第8章發動機特性第一頁，共57頁。學習目的通過對本章節的學習，重點掌握發動機的負荷特性、速度特性，萬有特性及及柴油機的調速特性的定義。理解各個特性曲線的變化趨勢及原因；各個曲線的形狀和位置對發動機的性能有何影響；柴油機安裝調速器的原因。理解柴油機和汽油機特性曲線的異同點及形成原因；萬有特性的應用；兩級式調速器和全程式調速器對柴油機性能的影響，及各自的特點；發動機主要性能的測試方法及主要參數的測試方法。第二頁，共57頁。發動機特性定義發動機特性，即發動機性能指標隨調整情況和運轉工況而變化的關系。表示其變化規律的曲線稱為發動機特性曲線。發動機性能指標隨調整情況而變化的關系稱為調整特性。如汽油機的燃油調整特性、點火提早角調整特性、柴油機的噴油角提早角調整特性等。發動機性能指標隨運轉工況變化而變化的關系有速度特性與負荷特性。在柴油機的調速器起作用時，其性能指標隨轉速或負荷而變化的關系，稱為調速特性。根據發動機特性曲線，可以很方便地評價不同發動機在不同工況下的動力性和經濟性，分析其影響因素，尋求改進發動機特性的途徑。第三頁，共57頁。8.1發動機的工況及根本特性發動機所處的工作狀況〔簡稱工況〕是由負荷和轉速兩個因素決定的。由功率和轉速的關系kW可知，Pe、Te、n三個參數中，只有兩個獨立變量。因此，可用Pe、n或Te、n來表示發動機的工況。Pe或Te說明發動機負荷的大小，n表示發動機轉速的上下。第四頁，共57頁。8.1發動機的工況及根本特性發動機的工況一般可分為三類。1、點工況2、線工況3、面工況發動機的功率標定〔P133〕〔1〕15分鐘功率〔2〕1小時功率〔3〕12小時功率〔4〕持續功率第五頁，共57頁。8.2發動機的負荷特性負荷特性是指發動機在某一轉速下，燃油經濟性指標及其他參數隨負荷變化的關系，假設用曲線表示那么稱為負荷特性曲線。當汽車以一定的車速沿著阻力變化的道路行駛時，就是這種情況。第六頁，共57頁。汽油機的負荷特性點火提早角最正確、燃油噴射系統及進氣系統工作正常，或化油器調整完好的情況下，保持汽油機轉速一定，每小時燃油消耗量Gt、有效燃油消耗率ge隨負荷Pe而變化的關系，稱為汽油機負荷特性。汽油機的負荷調節方法稱為“量調節〞。即化油器式發動機通過改變節氣門開度，改變進入氣缸的混合氣數量來適應負荷變化；汽油噴射式發動機所形成的混合氣的混合比，按不同工況的空氣量來計量噴油量，而進氣管中的空氣流量由節氣門來控制，仍屬于量調節。缸內直噴汽油機和柴油機噴射類似，屬于質調節。第七頁，共57頁。汽油機的負荷特性汽油機ηi、ηm隨負荷的變化關系第八頁，共57頁。每小時燃油消耗量曲線汽油機轉速一定時，每小時燃油消耗量主要取決于節氣門開度和混合氣成份。由于汽油機的量調節方式，負荷變化時，節氣門開度改變，影響混合氣量的變化。汽油機除怠速工況外，從小負荷到中等負荷，隨節氣門開度變大，曲線呈線性變化，燃油消耗量逐漸增加；當節氣門開至加濃裝置參加工作后，曲線變陡，燃油消耗量上升較快。第九頁，共57頁。有效燃油消耗率曲線燃油消耗率ge=k3/ηiηm〔ηi—指示熱效率；ηm—機械效率；k3—比例常數〕。由此可知ge取決于ηi和ηm。ηi、ηm隨負荷變化如下圖。轉速一定，隨負荷增加，節氣門開度加大，剩余廢氣相對減少，熱負荷增加，從而改善了燃油霧化、混合條件，使燃燒速度加快，散熱損失相對減少，ηi增加。