發(fā)動機原理課件

發(fā)動機的換氣過程

§2.1四行程發(fā)動機的換氣過程

作用：盡可能排除缸內(nèi)廢氣并充入盡可能多的新鮮工質(zhì)。每循環(huán)進入氣缸的新鮮工質(zhì)量。對性能影響：影響到汽車的經(jīng)濟性、排放、噪聲及乘坐的舒適性等。要求：盡可能合理地延長換氣時間：發(fā)動機換氣過程包括排氣過程和進氣過程。理論上進排氣各占180°（合計360°

）曲軸轉(zhuǎn)角。實際上由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，一個行程的歷時只有

60/5600*2＝0.0054s，∵時間短→充氣不足，排氣不凈→Pe↓。∴要盡量延長進、排氣時間（換氣過程)，即擴大進、排氣的曲軸轉(zhuǎn)角。組成：從排氣門開啟--進氣門關(guān)閉的整個時期，約占410o～480o曲軸轉(zhuǎn)角。一般分作自由排氣、強制排氣、進氣和氣門疊開四個階段。配氣定時（配氣相位）圖進、排氣門開、關(guān)的曲軸轉(zhuǎn)角時刻稱為配氣定時（相位），用相對上、下止點的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來表示則稱為配氣定時圖。主要階段及特點如下：配氣定時（配氣相位）圖1、排氣提前角γ=30°～80°

：從排氣門打開到下止點這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：①在活塞上行時排氣門有足夠大的開啟面積，減小排氣阻力；②減小活塞上行時的阻力（強制排氣損失－負功）；合理匹配可以減小泵氣損失。③高溫廢氣迅速排出可減小發(fā)動機熱負荷；2、排氣遲閉角δ=10°～35°：從上止點到排氣門完全關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：利用壓力差和廢氣流慣性盡可能排凈出廢氣。3、進氣提前角α=0°～40°：從進氣門打開到上止點這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：在活塞下行時進氣門有足夠大的開啟面積，新鮮工質(zhì)可以順利流入氣缸；冷卻燃燒室壁面以降低Ta提高充氣效率。4、進氣門遲閉角β=40°

～70°

：從下止點到進氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角。作用：利用高速氣流的慣性和壓力差在下止點后繼續(xù)充氣，增加進氣量。5、氣門疊開δ+α

：由于排氣門的遲閉和進氣門早開，存在進、排氣門同時開著的現(xiàn)象，稱為氣門疊開。作用：掃氣作用清除殘余廢氣，減小殘余廢氣系數(shù)；降低高溫零件的溫度（即減小殘余廢氣系數(shù)、降低Ta提高ηv）但要保證不應(yīng)產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象。δ+α范圍：增壓發(fā)動機可達80°～160°；非增壓發(fā)動機一般為20°～80°。換氣過程詳解（一）排氣過程

【180°+γ(30°～80°)+δ

（10°～35°）】≈（220°～295°）

1、自由排氣階段：從排氣門打開到氣缸壓力接近排氣管壓力的這個時期。Ⅰ初期：排氣為超臨界狀態(tài)，此時缸內(nèi)廢氣壓力約為0.2～0.5MPa，Pb/Pr>1.9（臨界值），廢氣以當?shù)芈曀賑（m／s）流過排氣門開啟截面。

式中K——絕熱指數(shù)；

R——氣體常數(shù)［N.m/（kg.K）］；

T——氣體的絕對溫度（K）。當Tr=700～1100K時，可達500～700m/s。Ⅰ初期（超臨界期）廢氣流量與排氣管內(nèi)壓力無關(guān)，只決定于氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)和氣門有效開啟面積。Ⅱ中期：隨著廢氣排出、缸內(nèi)壓力的下降排氣流動轉(zhuǎn)入亞臨界狀態(tài)，此時廢氣流量決定于氣缸內(nèi)和排氣管內(nèi)的壓力差。Ⅲ結(jié)束：某一時刻，氣缸內(nèi)壓力=排氣管內(nèi)的壓力時，則自由排氣階段結(jié)束。特點：自由排氣階段排出廢氣量與轉(zhuǎn)速無關(guān)，時間雖短但占60%以上。自由排氣結(jié)束的標志為:Pb=Pr；在Pr＝C，Tr＝C，Vr＝C2、強制排氣階段：克服排氣系統(tǒng)阻力活塞強制推出廢氣。（二）、進氣過程180°+α+β≈220°

