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1、第六章 发动机特性,第一节 发动机工况 第二节 发动机速度特性第三节 发动机负荷特性第四节 柴油机调速特性第五节 万有特性第六节 发动机与车辆的匹配,第一节 发动机工况,一、工况 发动机的运行情况，以其发出的有效功率Pe和转速n表示。发动机的工况根据内燃机的用途，分为三类：I、固定工况（恒速工况）nC，Pe变化大，如抽水、发电用发动机；,II、螺旋桨工况流体阻力负荷，如船用主机带动螺旋桨。,III、陆上运输工况 n、Pe均在较大范围内变化，如车辆用发动机。汽车是在负荷、车速及道路情况频繁变化的条件下使用的，因而，汽车用发动机必须适应汽车使用的特点，在负荷和转速经常变化下工作。,二、发动机特性,
2、发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系称为发动机特性。特性曲线是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。发动机特性种类很多，主要有：负荷特性；速度特性；调速特性；万有特性；烟度特性；排放特性；噪声特性等。,发动机性能指标与工作过程参数之间的关系,平均有效压力：有效功率：有效转矩：有效燃油消耗率：每小时耗油量：,三.发动机功率标定,发动机功率标定，是指制造厂根据发动机的用途规定该机在标准大气条件下输出的有效功率及对应的转速，即标定功率和标定转速。国家标准规定的功率标定可分为以下4种：1）15min功率可连续运转15min仍保持正常状态的最大有效功率。适用于汽车、军用车辆、摩托车的
3、发动机功率的标定。2）1h功率可连续运转1h的最大有效功率。适用于拖拉机、工程机械、船舶用发动机功率标定。3）12h功率可连续运转12h的最大有效功率。适用于拖拉机、农业排灌、电站等发动机功率标定。4）持续功率允许连续运转的最大有效功率。适用于农业灌溉、电站、船舶、铁路牵引等发动机功率标定。,大气修正,大气状况是指发动机运行地点的环境大气压力、大气温度和相对湿度；同一台发动机由于在不同大气状况下使用，其性能差别很大，需要规定一种标准大气状况，并且还应有一种办法，把在不同大气状况下试验所得的结果，换算成标准大气状况下的数值；国家标准（GB1105.187）规定了一般用途的往复活塞式柴油机和汽油机
4、的标准环境状况是：大气压p0=100kPa，相对湿度0=30，环境温度T0=298K或25（Page132）。,第二节 发动机速度特性,发动机性能指标随转速变化的关系称为速度特性；即发动机节气门开度（或油门开度）不变，发动机性能指标随转速n变化的关系。如：汽车爬坡或阻力变化时，驾驶员将油门踏板位置保持一定，发动机转速n则随外界负荷的变化而变化。外界负荷大，n；外界负荷小，n，这时发动机沿速度特性工作。横坐标：发动机转速；纵坐标：有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时耗油量B等。,发动机速度特性进一步分为：外特性和部分速度特性,外特性：将油量调节结构固定在额定功率循环供油量位置测得的速度特
5、性。每台发动机只有一组，表示了该发动机所具有的最高动力性能。部分速度特性：将油量调节结构固定在小于额定功率循环供油量位置测得的速度特性。每台发动机可以有许多组。,一、汽油机速度特性（外特性）,节气门全开时，发动机扭矩Ttq、功率Pe、油耗be 随转速n变化的关系。测取时，应将点火提前角、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，测得的速度特性为标定功率速度特性，习惯上称外特性；当油量调节机构固定在小于标定功率循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为部分速度特性。,1.汽油机外特性曲线图,关于外特性曲线上几个重要特征点：Ttqmax、Pem
