第11章 發(fā)動機(jī)運行特性及匹配技術(shù)(2003版)

1、本篇重點闡述車用發(fā)動機(jī)的運行特性與性能調(diào)控問題 第第1111章章 發(fā)動機(jī)運行特性與匹配技術(shù)發(fā)動機(jī)運行特性與匹配技術(shù) 第第1212章章 發(fā)動機(jī)性能與參數(shù)的調(diào)控技術(shù)發(fā)動機(jī)性能與參數(shù)的調(diào)控技術(shù) 發(fā)動機(jī)運行特性速度特性、負(fù)荷特性、全特性的變化規(guī)律及測試方法。 發(fā)動機(jī)運行特性對汽車的適應(yīng)性以及汽車與發(fā)動機(jī)動力、經(jīng)濟(jì)性的合理匹配，并涉及混合動力驅(qū)動技術(shù)教學(xué)提示教學(xué)提示 發(fā)動機(jī)運行特性即主要的性能指標(biāo)隨工況參數(shù)發(fā)動機(jī)運行特性即主要的性能指標(biāo)隨工況參數(shù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律。轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律。 由發(fā)動機(jī)運行特性轉(zhuǎn)化而得汽車的運行特性：驅(qū)由發(fā)動機(jī)運行特性轉(zhuǎn)化而得汽車的運行特性：驅(qū)動力特性、燃油經(jīng)濟(jì)性、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定

2、性、安全性等。動力特性、燃油經(jīng)濟(jì)性、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、安全性等。 發(fā)動機(jī)與汽車配套在寬廣轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)多工發(fā)動機(jī)與汽車配套在寬廣轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)多工況、變工況工作，汽車與發(fā)動機(jī)特性需要全工況的況、變工況工作，汽車與發(fā)動機(jī)特性需要全工況的合理匹配。合理匹配。掌握發(fā)動機(jī)運行特性及其分析方法掌握速度特性、負(fù)荷特性、萬有特性等試驗方法及數(shù)據(jù)處理掌握汽車與發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性匹配 指在一定條件下，發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)或特性指在一定條件下，發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)或特性參數(shù)隨各種可變因素的變化規(guī)律，可分為參數(shù)隨各種可變因素的變化規(guī)律，可分為和和。：主要的性能指標(biāo)隨工況參數(shù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的：主要的性能指標(biāo)隨工況參數(shù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變

3、化規(guī)律。變化規(guī)律。汽車行駛時，由于車速與行駛汽車行駛時，由于車速與行駛阻力不斷變化，則發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速阻力不斷變化，則發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷亦相應(yīng)變化，以適應(yīng)汽車和負(fù)荷亦相應(yīng)變化，以適應(yīng)汽車的需要。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的改變的需要。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的改變，發(fā)動機(jī)工作過程也會發(fā)生變化，發(fā)動機(jī)工作過程也會發(fā)生變化。因此，發(fā)動機(jī)在不同使用條件。因此，發(fā)動機(jī)在不同使用條件下具有不同的動力性與經(jīng)濟(jì)性。下具有不同的動力性與經(jīng)濟(jì)性。1. 1. 工況與工況平面工況與工況平面 發(fā)動機(jī)工況是指發(fā)動機(jī)實際運行的工作狀況。 P Pe e T Ttq tq n n (11-1) 工況以功率Pe和轉(zhuǎn)速n來表示，此功率、轉(zhuǎn)速應(yīng)該與發(fā)動機(jī)所

4、帶動的工作機(jī)械要求的功率、轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。只有發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和工作機(jī)械的阻力矩相等時， 發(fā)動機(jī)才以一定轉(zhuǎn)速按一定功率穩(wěn)定運轉(zhuǎn)；工作機(jī)械阻力矩、轉(zhuǎn)速變化時，發(fā)動機(jī)的工況會發(fā) 生變化。 發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)的工況的工況第一類工況第一類工況 發(fā)動機(jī)的工況平面即工作區(qū)域取決于發(fā)動機(jī)用途。用途不同，工作區(qū)域不同。第二類工況第二類工況第三類工況第三類工況（1 1）第一類工況）第一類工況 發(fā)動機(jī)的功率變化時，其轉(zhuǎn)速幾乎保持不變，發(fā)動機(jī)的功率變化時，其轉(zhuǎn)速幾乎保持不變，該工況又被稱為固定式發(fā)動機(jī)工況。該工況又被稱為固定式發(fā)動機(jī)工況。例如：例如：發(fā)電用發(fā)動機(jī)負(fù)荷呈階躍式突變，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)電用發(fā)動機(jī)負(fù)荷呈階躍式突變，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)