～390°

作用：活塞下行、缸內(nèi)容積增加、缸內(nèi)壓力下降、環(huán)境壓力－缸內(nèi)壓力>進氣系統(tǒng)阻力，吸入新鮮工質(zhì)。特點：初期缸內(nèi)容積增加、壓差不足不進氣，進氣系統(tǒng)壓力急劇下降。壓力下降到壓差>＝進氣阻力后壓力幾乎不變。

進氣損失→X三、換氣損失自由排氣損失→W；（W+X+Y）排氣損失強制排氣損失→Y。（X+Y-d）的面積稱作泵氣損失W:自由排氣損失：由實際循環(huán)線外側(cè)、理論循環(huán)線內(nèi)側(cè)、Va的平行線所組成的面積，在計算指示功時不記錄此部分面積。是實際循環(huán)相對于理論循環(huán)損失的部分，僅作為換氣損失而不是泵氣損失的組成部分。Y：強制排氣損失，由排氣線、實際壓縮線和P0線組成的面積。是理論循環(huán)與實際循環(huán)損失的一部分，也在實際循環(huán)中作為負功，是換氣損失也是泵氣損失。X：進氣損失：進氣線、壓縮線、P0線組成的面積。是換氣、泵氣損失的組成部分。在所有損失中排氣損失為絕大部分，因此適當匹配排氣提前角，使得W+Y的面積最小可以降低換氣損失，從而提高發(fā)動機的性能?！?.2四行程發(fā)動機的充氣效率一、充氣效率定義：充氣效率：實際進入氣缸的新鮮工質(zhì)量（m1）與進氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的新鮮工質(zhì)量（ms）的比值。測量方法：充氣效率可直接測定，用流量計測出發(fā)動機每小時實際充氣量m1（kg/h），理論充氣量ms（kg/h）由下面的公式算出：式中：Vs——氣缸工作容積（m3）；

i——氣缸數(shù)；

n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速（r／min）。

ρs——進氣狀態(tài)下氣體密度式中：m1、V1——實際進入氣缸的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、體積（進氣狀態(tài)）；

ms、Vs——進氣狀態(tài)下充滿工作容積的新鮮工質(zhì)的質(zhì)量、氣缸工作容積。進氣狀態(tài)s：非增壓發(fā)動機指當時、當?shù)氐拇髿鉅顟B(tài)；增壓發(fā)動機，指增壓器壓氣機出口的狀態(tài)。意義：ηv↑→m1↑→Q1↑→pme↑→PL

↑→Pe↑，即動力性可以提高二、影響充氣效率的因素：公式推導(dǎo)1、設(shè)進氣完成后缸內(nèi)殘余廢氣質(zhì)量為mr，進入新鮮工質(zhì)質(zhì)量為m1

，則進氣終了缸內(nèi)總工質(zhì)質(zhì)量ma=m1+mr，令殘余廢氣系數(shù)r=mr/m1

，則有

m1=ma/（1+r）2、令進氣終了時氣缸內(nèi)的總?cè)莘e（有效進氣容積）與氣缸總?cè)莘eVa的比值為ξ<1（有效進氣體積系數(shù)，因為進氣遲閉角，ξ<1）3、有4、因為PV＝mRT，有P/RT=m/V＝ρ；Va/Vc=ε，Vs/Vc=(Va-Vc)/Vc=ε-15、將3式分子分母同除以Vc，且對于理想氣體有Ra為常數(shù)，可以推出