6、ax、bemin,Ttqmax、Pemax、bemin在实际中各意味着什么？Ttqmax：汽车以I档行驶能通过的最大爬坡，即最 大爬坡能力；Pemax：汽车在良好道路上行驶能达到的最高车速；bemin：理论上可达到的最低油耗，实际油耗要比 此高。,2.外特性曲线历程分析,1）扭矩Ttq曲线因n供油量(不多)，则有：（在节气门开度一定时，值基本不随转速而变化）Ttq的变化取决于、和 随n的变化：随n的变化关系 n1 n随n气流惯性；n节流损失。在某一中间转速n1最大，高于或低于此转速 都下降。,随n的变化关系,n气流运动混合气形成改善；n燃烧时间，燃烧恶化。在供油量一定情况下，在某一中间转速微微
7、凸起（最好），说明此时热量转化为功的程度最高。高于或低于此转速，均下降。,随n的变化关系,随n，摩擦损失,pm。综合：在低速区，因、均,虽然 略有下降，但随n，使Ttq,Ttqmax，随n继续，因、均，使Ttq，即Ttq随n变化比较陡。,2）功率Pe曲线,显然：功率Pe与Ttq、n成正比。低速时：nTtq(不大)，因Pe正比于n、Ttq，故Pe；随n继续，虽Ttq，但因n的影响大于Ttq的影响，使PePemax；n继续，因Ttq的影响大于n的影响，使Pe。,3）油耗be曲线,显然，be的变化取决于 和 随n的变化；当 的乘积至最大值时，该转速下be最小，高于或低于此转速，be均。通常75-80
8、%节气门开度下的燃料经济性较好。,汽油机部分速度特性曲线,是节气门固定在部分开启位置测得的速度特性。节气门开度愈小，节流损失愈大，下降愈陡，使Pe、Ttq、be 随n变化变得愈陡。,3、外特性的意义,1）反映了发动机使用中的最高性能及常用转速范围从使用角度看，发动机的常用转速范围一般应在最大扭矩n1至最大功率n2之间。当工作转速n 时，发动机经济性、动力性、可靠性均下降；当工作转速n 时，发动机工作不稳。在全负荷时，应使发动机尽可能在最低燃料消耗率时的转速n3附近工作，这样可获得比较好的经济性。汽车后备功率大，爬坡、加速性好；但后备功率过大，则常用工况在低负荷区，经济性差。,2）反映了发动机使
9、用中克服短期超载能力的强弱。,从使用角度看，(-)大，发动机克服短期超载的能力强。汽车在行驶中，经常会遇到像爬坡等行驶阻力突然增大的情况，为了克服短期超载，减少司机的换挡次数，要求发动机的扭矩随转速的降低而增加。,评定发动机适应阻力波动的性能指标,扭矩储备系数：适应性系数：大或k值大，表明两扭矩之差(-)值大，即随着转速的降低，扭矩 增加较快，从而在不换档的情况下，爬坡能力和克服短期超载的能力强。在10%-30%、k值在1.2-1.4可以满足汽车的使用要求。汽油机转速储备系数为1.152.O，柴油机在1.52.0范围。,3）对应的n高低影响到克服阻力的潜力,对应的n越低，克服外界阻力能力越强。
10、有A、B两台发动机，它们的转矩储备系数和最大功率时的转速n1相同，但最大转矩时的转速n2不等，如右图所示。,当外界阻力矩为TR1时，A、B两机均能在n1下稳定运转。,当外界阻力矩增大至TR2 时，B机发出最大扭矩在n2B下稳定运转，此时A机则在nA下稳定运转。当外界阻力矩再增大至TR3 时，A机发出最大扭矩在n2A下稳定运转，而B机无法克服外界阻力矩，只能熄火。故：发动机A比B克服障碍的潜力大。对于载重汽车，要求有较大的转矩储备系数，且 对应的n应比较低。,二、柴油机速度特性（外特性）,喷油泵调节杆（油门拉杆与齿条）位置一定时，发动机扭矩Ttq、功率Pe、油耗be 随转速n变化的关系。测取时，