5、速必須保持穩(wěn)定，以保證電壓和頻率的恒定。必須保持穩(wěn)定，以保證電壓和頻率的恒定。工況圖上是一條垂線，稱為線工況。工況圖上是一條垂線，稱為線工況。灌溉用發(fā)動機(jī)除起動和過渡工況外，運行中負(fù)灌溉用發(fā)動機(jī)除起動和過渡工況外，運行中負(fù)荷和轉(zhuǎn)速保持不變，稱為點工況。荷和轉(zhuǎn)速保持不變，稱為點工況。 發(fā)動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速接近于冪函數(shù)關(guān)系，該工況又稱為發(fā)動機(jī)的螺旋槳工況。例如 發(fā)動機(jī)作為船用驅(qū)動螺旋槳，發(fā)動機(jī)功率等于螺旋槳吸收功率，；螺旋槳吸收功率等于取決于轉(zhuǎn)速的高低，于轉(zhuǎn)速成冪函數(shù)關(guān)系，該工況也稱為推進(jìn)工況，屬于線工況。功率與轉(zhuǎn)速都在很大范圍內(nèi)變化，稱為發(fā)動機(jī)的面工況。例如 陸地運輸汽車用發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于汽車的

6、行駛速度，可以從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變到最高轉(zhuǎn)速。負(fù)荷取決于行駛阻力，在同一轉(zhuǎn)速下可以從零變到全負(fù)荷。圖11.1剖面線所覆蓋的部分，屬面工況。 車用發(fā)動機(jī)運行工況，工作區(qū)域限定在一定范圍內(nèi)，圖11.1所示：l1）上邊界線a為發(fā)動機(jī)油量控制機(jī)構(gòu)最大位置時，不同轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)所能發(fā)出的最大功率，A最大有效功率標(biāo)定點。l2） 二、發(fā)動機(jī)特性二、發(fā)動機(jī)特性 發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨調(diào)整運轉(zhuǎn)工況而變化發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨調(diào)整運轉(zhuǎn)工況而變化的關(guān)系稱為發(fā)動機(jī)特性。的關(guān)系稱為發(fā)動機(jī)特性。性能指標(biāo)性能指標(biāo)調(diào)整情況調(diào)整情況運轉(zhuǎn)工況運轉(zhuǎn)工況調(diào)整特性調(diào)整特性性能特性性能特性 特性用曲線表示稱為特性曲線，它是特性用曲線表示稱為特性曲線，它是評

7、價發(fā)動機(jī)性能的一種簡單、方便、必不評價發(fā)動機(jī)性能的一種簡單、方便、必不可少的形式?？缮俚男问?。 第第 二節(jié)二節(jié) 發(fā)動機(jī)的速度特性發(fā)動機(jī)的速度特性 發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為發(fā)動機(jī)的速度特性。若駕駛員將油門踏為發(fā)動機(jī)的速度特性。若駕駛員將油門踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽板位置保持一定，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(fā)動機(jī)即漸降低，下坡時速度增加，這時發(fā)動機(jī)即沿速度特性工作。沿速度特性工作。 速度特性：汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不動，其速度特性：汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定

