系数减小，燃烧不完全程度大，使i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i下降快。 m随负荷增加而上升。,有效燃油消耗率曲线,当Pe=0， m=0时，耗油率ge趋于无穷大。随负荷增加，由于m迅速增加，且远大于i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i下降比m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，达到规定限值。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
8、。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。,结论,负荷特性是内燃机的基本性质。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相同，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，应注意提高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。,发动机的速度特
9、性,发动机性能指标随转速变化的关系称为速度特性。若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。,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，应将点火提前角、化油器调整完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。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
10、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。,汽油机i、m、v随转速n的变化趋势,车用汽油机外特性,外特性曲线,转矩Te曲线Te=k2 (v /) mi 在节气门开度一定时，值基本不随转速而变化，汽油机Te大小主要决定于vmi 随n的变化。 v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。v都将降低。,i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i降低；转速高时，燃烧所占的曲轴转角大，燃烧效率低，也使i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
11、功增加，因此m随转速上升而下降。综合而言，当转速由低速开始上升时，由于v、 i上升，Te有所增加，对应于某一转速时， Te达最大值。转速继续提高，由于v 、 m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。,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；直至转矩达到最高点后，再继续提高转速，则Pe上升逐渐缓慢；至某一转速Ten达到最大值时，Pe亦不能再增加；若转速再上升，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。,有效燃油消耗ge曲线,综合i、m的变化，ge在某一中间转速时最低；当转速高于此转速时，则因i、m 同
12、时下降而ge上升。当转速低于此转速，因i上升弥补了m 的下降， ge亦增加。由于进气管动态效应影响到v随n的变化规律，因而Te、 ge等随n变化的曲线也常呈某些波动现象。,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，
13、而油耗高。制造厂商根据发动机的用途规定的额定转速下对应的功率称为发动机的额定功率。,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v下降；随着转速提高， v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移动。,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，应将供油提前角、冷却水温、润滑油温度等调整在最佳状态。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
14、为标定功率速度特性，习惯上亦称外特性。,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，它是根据用途、使用负荷情况而定的，对任何一款具体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达到的最大性能，所有柴油机必须作标定功率速度特性。,柴油机外特性,柴油机中m、i、q随n的变化趋势,外特性曲线,转矩Te曲线柴油机中，各种转速下究竟能发出多大转矩，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 =K2imq，而其中i 、m 、q的变化趋势如图所示。,分析,在常用的柱塞式喷油泵中，当油量调节机构位置一
15、定而改变转速时，每循环供油量q由油泵速度特性决定，它将随转速的提高而增加。i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i下降和q上升，使过量空气系数下降，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i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i降低。但i曲线的变化趋势比较平坦。m随转速的上升而下降。q随转速增加的上升抵消了i和m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。,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。,有效燃油消耗率ge曲线,综合
16、i、m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。,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的变化趋势基本相似，亦是随n的增加而上升，所以柴油部分特性Te的变化基本与外特性上Te平行，即T e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。,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已知，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
17、化的，偶尔也会有较大幅度的变化。例如忽然卸去负荷，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。因而柴油机将猛然加速，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。,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。如果发动机怠速运转不稳定，容易熄火，会给驾驶员带来很大麻烦。怠速时混合气燃烧放出的能量全部用于克服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
18、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。,（1）由柴油机的速度特性已知，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，如果忽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
19、有防止超速的装置。（3）汽车发动机在怠速工况运转时，若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？,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。,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。,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
20、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,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。,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
21、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。,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；等耗油率线在高低速均不收敛，变化比较平坦；等功率线向高速延伸时，耗油率变化不大。,CA6102汽油机万有特性,E
22、QD61021型柴油机万有特性,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。如果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。如果等燃油消耗率曲线纵向较长，则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，
23、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。,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。,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
24、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,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。测定项目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，顺序地改变转速进行测量。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。根据记录进行计算，并绘制总（净）功率曲线。,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%的额定转速下进行，发动机转速不变，从小负荷开始，逐渐增大节气门，进行测量，直到节气门
25、全开，适当分布8个以上的测量点。,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依据。试验方法：下列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行负荷特性试验。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，顺序地改变转速进行测量，适当地分布8个以上的测量点。然后再进行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。,发动机试验中的测试项目与试验设备,试验台架油耗计测功机,试验台架,发动机工作时
26、有较大的振动和旋转力矩，所以试验台要有比较坚固的基础。在基础下面有一层垫层，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。燃料的供应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。,油耗计,容积法测量油耗量的油耗计,1-油箱 2-开关 3-滤油器 4-三通阀 5-量瓶,燃油流量传感器,测功机,测功机作为发动机的负载，实现对测定工况的调节，模拟汽车实际行驶时外界负载的变化，同时测量发动机的输出转矩和转速，即
27、可算出发动机的功率。测功机是发动机性能测试的重要设备，主要的类型有水力式、电力式和电涡流式。水力测功机是利用水作为工作介质，调节制动力矩。电力测功机是利用改变定子磁场的激磁电压产生制动力矩。电涡流测功机是利用电磁感应产生涡电流形成制动作用。,电涡流测功机的结构,制动器由转子和定子组成，制成平衡式结构。转子为铁制的齿状圆盘。定子的结构较为复杂，由激磁绕组、涡流环、铁芯组成。电涡流测功器吸收的发动机功率全部转化为热量，测功器工作时，冷却水对测功器进行冷却。,1-转子；2-转子轴；3-连接盘；4-冷却水管；5-激磁绕组；6-外壳；7-冷却水腔；8-转速传感器；9-底座；10-轴承座；11-进水管,电
28、涡流测功机的工作原理,当激磁绕组中有直流电通过时，在由感应子、空气隙、涡流环和铁芯形成的闭合磁路中产生磁通，当转子转动时，空气隙发生变化，则磁通密度也发生变化。在转子齿顶处的磁通密度大，齿根处磁通密度小，由电磁感应定律可知，此时将产生感应电势，力图阻止磁通的变化，于是在涡流环上感应出涡电流，涡电流的产生引起对转子的制动作用，产生的与被试机反向的制动力矩，使电枢摆动，通过电枢上的力臂，将制动力传给测量装置。利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩涡流环吸收发动机的功率，产生的热量由冷却水带走。,测试过程,(1)将发动机安装在测功器台架上，使发动机曲轴中心线与测功器转轴中心线重合。 (2)安装仪表并接上电器线路及接通各种管路。 (3)检查调整气门间隙、分电器的断电器触点间隙、火花塞电极间隙及点火提前角，紧固各部螺栓螺母。柴油机要检查调整：喷油器的喷油提前角、喷油压力、喷油锥角及喷雾情况。 (4)记录当时气压和气温。 (5)起动发动机，操纵试验仪器，观察仪表工作情况，记录下数据，根据记录数据计算并绘制出Pe、Te、ge曲线。,