11、应将供油提前角、冷却水温、润滑油温度等调整在最佳状态。,与汽油机外特性相比，汽油机外特性特点如下,1、扭矩Ttq曲线 变化历程比Ttq汽平坦。对于柴油机：每循环空气量的多少只不过提供了产生多大扭矩的可能性，而在各种工况下究竟能发出多大扭矩，主要看b的多少，而且b的变化也决定了的变化。,b随n的变化,b随n而。因b随n一直，并且b的影响大于、的影响，使得Ttq曲线随n变化比较平坦。图中h1、h2、h3表示喷油泵调节杆处于不同位置。,Ttq曲线随n变化平坦带来的问题,小，使得克服外界阻力变化的能力降低。解决的办法：油量校正，以增大全负荷的供油量。常用的校正方法：出油阀式校正机构；附加在调速器上弹
12、簧校正机构。,2、功率Pe曲线,随n变化一直呈上升趋势，无极大值拐点出现。原因：当n超过一定值后，燃烧恶化，后燃，冒烟严重，一般不允许超过该转速，这由调速器限制供应量实现。,3、油耗be曲线,be柴 比be汽 曲线变化平坦，且bemin柴，这使得柴油机在转速变化的较大范围内都有较好的经济性，这也是柴油机的突出优点。标定功率速度特性代表该机在使用中允许达到的最高性能。,柴油机部分速度特性曲线,因不同油量调节拉杆位置时，b随n的变化趋势基本相同（随n而），所以其部分速度特性的Ttq、Pe、be 随转速n的变化与外特性基本平行。,第三节 发动机负荷特性,转速n不变，发动机的经济性指标随负荷变化的关系
13、。以曲线表示，则称为负荷特性曲线；当汽车以一定的速度（即等速）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，保持发动机转速不变；横坐标：负荷可用Pe、Ttq或pme表示（当转速不变时，有效功率Pe与有效转矩Ttq、平均有效压力pme互为正比）；纵坐标：每小时燃料消耗量B 或燃料消耗率be。,一、柴油机的负荷特性,n一定，改变b时，B、be随Pe的变化关系。测取前应将供油提前角调整完好；保持冷却水温、润滑油温度在最佳状态。在移动喷油泵供油齿条或拉杆的位置即逐渐改变b时，同时调节测功器负荷，以保持n一定。由于柴油机只是改变循环供油量（空气量变化
14、不大）来调节负荷，因此，也改变了缸内混合气的浓度，即过量空气系数，这种负荷调节方法称为“质调节”。,1.柴油机负荷特性曲线,2.负荷特性曲线历程分析,1）油耗be曲线形状为“鱼钩形”由 知，主要弄清、随Pe的变化关系。随Pe的变化关系 随Pe的变化关系在n一定，Pe意味着b，随着b，逐渐，燃烧时期逐渐，冷却损失，燃烧完全程度，使 随Pe而。,综合：在怠速时，因=0，be=，随着b，Pe，迅速，下降缓慢，be，至 达到最大值，使be达到最小值，随b继续，燃烧恶化，不完全燃烧，冒烟严重，be。,2）油耗曲线由 知，在一定时，B主要决定于b，因而随Pe，b随之，B也成比例。,3.由负荷特性曲线可知,
15、1）在指定转速下的最大允许负荷及对应的耗油率；2）在指定转速下的最低燃油消耗率及其对应负荷；3）在指定转速下经济性较好的负荷范围。,二、汽油机的负荷特性,n一定，节气门开度改变时，B、be随Pe的变化关系。测取前应将化油器、点火提前角调整完好；保持冷却水温、润滑油温度在最佳状态。在逐渐改变节气门开度时，同时调节测功器负荷，以保持n一定。由于汽油机负荷调节是靠改变节气门开度来直接改变进入气缸的混合气量，变化不大，故这种负荷调节方法称为“量调节”。,1.汽油机负荷特性曲线,2.负荷特性曲线历程分析,1）油耗be曲线 be汽 较be柴曲线变化陡，且bemin汽 bemin柴。原因：由 知，因 随Pe