負荷增至大負荷，加濃裝置工作，ηi下降。ηm隨負荷的增加而迅速增加。原因是轉速一定而負荷增加時，機械損失功率Pm變化不大，指示功率Pi成正比增加，使ηm=〔1—Pm/Pi〕增加。第十頁，共57頁。有效燃油消耗率曲線當發動機空轉〔Pe=0〕時，指示功率完全用于抑制機械損失，即Pi=Pm，那么ηm=0，所以耗油率為無窮大。隨負荷增大，由于ηiηm同時上升，使耗油率曲線迅速下降。當ηiηm到達最大值時，出現最低油耗后，隨節氣門逐漸增至全開，化油器加濃裝置參加工作，供給最大功率混合氣，燃燒不完全現象增加ηi下降，使油耗率又有所增加。第十一頁，共57頁。柴油機負荷特性柴油機轉速一定，每小時耗油量Gt、有效燃料消耗率ge隨負荷變化的關系稱為柴油機負荷特性。在轉速一定時，進入氣缸的空氣量不變，改變符合相應改變的每循環供油量△q，使混合氣成分發生變化。因此，柴油機是通過改變混合氣的過量空氣系數來適應負荷的變化。此方法稱為“質調節〞。第十二頁，共57頁。1-油耗最低點2-冒煙界限點3-極限功率點柴油機負荷特性柴油機ηi、ηm隨負荷的變化關系第十三頁，共57頁。每小時燃油消耗曲線轉速一定時，柴油機的每小時耗油量mh取決于△q。負荷增加，△q增加，mh隨之增加。當負荷接近冒煙界限點2后，由于燃燒惡化，mh上升得更快一些。第十四頁，共57頁。有效燃油消耗率曲線同汽油機一樣，柴油的有效燃油消耗變化也取決于ηi和ηm。其變化關系如下圖。與汽油機不同，隨負荷增加，每循環供油量△q增加，過量空氣系數α減小，燃燒不完全程度大，使ηi減小。大負荷時，混合氣過濃，燃燒惡化，不完全燃燒及補燃增多，使ηi下降快。ηm隨負荷增加而上升。第十五頁，共57頁。有效燃油消耗率曲線

當Pe=0，ηm=0時，耗油率ge趨于無窮大。隨負荷增加，由于ηm迅速增加，且遠大于ηi的減小，使ge下降很快。當△q增加到1點位置時，ge最小。此后再增加負荷，由于ηi下降比ηm上升的多，使ge又有所增加。當△q增加到2點位置時，不完全燃燒現象顯著增加，煙度急劇增大，到達規定限值。2點稱為冒煙界限。當循環供油量超過2點時，不僅燃油消耗量增大，排放污染嚴重，甚至影響發動機壽命。所以，柴油發動機最大循環供油量應在標定轉速下調整，使煙度不超過允許值。第十六頁，共57頁。結論負荷特性是內燃機的根本性質。常用它評價內燃機工作的經濟性。根據需要可以測定內燃機不同轉速下的負荷特性。轉速變化時，各條負荷特性曲線的變化趨勢一樣，各條曲線所代表的轉速不同。每條曲線的最右端點表示全負荷轉速下的功率及燃油消耗率。由負荷特性可以看出，低負荷時，有效燃油消耗率很高，經濟性差。因此，應注意進步內燃機的功率利用率。同一轉速下，最低有效燃油消耗率越小，其曲線變化越均勻，經濟性越好。相比之下，柴油機的最低燃油消耗率比汽油機的低10%~30%；柴油機部分負荷的低油耗區比汽油大，因此柴油機比汽油機省油。第十七頁，共57頁。8.3發動機的速度特性發動機性能指標隨轉速變化的關系稱為速度特性。假設駕駛員將加速踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽車行駛速度也會改變，上坡時汽車速度逐漸降低，下坡時速度增加，這時發動機即沿速度特性工作。