8、不動，其有效功率有效功率Pe、扭矩、扭矩Ttq、燃油消耗率燃油消耗率b、每小時消、每小時消耗油量耗油量B等隨轉(zhuǎn)速等隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。變化的關(guān)系。 一、汽油機(jī)的速度特性一、汽油機(jī)的速度特性u外特性外特性 節(jié)氣門全開時速度特性稱為外特性。節(jié)氣門全開時速度特性稱為外特性。u部分特性部分特性 節(jié)氣門部分打開時的速度特性稱為部分節(jié)氣門部分打開時的速度特性稱為部分負(fù)荷速度特性。負(fù)荷速度特性。 由于節(jié)氣門的開啟可以無限變化，所以由于節(jié)氣門的開啟可以無限變化，所以部分負(fù)荷速度特性曲線有無數(shù)條，而外特性部分負(fù)荷速度特性曲線有無數(shù)條，而外特性曲線只能有一條。曲線只能有一條。 （一）外特性曲線（一）外特性曲線 1

9、扭矩曲線變化趨扭矩曲線變化趨勢勢 隨著轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)速n的增加，的增加，扭距扭距Ttq逐漸增大，出現(xiàn)逐漸增大，出現(xiàn)最大扭距最大扭距Ttqmax后逐漸下后逐漸下降，且下降程度越來越大降，且下降程度越來越大。曲線呈上凸形狀。曲線呈上凸形狀。 2功率變化趨勢功率變化趨勢 Pe=Ttqn/9550 當(dāng)轉(zhuǎn)速由低逐漸升高時，當(dāng)轉(zhuǎn)速由低逐漸升高時，由于由于Ttq、n同時增加同時增加Pe增加很增加很快。在達(dá)到最大扭距轉(zhuǎn)速快。在達(dá)到最大扭距轉(zhuǎn)速ntq后，再提高轉(zhuǎn)速，由于后，再提高轉(zhuǎn)速，由于Ttq有有所下降，使所下降，使Pe上升緩慢。某上升緩慢。某一轉(zhuǎn)速時一轉(zhuǎn)速時Ttqn達(dá)最大值。此達(dá)最大值。此后，再增加轉(zhuǎn)速，由于扭

10、距后，再增加轉(zhuǎn)速，由于扭距下降超過轉(zhuǎn)速上升的影響，下降超過轉(zhuǎn)速上升的影響，Pe反而下降。反而下降。3、燃油消耗率的變化、燃油消耗率的變化 （二）部分負(fù)荷速度特性（二）部分負(fù)荷速度特性 隨著節(jié)氣門的關(guān)小，隨著節(jié)氣門的關(guān)小，節(jié)流損失增大，充氣效率節(jié)流損失增大，充氣效率減小，使部分負(fù)荷速度特減小，使部分負(fù)荷速度特性的性的 Pe、Ttq低于外特性低于外特性值。且轉(zhuǎn)速越高，充氣效值。且轉(zhuǎn)速越高，充氣效率減小的越多，因此，節(jié)率減小的越多，因此，節(jié)氣門開度越小，隨轉(zhuǎn)速增氣門開度越小，隨轉(zhuǎn)速增加，扭距、功率曲線下降加，扭距、功率曲線下降得越快，并使最大扭矩及得越快，并使最大扭矩及最大功率點向低速方向移最大功率

11、點向低速方向移動。動。 二、柴油機(jī)速度特性二、柴油機(jī)速度特性 速度特性：噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置固定不動，柴油機(jī)性能指標(biāo)（主要是功率Pe、扭距Ttq、燃油消耗率b、每小時耗油量B）隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。 外特性：油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在標(biāo)定循環(huán)供油量位置時速度特性稱為柴油機(jī)標(biāo)定功率速度特性。 部分負(fù)荷速度特性：當(dāng)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在小于標(biāo)定循環(huán)供油量各個位置時，所測得的速度特性稱為柴油機(jī)。 1扭矩曲線變化趨扭矩曲線變化趨勢勢 柴油機(jī)的扭矩曲線比汽油機(jī)平坦。 柴油機(jī)扭矩曲線的變化趨勢，很大程度上決定于每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速變化的情況。 2功率曲線 由于扭矩Ttq曲線變化平坦，在一定n范圍內(nèi)，功率Pe幾乎與轉(zhuǎn)速n