16、的变化趋势与柴油机不同（虽然 随 Pe的变化趋势相同），使得be汽曲线较be柴曲 线变化陡。,2）油耗B曲线,当n一定时，B主要决定于节气门开度和混合气成分。在中小负荷区域，混合气成分变化不大，B随Pe较慢，当大负荷，因混合气成分变浓，B随Pe较快。,3）同一转速下，汽油机和柴油机负荷特性曲线的比较,bemin柴bemin汽（20-30）%；在常用负荷范围内，be柴曲线比be汽曲线平坦，这对在面工况工作下的车用发动机是有利的；在负荷减小时，be柴曲线平坦，这对经常在部分负荷下工作的发动机是有利的。,第四节 柴油机调速特性,一、柴油机装置调速器的必要性1.（由前面柴油机速度特性知）Ttq随转速n
17、变化的曲线平缓 较小的负荷变化引起较大的转速变化，如下图。,分析：,上图表明，如果调速杆不动，只要柴油机的负荷发生很小的变化，就会引起转速在较大范围内变化。对于汽车，导致行驶速度时快时慢，不能满足工作要求。因此，当柴油机装上调速器后，以便在负荷发生变化是能及时移动油门调节杆，使供油量得到相应的增减，从而保持转速基本稳定。,2.保持怠速稳定（怠速时转速不稳）,由喷油泵速度特性知，b随n而，而Ttq主要决定于b。怠速运转时，气缸内发出的指示功全部用于克服机械损失。其稳定性决定于平均指示压力pmm与平均机械损失压力pmi的相互配合情况。,汽油机、柴油机pim pmm随n的变化关系如下：,汽油机：因内
18、部因素使pmm时，pmi增大，n，稳定转速原因：怠速运转时，由于节气门开度很小，节流损失大，n使pmi。柴油机：pmm，pmi，n，b pmi更小，熄火 pmm，pmi，n，b pmi更大，n进 一步。即要么导致熄火，要么导致飞车。,3.防止超速（超速导致飞车）,对于柴油机：当负荷突变（突然卸除）时，n，燃烧恶化，大量冒烟，零件过热；零件质量重，惯性力大，难以控制；导致飞车，危害大。对于汽油机：当n，Ttq，仅使工作过程恶化。根据上述3条理由，为保证柴油机可靠地工作，柴油机必须装置调速器。,二、调速器的分类,1.分类1）全程式调速器：从最低空转转速至额定转速，调速器都起作用；2）两极式调速器：
19、仅在怠速和最高转速（额定转速）调速器起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车，在其它中间转速调速器不起作用，由驾驶员通过油门控制供油量；3）恒速式（单制式）：仅限制最高转速，如发电机组柴油机。汽车、拖拉机柴油机上所用调速器，按其构造又分机械式、气动式、液压式和电气式，最常用的是机械式调速器。近年来，采用微机控制的电控调速器也在增多。2.作用 根据负荷变化制动调节油量，保持柴油机在制定的转速范围内稳定运转，并防止超速和怠速熄火。,三、调速特性,在喷油泵调速手柄位置固定、调速器起作用时，柴油机的性能指标(Ttq、Pe、be)随转速的变化关系称为调速特性。调速器起作用是指调速器自动控制喷油泵齿条或拉杆
20、的移动，以改变循环供油量。,1.全程式调速器,1.1全程式调速器工作原理（简图）,图中各组成件的作用：,1）转速给定元件 调速手柄及调速弹簧 驾驶员根据所需转速，通过转动调速手柄9可将调速弹簧5压缩到不同位置从而给定不同弹簧预紧力。2）转速变化的感受元件旋转飞块 根据转速的变化，由喷油泵凸轮轴带动的旋转飞块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）执行机构调节杆系 用于执行感受元件所发生的变化，从而加油或减油。旋转飞块4外张产生离心力，其轴向分力压缩调速弹簧5。当轴向分力大于调速弹簧5的预紧力时，推动调节推杆向左移动，并带动供油拉杆8左移从而增大供油量。,1.2全程