二、影響充氣效率的因素：可見，影響充氣效率的因素有：環(huán)境溫度和壓力Ts,Ps、進氣終了的氣缸溫度和壓力Ta,Pa、殘余廢氣系數(shù)r、壓縮比ε及氣門正時引起的有效進氣體積系數(shù)ξ等。1、進氣終了的壓力pa式中，為氣體流動時，克服進氣系統(tǒng)阻力而引起的壓降（kPa）。

其中：λ——管道阻力系數(shù)；

ρ——進氣狀態(tài)下氣體的密度（kg／ms）；

v——管道內(nèi)氣體的流速（m/s）?？梢姡鱬a主要取決于管道阻力系數(shù)與氣體的流速。二、影響充氣效率的因素①轉(zhuǎn)速的影響若n↑→

（λ+v）↑→△pa

↑→pa↓→ηv

↓（對比汽、柴充氣效率圖、Pa圖）兩端低（自然中間就高了），出現(xiàn)的峰值轉(zhuǎn)速決定于進氣遲關(guān)角。低速時，由于進氣流速低、慣性小，活塞上行時進氣反流。高速時，時間短，進氣慣性沒完全利用，同時進氣阻力降增加，下降更劇烈柴油機無節(jié)氣門λ小，所以充氣效率高且下降平坦。柴油機汽油機②負荷的影響（n一定）汽油機（量調(diào)節(jié)），負荷↓→（節(jié)氣門?。鱬a↑→pa↓→ηv↓。負荷↑→Pa增加（系數(shù)、速度），Ta略微增加，充氣效率增加。柴油機（質(zhì)調(diào)節(jié)）負荷↑→pa不變，Ta↑→ηv基本不變或略微下降4、配氣定時由于進氣門遲閉，有效容積系數(shù)ξ<1

，新鮮充量的容積減小，但pa值卻可能因有氣流慣性而使pa↑，合適的配氣定時應(yīng)考慮ξ*pa具有最大值。下圖隨進氣遲關(guān)角的增加峰值的外包絡(luò)線逐漸下降（ξ↓）隨進氣遲關(guān)角的增加峰值越靠近高速區(qū)域。合理匹配β可以改變發(fā)動機的扭矩特性，功率特性。進氣遲關(guān)角β↑nηv5、壓縮比ε

ε↑→Vc↓→殘余廢氣量↓→ηv↑，（主要因素） （次要因素）6、進氣或大氣狀態(tài)Ts、Ps環(huán)境溫度Ts隨環(huán)境溫度的增加，環(huán)境溫度與缸壁等熱部件的溫差減小，Ts/Ta↑，充氣效率有所增加。一般情況下，充氣效率與（Ts/Ta）m

成正比，m≈0.25-0.3.轉(zhuǎn)速增加，作用時間短Ts/Ta增加；負荷增加缸壁溫度增加，Ts/Ta減小。環(huán)境壓力Ps對充氣效率沒有影響。Pa=ps-1/2λ*v2*ρs，兩端同除以Ps，可見，Pa/Ps在溫度相同的情況下為常數(shù)，充氣效率不變。則，冬天與夏天相比，冬天的充氣效率低，但功率大（與溫度成0.3次方，而進氣量m1與溫度成－1次方關(guān)系（從密度公式考慮），即溫度低m1增加，動力性提高，但充氣效率下降）。高原時（溫度不變），充氣效率不變，動力性下降（Pa下降）。§2.3提高充氣效率的措施從影響因素出發(fā)，提高充氣效率的措施主要有：減小進氣系統(tǒng)阻力：提高pa合理匹配配氣相位：綜合優(yōu)化有效容積比和慣性進氣。減小排氣系統(tǒng)阻力：降低殘余廢氣系數(shù)減小進氣加熱：降低Ta一、減小進氣系統(tǒng)的阻力（Pa）一）減小進氣門處的阻力在整個進氣系統(tǒng)中，進氣門處的流通截面最小且截面變化最大，因此增大此處的流通能力并減小流動損失一直是人們關(guān)注的重點。時面值、角面值（氣門開啟豐度）定義：整個氣門開啟過程中開啟面積對時間、角度的積分稱為時面值、角面值。代表了氣門總的開啟面積，也可以反應(yīng)氣門開啟的豐滿程度（流通能力）。與凸輪升程規(guī)律（氣門升程規(guī)律）、氣門密封錐角有關(guān)。一般的角面值不變化（凸輪一定、氣門升程規(guī)律一定），而時間變短，時面值下降，換氣過程就相對困難（阻力系數(shù)λ增加）。在具體的發(fā)動機中，角面值一般不隨轉(zhuǎn)速而變化，則高轉(zhuǎn)速時，時面值減小。