第十八頁，共57頁。汽油機的速度特性汽油機節氣門開度固定不動，其有效功率Pe、轉矩Te、耗油率ge、每小時耗油量mh等隨轉速n變化的關系稱為汽油機速度特性。實驗時調整測功器，如逐漸改變水利測功器水量來改變汽油機的轉速。測取前，應將點火提早角、化油器調整完好；測取時，應按規定保持冷卻水溫度、光滑油溫度在最正確狀態。節氣門保持全開，所測得的速度特性稱為外特性。節氣門部分開啟時所測得的速度特性稱為部分速度特性。由于節氣門的開啟可以無限變化，所以部分速度特性曲線有無數條，而外特性曲線只有一條。第十九頁，共57頁。汽油機ηi、ηm、ηv隨轉速n的變化趨勢車用汽油機外特性第二十頁，共57頁。外特性曲線轉矩Te曲線Te=k2(ηv/α)ηmηi在節氣門開度一定時，α值根本不隨轉速而變化，汽油機Te大小主要決定于ηvηmηi隨n的變化。ηv是在某一中間轉速時最大，這時因為在此轉速下能最好地利用慣性進氣，當轉速低于或高于此轉速時。ηv都將降低。第二十一頁，共57頁。ηi的變化是在某一中間轉速略為凸起。在較低轉速下，因缸內氣流擾動減弱，火焰傳播速度減低，散熱及漏氣損失增加，使ηi降低；轉速高時，燃燒所占的曲軸轉角大，燃燒效率低，也使ηi降低。不過它的變化比較平坦，對Te影響較小。轉速增加，消耗于機械損失的功增加，因此ηm隨轉速上升而下降。綜合而言，當轉速由低速開場上升時，由于ηv、ηi上升，Te有所增加，對應于某一轉速時，Te達最大值。轉速繼續進步，由于ηv、ηm同時下降，因此Te隨轉速升高而較快地下降，即Te曲線變化變陡。第二十二頁，共57頁。功率Pe曲線當轉速從很低值增加時，由于Te和轉速同時增加，P=Ten/9550迅速上升；直至轉矩到達最高點后，再繼續進步轉速，那么Pe上升逐漸緩慢；至某一轉速Ten到達最大值時，Pe亦不能再增加；假設轉速再上升，由于Te的降低已超過了轉速上升的影響，所以功率Pe反而下降。第二十三頁，共57頁。有效燃油消耗ge曲線綜合ηi、ηm的變化，ge在某一中間轉速時最低；當轉速高于此轉速時，那么因ηi、ηm同時下降而ge上升。當轉速低于此轉速，因ηi上升彌補了ηm的下降，ge亦增加。由于進氣管動態效應影響到ηv隨n的變化規律，因此Te、ge等隨n變化的曲線也常呈某些波動現象。第二十四頁，共57頁。汽油機的外特性是在節氣門全開時測得的，曲線上每一點表示它在此轉速下的最大功率及轉矩，所以代表發動機最高動力性能，所有發動機都需要做外特性曲線。外特性曲線實驗條件分為如下兩種：1〕發動機僅帶維持運轉所需的附件運轉〔不裝風扇、氣泵或空氣濾清器以及消聲器等附件〕，這時輸出的校正有效功率稱為總功率。我國的發動機特性數據為這一種情況。2〕發動機試驗時帶上全套附件，此時輸出的校正有效功率稱凈功率或使用外特性。顯然，第2種情況下的功率低，而油耗高。制造廠商根據發動機的用處規定的額定轉速下對應的功率稱為發動機的額定功率。第二十五頁，共57頁。部分速度特性汽車大部分時間是在部分負荷下工作的，隨著節氣門關小，節流損失增大，進氣終了的壓力pa下降，從而引起ηv下降；隨著轉速進步，ηv下降的速度更快。因此，節氣門開度愈小，轉矩Te隨轉速增加而下降得愈快，最大轉矩點及最大功率點均向低轉速方向挪動。第二十六頁，共57頁。