21、式调速器调速特性,全程式调速器的调速特性曲线由调速器起作用的调速段和调速器不起作用的外特性段组成。图中：1外特性；2-5调速特性。柴油机在调速段工作时，即使外界阻力矩变化大，转速波动也很小。,调速手柄9的不同位置，意味着施加给调速弹簧不同的预紧力。弹簧预紧力小，调速器起作用的转速则低；反之相反。在发动机工作过程中，可以根据工作需要，只要给定调速手柄的位置，就可以得到不同转速下的调速特性，如图中2-5曲线。调速手柄的位置一定，则调速弹簧的预紧力一定，当飞块的离心力的轴向分力大于调速弹簧的预紧力，调速器起作用，否则不起作用。,2.两级式调速器及调速特性 车用柴油机一般采用两级式调速器。,2.1两级
22、式调速器工作原理,2.2两级式调速器调速特性,当nn额定时，随n，调速器怠速弹簧起作用（受压），使b 防止飞车。,3、调速器的工作指标,1）调速率 A、稳定调速率 式中：n1外界阻力突变前发动机的转速；n3外界阻力突变后发动机的稳定转速；nb发动机的标定转速。2的大小反映实际运转时的转速波动相对于全负荷转速的变化范围。2小转速回复到稳定点的能力强。规定：农灌及工程机械 2 8%汽车、拖拉机 2 10%发电机 2 5%,B、瞬时调速率,式中：n2外界阻力突变时发动机的最大或最小瞬时转速；n1、nb的意义同前。1的大小表示转速n波动的大小；1大转速波动大,易游车。一般112%；发电机18%,2）不
23、灵敏度,式中：n2当柴油机负荷减小时,调速器开始起作用的转速；n1当柴油机负荷增大时,调速器开始起作用的转速；n 平均转速；R 推力盘运动时所受的摩擦力；E 调速器起作用时作用在推力盘上的推力。主要是由于调速系统存在摩擦力所致。转速稳定性差；调速器失灵,易飞车。低速时，调速器推动力小，摩擦力增大，明显增加。一般规定：标定工况 1.22%；最低转速时,1013%。,第五节 万有特性,发动机的万有特性又称综合特性或多参数（组合）特性。车辆发动机工作转速和负荷变化范围很广。要全面评价发动机性能，用速度特性和负荷特性很不方便。通常根据负荷特性曲线族经过转换画出多参数特性万有特性。通过万有特性可以方便查
24、出发动机各种工况下的性能指标。,一、万有特性图：,横坐标转速n；纵坐标平均有效压力Pme；可得到许多等油耗率be曲线和等功率Pe曲线。Pe=kPmen,所以Pe曲线为一组双曲线，将外特性中的Pme(或Ttq)曲线画在万有特性图上，构成上边界线。万有特性最内层be低，越向外be值越高，希望常用转速和负荷落在最经济区域区，并希望等be曲线沿横标方向方些。,汽油机、柴油机万有特性的特点,1）柴油机万有关特性的特点 最低耗油率偏低，并且经济区域较宽；等耗油率曲线在高、低速均不收敛，变化比较平坦。柴油机相对汽车变速工况的适应性好；等功率线向高速延伸时，耗油率的变化不大，所以采用低速档时，柴油机的转矩和功
25、率储备较大。2）汽油机万有特性的特点 与柴油机相比，汽油机万有特性具有如下特点：最低耗油率偏高，经济区域偏小；等耗油率曲线在低速区向大负荷收敛，这说明汽油机在低速低负荷的耗油率随负荷的减小而急剧增大。,二、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。作法如下图所示。,1、等燃油消耗率曲线,1）将不同转速的负荷特性转速为以平均有效压力Pme 或扭矩Ttq 为横坐标、燃油be消耗率为纵坐标的负荷特性。Pme与Pe、Ttq与Pe 之间的换算关系见相关公式。2）从负荷特性曲线的某一油耗处（如图7-16中的be=239g/kWh处）引一垂线，与各种转速的be曲线有两个（或一个
