第11章 發(fā)動機運行特性與匹配技術(2003版)

第四篇

運行特性與性能調(diào)控

本篇重點闡述車用發(fā)動機的運行特性與性能調(diào)控問題

第11章發(fā)動機運行特性與匹配技術

第12章發(fā)動機性能與參數(shù)的調(diào)控技術第11章發(fā)動機的特性與匹配技術

主要講述發(fā)動機運行特性—速度特性、負荷特性、全特性的變化規(guī)律及測試方法。發(fā)動機運行特性對汽車的適應性以及汽車與發(fā)動機動力、經(jīng)濟性的合理匹配，并涉及混合動力驅動技術教學提示發(fā)動機運行特性即主要的性能指標隨工況參數(shù)—轉速和負荷的變化規(guī)律。

由發(fā)動機運行特性轉化而得汽車的運行特性：驅動力特性、燃油經(jīng)濟性、運轉穩(wěn)定性、安全性等。發(fā)動機與汽車配套在寬廣轉速和負荷范圍內(nèi)多工況、變工況工作，汽車與發(fā)動機特性需要全工況的合理匹配。教學要求掌握發(fā)動機運行特性及其分析方法掌握速度特性、負荷特性、萬有特性等試驗方法及數(shù)據(jù)處理掌握汽車與發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性匹配

發(fā)動機特性指在一定條件下，發(fā)動機性能指標或特性參數(shù)隨各種可變因素的變化規(guī)律，可分為運行特性和調(diào)整特性。運行特性：主要的性能指標隨工況參數(shù)轉速和負荷的變化規(guī)律。調(diào)整特性：發(fā)動機在轉速和油量調(diào)節(jié)裝置位置不變條件下，各種性能指標隨調(diào)整參數(shù)而變化的規(guī)律。11.1發(fā)動機的特性汽車行駛時，由于車速與行駛阻力不斷變化，則發(fā)動機的轉速和負荷亦相應變化，以適應汽車的需要。隨著轉速和負荷的改變，發(fā)動機工作過程也會發(fā)生變化。因此，發(fā)動機在不同使用條件下具有不同的動力性與經(jīng)濟性。1.工況與工況平面發(fā)動機工況是指發(fā)動機實際運行的工作狀況。Pe

∝Ttq

n(11-1)工況以功率Pe和轉速n來表示，此功率、轉速應該與發(fā)動機所帶動的工作機械要求的功率、轉速相適應。只有發(fā)動機輸出轉矩和工作機械的阻力矩相等時，發(fā)動機才以一定轉速按一定功率穩(wěn)定運轉；工作機械阻力矩、轉速變化時，發(fā)動機的工況會發(fā)生變化。

11.1.1工況、工況面與功率標定發(fā)動機的工況第一類工況發(fā)動機的工況平面即工作區(qū)域取決于發(fā)動機用途。用途不同，工作區(qū)域不同。第二類工況第三類工況（1）第一類工況

發(fā)動機的功率變化時，其轉速幾乎保持不變，該工況又被稱為固定式發(fā)動機工況。例如：發(fā)電用發(fā)動機負荷呈階躍式突變，發(fā)動機轉速必須保持穩(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。灌溉用發(fā)動機除起動和過渡工況外，運行中負荷和轉速保持不變，稱為點工況。第二類工況發(fā)動機的功率與轉速接近于冪函數(shù)關系，該工況又稱為發(fā)動機的螺旋槳工況。例如發(fā)動機作為船用驅動螺旋槳，發(fā)動機功率等于螺旋槳吸收功率，；螺旋槳吸收功率等于取決于轉速的高低，于轉速成冪函數(shù)關系，該工況也稱為推進工況，屬于線工況。第三類工況功率與轉速都在很大范圍內(nèi)變化，稱為發(fā)動機的面工況。例如陸地運輸汽車用發(fā)動機的轉速取決于汽車的行駛速度，可以從最低穩(wěn)定轉速變到最高轉速。負荷取決于行駛阻力，在同一轉速下可以從零變到全負荷。圖11.1剖面線所覆蓋的部分，屬面工況。車用發(fā)動機運行工況，工作區(qū)域限定在一定范圍內(nèi)，圖11.1所示：1）上邊界線a為發(fā)動機油量控制機構最大位置時，不同轉速發(fā)動機所能發(fā)出的最大功率，A最大有效功率標定點。2）