柴油機的速度特性噴油泵的油量調節機構位置固定不動，柴油機性能指標〔Pe、Te、mh、ge〕隨轉速n變化的關系稱為柴油機速度特性。測取時，應將供油提早角、冷卻水溫、光滑油溫度等調整在最正確狀態。當油量調節機構固定在標定〔或稱額定〕功率循環供油量位置時，測得的速度特性為標定功率速度特性，習慣上亦稱外特性。第二十七頁，共57頁。柴油機的速度特性部分速度特性標定功率定義為使用中允許的最大功率，它是根據用處、使用負荷情況而定的，對任何一款詳細的柴油機標定的功率速度特性曲線只有一條，它代表該機在使用中允許到達的最大性能，所有柴油機必須作標定功率速度特性。第二十八頁，共57頁。柴油機外特性柴油機中ηm、ηi、△q隨n的變化趨勢第二十九頁，共57頁。外特性曲線轉矩Te曲線柴油機中，各種轉速下終究能發出多大轉矩，主要取決于每循環供油量△q的多少。因此，柴油機轉矩曲線的變化趨勢，取決于△q隨轉速變化的情況。柴油機的轉矩可定性為T=K2ηiηm△q，而其中ηi、ηm、△q的變化趨勢如下圖。第三十頁，共57頁。分析在常用的柱塞式噴油泵中，當油量調節機構位置一定而改變轉速時，每循環供油量△q由油泵速度特性決定，它將隨轉速的進步而增加。ηi的變化是在某一中間轉速時稍有凸起。因為在較高轉速下常由于ηi下降和△q上升，使過量空氣系數α下降，加上燃燒過程經歷的時間縮短，混合氣形成條件惡化，不完全燃燒現象增加，致使ηi有些下降。轉速過低，也會由于空氣渦流減弱，燃燒不良及傳熱漏氣損失增加，使ηi降低。但ηi曲線的變化趨勢比較平坦。ηm隨轉速的上升而下降。△q隨轉速增加的上升抵消了ηi和ηm下降的影響，因此隨著轉速的上升，柴油機的Te下降不明顯，曲線變化甚至是一直微微上傾的。第三十一頁，共57頁。功率Pe曲線由于Te變化平坦，在一定轉速范圍內、功率Pe幾乎與轉速成正比增加。第三十二頁，共57頁。有效燃油消耗率ge曲線綜合ηi、ηm的變化，ge是在某一中間轉速時最低，但整個曲線變化并不很大。第三十三頁，共57頁。部分速度特性隨著油量調節機構固定位置的減小，循環供油量減小，但△q隨n的變化趨勢根本相似，亦是隨n的增加而上升，所以柴油部分特性Te的變化根本與外特性上Te平行，即Te隨轉速變化不大。對于經常在部分負荷下工作的發動機而言，還應該作90%，75%，50%和25%的部分負荷速度特性或作萬有特性。第三十四頁，共57頁。8.4柴油機的調速特性柴油機上裝調速器的必要性：1〕由柴油機的速度特性，其有效轉矩曲線隨轉速變化平緩，因此，柴油機外界阻力矩的少量變化，就會引起柴油機轉速的較大變化。又由噴油泵速度特性，轉速升高，循環供油量增加。汽車的行駛阻力時經常變化的，偶爾也會有較大幅度的變化。例如突然卸去負荷，轉速將會有較大的升高，循環供油量將隨之增加，反過來又促使轉速進一步升高。因此柴油機將猛然加速，轉速大幅度上升，甚至超過允許限度而出現飛車事故。而且柴油機的運動零件較為笨重，超速時會產生很大的慣性力，嚴重時可能引起零件損壞。因此，柴油機上必須有防止超速的裝置。第三十五頁，共57頁。柴油機上裝調速器的必要性2〕汽車發動機經常會在怠速工況下運轉，例如短暫停車、起動暖車等。假如發動機怠速運轉不穩定，容易熄火，會給駕駛員帶來很大費事。怠速時混合氣燃燒放出的能量全部用于抑制發動機自身運轉的機械損失。