26、）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。2、等功率曲线 根据公式Pe=Ttq*n/9550=kPmen，可画出等功率曲线，是一组双曲线。,第六节 发动机与车辆的匹配,发动机是车辆的一个总成，是汽车动力的来源；整车的动力性和经济性既取决于发动机自身的性能，又依赖于发动机与汽车的合理匹配；发动机的各种特性，是分析发动机与车辆匹配的有效工具；本节主要从两个角度改善发动机与车辆的匹配：从提高动力性的角度；从提高经济性的角度。,从动力性的角度改善发动机与车辆的匹配（1）,汽
27、车的动力性可由三方面的指标评价：汽车的最高车速；汽车的加速时间；最大爬坡能力。图中1表示行驶阻力功率，2表示外特性功率曲线，A点表示在该道路条件下所能达到的最高车速。曲线2与曲线1之差表示发动机所拥有的后备功率。后备功率愈大，爬坡、加速性能愈好，但行驶中负荷率低，经济性较差。对于用途不同的车辆，其后备功率大小的要求是不相同的。,某轿车驱动力行驶阻力平衡图,变速器各档有不同的传动比，可将发动机外特性转换成不同档位的驱动力与车速的曲线；由图看出，该车的最高车速在180kmh以上，在1档能爬上的最大坡度为55，相应地还能计算其加速时间。,从动力性的角度改善发动机与车辆的匹配（2）,不同种类、不同排量
28、的车辆，不可能用驱动力行驶阻力平衡图直接比较其动力性的好坏，必须把驱动力与汽车质量结合起来，且还须考虑到它们在行驶中遇到的空气阻力的差异；将单位汽车质量的受力状况整理成一个无因次量动力因数D，可用以比较不同车辆的动力性；通过选择合适的比功率与汽车总质量的乘积，可以估算出应配备的发动机功率。,从动力性的角度改善发动机与车辆的匹配（3）,发动机结构的紧凑性及质量指标（如体积功率与比质量）也直接影响整车的匹配效果。体积功率：是指发动机功率与其外形尺寸（长宽高）所决定的体积之比。该指标影响到发动机在车辆中的安装空间。该指标越大越好。比质量即单位功率的质量。该指标对整车性能至关重要，越小越好。增大体积功
29、率和减小比质量有利于改善发动机与车辆的匹配效果。增大体积功率和减小比质量的路径：一方面依赖于发动机结构设计的紧凑化、轻量化；另一方面通过发动机强化使升功率不断提高。,从动力性的角度改善发动机与车辆的匹配（4）,由上图可以看出：提高发动机动力性（增加升功率、降低比质量）的有效措施是采用增压；此外，采用多气门机构、汽油喷射等，也是改善发动机动力性的有效措施。,从经济性的角度改善发动机与车辆的匹配（1）,汽车的燃油经济性常用按一定行驶规范行驶百公里的燃油消耗量，或消耗一定量燃油行驶的里程来衡量；对车辆进行排放限制及燃油消耗的限制本来是两个概念，不过两者在技术上常常是相互制约与相互关联的；由上图可以看
30、出：美国在法规逐年严格限制有害排放物的同时，还规定了对轿车行驶油耗的限值标准。,从经济性的角度改善发动机与车辆的匹配（2）,从整车技术的角度看，主要措施为：降低车辆自身质量；改进车辆的外形与结构；改善传动系与发动机的匹配；使用子午线轮胎。从车辆对动力选型的角度看，柴油机轿车比汽油机轿车节油2535；柴油机采用直喷式燃烧系统，并普及增压及增压加中冷技术，以进一步提高热效率及升功率；提高汽油机压缩比，实现稀燃，采用电喷技术，兼顾到高、低负荷及不同转速工况的可变技术，减少摩擦损失及附件损耗。,从经济性的角度改善发动机与车辆的匹配（3）,由上图可以看出：采用无级变速比使用手动变速器能获得更好的经济性。因而，改善发动机与底盘的匹配是节能的关键环节之一。,