二、發(fā)動機特性

發(fā)動機性能指標隨調(diào)整運轉工況而變化的關系稱為發(fā)動機特性。性能指標調(diào)整情況運轉工況調(diào)整特性性能特性

特性用曲線表示稱為特性曲線，它是評價發(fā)動機性能的一種簡單、方便、必不可少的形式。

第二節(jié)發(fā)動機的速度特性

發(fā)動機性能指標隨轉速變化的關系稱為發(fā)動機的速度特性。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)動機即沿速度特性工作。

速度特性：汽油機節(jié)氣門開度固定不動，其有效功率Pe、扭矩Ttq、燃油消耗率b、每小時消耗油量B等隨轉速n變化的關系。

一、汽油機的速度特性外特性節(jié)氣門全開時速度特性稱為外特性。部分特性節(jié)氣門部分打開時的速度特性稱為部分負荷速度特性。由于節(jié)氣門的開啟可以無限變化，所以部分負荷速度特性曲線有無數(shù)條，而外特性曲線只能有一條。

（一）外特性曲線

1．扭矩曲線變化趨勢隨著轉速n的增加，扭距Ttq逐漸增大，出現(xiàn)最大扭距Ttqmax后逐漸下降，且下降程度越來越大。曲線呈上凸形狀。

2．功率變化趨勢

Pe=Ttq?n/9550

當轉速由低逐漸升高時，由于Ttq、n同時增加Pe增加很快。在達到最大扭距轉速ntq后，再提高轉速，由于Ttq有所下降，使Pe上升緩慢。某一轉速時Ttq?n達最大值。此后，再增加轉速，由于扭距下降超過轉速上升的影響，Pe反而下降。

3、燃油消耗率的變化

（二）部分負荷速度特性

隨著節(jié)氣門的關小，節(jié)流損失增大，充氣效率減小，使部分負荷速度特性的Pe、Ttq低于外特性值。且轉速越高，充氣效率減小的越多，因此，節(jié)氣門開度越小，隨轉速增加，扭距、功率曲線下降得越快，并使最大扭矩及最大功率點向低速方向移動。

二、柴油機速度特性速度特性：噴油泵油量調(diào)節(jié)機構位置固定不動，柴油機性能指標（主要是功率Pe、扭距Ttq、燃油消耗率b、每小時耗油量B）隨轉速n變化的關系。外特性：油量調(diào)節(jié)機構固定在標定循環(huán)供油量位置時速度特性稱為柴油機標定功率速度特性。部分負荷速度特性：當油量調(diào)節(jié)機構固定在小于標定循環(huán)供油量各個位置時，所測得的速度特性稱為柴油機。（一）外特性曲線變化趨勢

1．扭矩曲線變化趨勢柴油機的扭矩曲線比汽油機平坦。柴油機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幾乎與轉速n成正比增加。

3．燃油消耗率曲線

（二）部分負荷速度特性

隨油量調(diào)節(jié)機構位置向減小供油量方向移動時，循環(huán)供油量減小，使部分負荷速度特性的Pe、Ttq值低于外特性。但隨著負荷減小，循環(huán)供油量隨轉速的變化趨勢基本不變，使部分負荷速度特性的變化趨勢同外特性相似，所以柴油機的部分負荷速度性的Pe、Ttq曲線是隨負荷的減小，大致平行下降。耗油率曲線的變化趨勢基本同外特性。當負荷為75%左右時，曲線位置最低。

負荷特性：轉速不變，其經(jīng)濟性指標隨負荷（可用功率Pe、扭矩Ttq或平均有效壓力Pme表示）的變化關系。當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)動機油門來調(diào)整有效扭矩，以適應外界阻力矩的變化，以保持發(fā)動機轉速不變。

第三節(jié)發(fā)動機的負荷特性

一、汽油機負荷特性

1.負荷特性：當汽油機轉速不變，而逐漸改變節(jié)氣門開度，每小時耗油量B、燃料消耗率b隨負荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關系。

2.汽油機靠改變節(jié)氣門開度，改變進入氣缸的混合氣數(shù)量來適應負荷變化。其負荷的調(diào)節(jié)方法稱為“量調(diào)節(jié)”。汽油機負荷特性分析