故怠速運轉的穩定性決定于平均指示壓力pi與平均機械損失壓力pm的關系。一般來說，轉速增加時pi、pm都略有增加。由噴油泵速度特性所決定，在轉速增加時，噴油泵即使在最小的供油位置，循環供油量也略有增加，使pi也隨之略有增加。因此，當pi或pm略有變化，都會引起轉速很大的波動，使柴油機怠速極不穩定。可見，柴油機必須有保證怠速穩定的裝置。第三十六頁，共57頁。〔1〕由柴油機的速度特性，其有效轉矩曲線隨轉速變化平緩。因此，柴油機外界阻力矩的少量變化，就會引起柴油機轉速的較大變化。又由噴油泵速度特性，轉速升高，循環供油量增加。〔2〕發動機在標定轉速附近運轉時，假如突然卸去負荷會造成轉速大幅上升，循環供油量也迅速增加，發動機轉速進一步快速上升，甚至超過允許限度而出現飛車事故。因此，柴油機上必須有防止超速的裝置。〔3〕汽車發動機在怠速工況運轉時，假設發動機負載突然增加，怠速將會下降，循環供油量也下降，轉速進一步下降，最終導致怠速運轉不穩定，甚至熄火。因此柴油機必須有保證怠速穩定的裝置。總結——為何柴油機上要裝調速器？第三十七頁，共57頁。調速器與調速特性在調速器起作用時，柴油機的主要性能指標隨轉速或負荷變化的關系，稱為柴油機的調速特性。根據需要可分為兩極式調速器和全程調速器。第三十八頁，共57頁。兩極調速器車用柴油機一般采用兩極調速器。調速器在怠速和標定轉速附近起作用，以穩定怠速和防止高速飛車。中間轉速調速器不起作用，由駕駛員通過加速踏板控制供油量。第三十九頁，共57頁。兩極調速器工作原理圖1-油量調節齒條2-油門踏板

3-調節軸

4-支承架5-飛球

6-調節推桿

7-拉桿

8-調節杠桿

9-彈簧座10-怠速彈簧

11-高速彈簧12-滑塊第四十頁，共57頁。全程調速器柴油機由最低轉速到最高轉速的寬廣范圍內，調速器都起作用，這樣的調速器我們稱為全程式調速器。工程機械、礦山機械等用柴油機一般都為全程式調速器。第四十一頁，共57頁。8.5發動機的萬有特性負荷特性和速度特性只能表示某一轉速或某一齒條位置〔或節氣門開度〕時發動機參數間的變化規律，而汽車、拖拉機的工況變化范圍很廣，要分析各種工況下的性能就需要許多張負荷特性或速度特性圖，這樣做極不方便，也不清楚。為了能在一張圖上較為全面地表示發動機性能，經常應用多參數的特性曲線稱為萬有特性。通過萬有特性可以方便查出內燃機各種工況下的性能指標。以轉速n為橫坐標，以轉矩Te或平均有效壓力Pme為縱坐標，在圖上畫出許多等燃油消耗曲線和等功率曲線，構成萬有特性。第四十二頁，共57頁。汽油機與柴油機萬有特性的比較最低油耗偏高，經濟區偏小；等燃油消耗線在低速區向大負荷收斂，說明汽油機低速、低負荷工作時，燃油消耗率較高；等功率曲線隨轉速升高而斜穿等燃油消耗線，故當Pe一定時，轉速愈高愈費油；汽油機〔n一定〕的△ge/△Te或△ge/△Pme比柴油機大，說明變工況工作時平均油耗偏高。柴油機萬有特性與汽油機相比：最低燃油消耗偏低，經濟區較寬；等耗油率線在上下速均不收斂，變化比較平坦；等功率線向高速延伸時，耗油率變化不大。第四十三頁，共57頁。