12、成正比增加。 3燃油消耗率曲線燃油消耗率曲線 （二）部分負(fù)荷速度特性 隨油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置向減小供油量方向移動時，循環(huán)供油量減小，使部分負(fù)荷速度特性的Pe、 Ttq值低于外特性。但隨著負(fù)荷減小，循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本不變，使部分負(fù)荷速度特性的變化趨勢同外特性相似，所以柴油機(jī)的部分負(fù)荷速度性的Pe、Ttq曲線是隨負(fù)荷的減小，大致平行下降。 耗油率曲線的變化趨勢基本同外特性。當(dāng)負(fù)荷為75%左右時，曲線位置最低。 負(fù)荷特性：轉(zhuǎn)速不變，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)負(fù)荷特性：轉(zhuǎn)速不變，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷（可用功率荷（可用功率Pe、扭矩、扭矩Ttq或平均有效壓力或平均有效壓力Pme表示）的變化關(guān)系。表示）的變化

13、關(guān)系。 當(dāng)汽車以一定的速度沿阻力變化的道路行當(dāng)汽車以一定的速度沿阻力變化的道路行駛時，就是這種情況。此時必須改變發(fā)動機(jī)油駛時，就是這種情況。此時必須改變發(fā)動機(jī)油門來調(diào)整有效扭矩，以適應(yīng)外界阻力矩的變化，門來調(diào)整有效扭矩，以適應(yīng)外界阻力矩的變化，以保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變以保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變。 一、汽油機(jī)負(fù)荷特性一、汽油機(jī)負(fù)荷特性 1.負(fù)荷特性：當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而逐負(fù)荷特性：當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而逐漸改變節(jié)氣門開度，每小時耗油量漸改變節(jié)氣門開度，每小時耗油量B、燃料、燃料消耗率消耗率b隨負(fù)荷（隨負(fù)荷（Pe、Ttq或或Pme）而變化的關(guān)）而變化的關(guān)系。系。 2.汽油機(jī)靠改變節(jié)氣門開度，改變進(jìn)入汽油機(jī)靠改

14、變節(jié)氣門開度，改變進(jìn)入氣缸的混合氣數(shù)量來適應(yīng)負(fù)荷變化。其負(fù)荷氣缸的混合氣數(shù)量來適應(yīng)負(fù)荷變化。其負(fù)荷的調(diào)節(jié)方法稱為的調(diào)節(jié)方法稱為“量調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)”。 （一）燃油消耗率曲線（一）燃油消耗率曲線 由公式b=k3/itm可知，燃油消耗率b的變化取決于it、m的變化。it、m隨負(fù)荷的變化如圖所示。 二、柴油機(jī)負(fù)荷特性二、柴油機(jī)負(fù)荷特性 1.負(fù)荷特性:柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一定，每小時耗油量B、有效燃料消耗率b隨負(fù)荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關(guān)系。 2.測取:臺架試驗。測取時，應(yīng)將柴油機(jī)的供油提前角、冷卻水溫度、潤滑油溫度等調(diào)整到最佳狀態(tài)。 3.柴油機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方法稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。 柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線分析柴油機(jī)負(fù)荷

15、特性曲線分析 （一）耗油率曲線（一）耗油率曲線 根據(jù)公式 柴油機(jī)耗油率b隨負(fù)荷的變化取決于it和m。 mieKb13 m：隨負(fù)荷增加而上升。 i： 隨負(fù)荷增加，每循環(huán)供油量b增加，過量空氣系數(shù)減小，燃燒不完全程度增大，使i減小。大負(fù)荷時，混合氣過濃，燃燒惡化，不完全燃燒及補(bǔ)燃增多，使i下降更快。 綜上所述，當(dāng)Pe=0，m=0時，b趨于無窮大。隨負(fù)荷增加，m迅速增加，且遠(yuǎn)大于i的減少，使b下降很快。當(dāng)b增加到1點位置時，b最小。此后再增加負(fù)荷，由于i下降較m上升的多，使b又有所增加。當(dāng)b增加到2點時，排氣冒黑煙，達(dá)到國標(biāo)規(guī)定限值。當(dāng)b超過2點時，燃料消耗量增大，排放污染嚴(yán)重，影響發(fā)動機(jī)壽命，所以