（一）燃油消耗率曲線

由公式b=k3/ηitηm可知，燃油消耗率b的變化取決于ηit、ηm的變化。ηit、ηm隨負荷的變化如圖所示。

二、柴油機負荷特性

1.負荷特性:柴油機轉速一定，每小時耗油量B、有效燃料消耗率b隨負荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關系。

2.測取:臺架試驗。測取時，應將柴油機的供油提前角、冷卻水溫度、潤滑油溫度等調(diào)整到最佳狀態(tài)。

3.柴油機負荷調(diào)節(jié)方法稱為“質調(diào)節(jié)”。

柴油機負荷特性曲線分析

（一）耗油率曲線根據(jù)公式柴油機耗油率b隨負荷的變化取決于ηit和ηm。

ηm：隨負荷增加而上升。ηi：隨負荷增加，每循環(huán)供油量△b增加，過量空氣系數(shù)α減小，燃燒不完全程度增大，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下降更快。

綜上所述，當Pe=0，ηm=0時，b趨于無窮大。隨負荷增加，ηm迅速增加，且遠大于ηi的減少，使b下降很快。當△b增加到1點位置時，b最小。此后再增加負荷，由于ηi下降較ηm上升的多，使b又有所增加。當△b增加到2點時，排氣冒黑煙，達到國標規(guī)定限值。當△b超過2點時，燃料消耗量增大，排放污染嚴重，影響發(fā)動機壽命，所以，柴油機的最大循環(huán)供油量應在標定轉速下調(diào)整，使煙度不超過允許值。

（二）每小時耗油量B曲線轉速一定時，柴油機的每小時耗油量B主要決定于△b。隨負荷增加，每循環(huán)供油量△b增加，B隨之增加。當負荷接近冒煙界限后，由于燃燒惡化，B上升得更快一些。

由負荷特性可以看出，(1)同一轉速下最低耗油率bmin越小，曲線變化越平坦，經(jīng)濟性越好。柴油機bmin比汽油機低bmin；而且燃油消耗率曲線比較平坦。相比之下，柴油機部分負荷時低耗油率區(qū)比汽油機寬，因而柴油機比汽油機節(jié)省。(2)耗油率b隨負荷的增加而降低，在接近全負荷（常在80%負荷率左右）時b達到最小。第四節(jié)發(fā)動機的萬有特性

萬有特性是以轉速n為橫坐標，以扭矩Ttq或平均有效壓力Pme為縱坐標，在圖上畫出許多等耗油率曲線和等功率曲線，組成發(fā)動機萬有特性。

一、萬有特性的制取根據(jù)各種轉速下的負荷特性曲線，用作圖法可以得到萬有特性。

（一）等燃油消耗率曲線

1.將不同轉速的負荷特性轉換為以平均有效壓力PME或Ttq為橫坐標、燃油消耗率b為縱坐標的負荷特性，并逆時針旋轉90°。

2.

在萬有特性圖的橫坐標上，以一定比例標出轉速數(shù)值?？v坐標Pme的比例應與負荷特性Pme的比例相同。從b=230g/（kW·h）處引一垂線，與各種轉速的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相應轉速處引出的垂線相交，將交點連成圓滑的曲線，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）邊界線將外特性中的Ttq~n畫在萬有特性上，構成邊界線。

二、萬有特性的應用分析

1.由萬有特性可以方便地查到發(fā)動機在任何點（Ttq、n）工作時的Pe、b、Pme，發(fā)動機在任何點（Pe、n）工作時的Ttq、b、Pme以及發(fā)動機最經(jīng)濟負荷和轉速。

2.等燃油消耗率曲線的形狀及分布情況對發(fā)動機使用經(jīng)濟性有很大影響。

（1）等燃油消耗率曲線最內(nèi)層為最經(jīng)濟區(qū)，曲線越向外，經(jīng)濟性越差。（2）如果等燃油消耗率曲線橫向較長，表示發(fā)動機在負荷變化不大而轉速變化較大的情況下油耗較小。常用中等負荷，中等轉速工況的車用發(fā)動機，希望其最經(jīng)濟區(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)動機在負荷變化較大而轉速變化較小的情況下的燃油消耗率較小。工程機械用發(fā)動機，希望最經(jīng)濟區(qū)在標定轉速附近，等燃油消耗率曲線縱向較長些。

第五節(jié)發(fā)動機