CA6102汽油機萬有特性EQD6102—1型柴油機萬有特性第四十四頁，共57頁。萬有特性的應用可以方便地查到內燃機在任何點〔Te,n〕工作時的Pe、ge、Pme以及發動機最經濟負荷和轉速。等燃油消耗率曲線的形狀及分布情況，對內燃機使用經濟性有很大影響。等燃油消耗率曲線內層為最經濟區，曲線愈向外，經濟性愈差。假如等燃油消耗率曲線橫向較長，表示內燃機在負荷變化不大而轉速變化較大的情況下油耗較小。假如等燃油消耗率曲線縱向較長，那么發動機負荷變化較大而轉速變化較小情況下的燃油消耗較小。對于常用于中等負荷、中等轉速工況的車用內燃機，希望其最經濟區處于萬有特性中部，等燃油消耗率曲線橫向較長。對于轉速變化范圍較小而負荷變化范圍較大的工程機械用內燃機，希望最經濟區在標定轉速附近，等燃油消耗率曲線縱向較長些。第四十五頁，共57頁。萬有特性的應用某些改進與研究性試驗時，為保證內燃機與傳動系的匹配，將常用排檔下常用阻力曲線〔折算成Pme值〕繪于萬有特性上。可以一目了然地看出汽車的常用工作區，是否與發動機的經濟油耗區接近，以判斷改進效果。可用萬有特性評價內燃機排放污染情況。將內燃機有害排放物隨負荷和轉速變化的關系畫在萬有特性上，從而反映內燃機在某一工況下的燃燒與混合氣形成情況。可以結合傳動系統參數繪制整車萬有特性。由此可以確定各排擋、各種坡度、不同車速下的經濟性和動力性。第四十六頁，共57頁。發動機試驗發動機試驗按其目的分為性能試驗和可靠性試驗。主要性能的試驗：功率試驗負荷特性試驗萬有特性試驗柴油機調速特性試驗柴油機怠速試驗汽油機怠速試驗第四十七頁，共57頁。功率試驗試驗目的：評定發動機在全負荷下的動力性能和經濟性能。測定工程分總功率測定和凈功率測定兩種。測定總功率時發動機僅帶維持運轉所必要的附件。測定凈功率時發動機帶全套附件。試驗方法：節氣門全開，在發動機工作轉速范圍內，順序地改變轉速進展測量。適當分布8個以上的測量點。通過測量發動機的輸出轉矩和轉速，計算出發動機的有效功率。根據記錄進展計算，并繪制總〔凈〕功率曲線。第四十八頁，共57頁。負荷特性試驗試驗目的：評定在規定轉速下發動機部分負荷的經濟性。試驗方法：在50%~80%的額定轉速下進展，發動機轉速不變，從小負荷開場，逐漸增大節氣門，進展測量，直到節氣門全開，適當分布8個以上的測量點。第四十九頁，共57頁。萬有特性試驗試驗目的：評定發動機在各種工況下的經濟性，為選用汽車發動機提供根據。試驗方法：以下兩種方法可任選其一。負荷特性法在發動機工作轉速范圍內均勻地選擇8種以上的轉速，按負荷特性的試驗方法，在選定的各種轉速下進展負荷特性試驗。速度特性法根據額定功率的百分數，適當地選擇8種以上的節氣門開度，在一種節氣門開度下，在發動機工作轉速范圍內，順序地改變轉速進展測量，適當地分布8個以上的測量點。然后再進展其他節氣門開度的速度特性試驗。根據所得到的負荷或速度特性曲線，繪制萬有特性曲線。第五十頁，共57頁。發動機試驗中的測試工程與試驗設備試驗臺架油耗計測功機第五十一頁，共57頁。試驗臺架發動機工作時有較大的振動和旋轉力矩，所以試驗臺要有比較鞏固的根底。在根底下面有一層墊層，使用油氈、木材或橡膠等材料以吸收振動。在發動機的功率輸出端通過萬向聯節與測功機連接。通過測功器和轉速表所測讀數，可以計算出被測發動機的有效功率。燃料的供給由專用的燃油箱通過油耗計供至發動機的燃料供給系。為了測量進氣溫度，冷卻水進水溫度，冷卻水出水溫度，排氣溫度等，備有安裝各種測量儀器的專用位置。第五十二頁，共57頁。油