16、，柴油機(jī)的最大循環(huán)供油量應(yīng)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下調(diào)整，使煙度不超過允許值。 （二）每小時耗油量（二）每小時耗油量B曲線曲線 轉(zhuǎn)速一定時，柴油機(jī)的每小時耗油量B主要決定于b。隨負(fù)荷增加，每循環(huán)供油量b增加，B隨之增加。當(dāng)負(fù)荷接近冒煙界限后，由于燃燒惡化，B上升得更快一些。 由負(fù)荷特性可以看出， (1)同一轉(zhuǎn)速下最低耗油率bmin越小，曲線變化越平坦，經(jīng)濟(jì)性越好。柴油機(jī)bmin比汽油機(jī)低bmin；而且燃油消耗率曲線比較平坦。相比之下，柴油機(jī)部分負(fù)荷時低耗油率區(qū)比汽油機(jī)寬，因而柴油機(jī)比汽油機(jī)節(jié)省。(2)耗油率b隨負(fù)荷的增加而降低，在接近全負(fù)荷（常在80%負(fù)荷率左右）時b達(dá)到最小。 萬有特性是以轉(zhuǎn)速n為橫坐標(biāo)，

17、以扭矩Ttq或平均有效壓力Pme為縱坐標(biāo)，在圖上畫出許多等耗油率曲線和等功率曲線，組成發(fā)動機(jī)萬有特性。 一、萬有特性的制取 根據(jù)各種轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線，用作圖法可以得到萬有特性。 （一）等燃油消耗率曲線（一）等燃油消耗率曲線 1. 將不同轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性轉(zhuǎn)換為以平均有效壓力PME或Ttq為橫坐標(biāo)、燃油消耗率b為縱坐標(biāo)的負(fù)荷特性，并逆時針旋轉(zhuǎn)90。 2. 在萬有特性圖的橫坐標(biāo)上，以一定比例標(biāo)出轉(zhuǎn)速數(shù)值?？v坐標(biāo)Pme的比例應(yīng)與負(fù)荷特性Pme的比例相同。從b=230g/（kWh）處引一垂線，與各種轉(zhuǎn)速的b曲線有兩個（或一個）交點。再從交點處引水平線，與從萬有特性橫坐標(biāo)相應(yīng)轉(zhuǎn)速處引出的垂線相交，將交點

18、連成圓滑的曲線，即得到一定燃油消耗率時的等燃油消耗率曲線，其余b時的等燃油消耗率曲線作法相同。（二）等功率曲線（二）等功率曲線根據(jù)公式Pe= kPmen，可畫出等功率曲線，是一組雙曲線。 （三）邊界線（三）邊界線將外特性中的Ttqn畫在萬有特性上，構(gòu)成邊界線。 二、萬有特性的應(yīng)用分析二、萬有特性的應(yīng)用分析 1.由萬有特性可以方便地查到發(fā)動機(jī)在任何點（Ttq、n）工作時的Pe、b、Pme，發(fā)動機(jī)在任何點（Pe、n）工作時的Ttq、b、Pme以及發(fā)動機(jī)最經(jīng)濟(jì)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。 2. 等燃油消耗率曲線的形狀及分布情況對發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性有很大影響。 （1）等燃油消耗率曲線最內(nèi)層為最經(jīng)濟(jì)區(qū)，曲線越向外，經(jīng)濟(jì)性越差。 （2）如果等燃油消耗率曲線橫向較長，表示發(fā)動機(jī)在負(fù)荷變化不大而轉(zhuǎn)速變化較大的情況下油耗較小。常用中等負(fù)荷，中等轉(zhuǎn)速工況的車用發(fā)動機(jī)，希望其最經(jīng)濟(jì)區(qū)處于萬有特性中部，等燃油消耗率曲線曲線橫向較長。 （3）等燃油消耗率曲線縱向較長，則發(fā)動機(jī)在負(fù)荷變化較大而轉(zhuǎn)速變化較小的情況下的燃油消耗率較小。工程機(jī)械用發(fā)動