=

2、進氣馬赫數(shù)Ma：進氣馬赫數(shù)Ma是進氣門處氣體的平均速度與該處聲速c的比值。平均流速vm：實際進入氣缸的新鮮充量與進氣門有效時面值F（t）之比，式中μm——進氣門開啟期間的平均流量系數(shù)；

Fm——進氣門平均開啟面積；

t0、tc——進氣門開、關(guān)時間；

φ0

、φc——進氣門開、關(guān)角度。式中：F——活塞面積；

Cm——活塞平均速度；

D、d——活塞與進氣閥盤的直徑。2、進氣馬赫數(shù)Ma：根據(jù)試驗可知，在正常的配氣條件下，當Ma超過一定數(shù)值（0.5左右）時，會形成氣阻，無法進入更多氣體，便急劇下降。即使提高轉(zhuǎn)速，因單位時間充氣量無法增加，功率也不能增加。因此，必須注意控制Ma值。它反映流動對充氣效率的影響，成為分析充氣效率的一個特征數(shù)。由式知，增大氣門的相對通過面積；改善氣門處的氣體流動；合理的配氣相位，是限制Ma值、提高ηv的有效方法，對于高速發(fā)動機尤為重要。3、氣門直徑和氣門數(shù)進氣門直徑↑→氣流通路截面積↑→ηv↑。在雙氣門（一進一排）d/D可達45%～50%；

f1/A=0.2～0.25。多氣門結(jié)構(gòu)缸徑大于80mm時，采用二進二排結(jié)構(gòu)；缸徑小于80mm時，采用三進二排結(jié)構(gòu)，可獲得最大開啟面積。四氣門機與兩氣門機相比，功率可提高70%，扭矩可提高30%。

4、氣門升程規(guī)律適當增加氣門升程，改進凸輪型線，減小運動件質(zhì)量，增加零件剛度，在慣性力允許條件下使氣門開閉得盡可能快，從而增大時面值，提高通過能力。最大氣門升程與閥盤直徑之比L/D＝0.26～0.28。5、減少氣門處的流動損失氣門頭部與桿部的過渡要盡量保證流線型，防止產(chǎn)生流動渦流（阻力）；薄壁化（喇叭口）；氣門封面錐角走向（小角度時面值會大，大角度承壓面積減小）二）、進氣道和進氣管為減少進氣道內(nèi)的阻力應(yīng)避免急劇拐彎；（廣、直、勻、光）過渡回角應(yīng)選擇大一些；截管道各面變化要平緩；表面光潔度要高。進氣管截面一般有三種：圓形、矩形及D字形。截面相同時，圓形阻力最小?？勺冞M氣管長，諧波進氣（根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不同，自動調(diào)整進氣管長度，從而能夠充分利用進氣過程中較高的進氣諧波，提高充氣系數(shù)）。一般原則為低速、大扭矩時細長（在阻力變化不大情況下提高慣性）、高速時短粗（慣性不變的情況下減小阻力系數(shù)）。三）、空氣波清器空氣濾清器阻力隨結(jié)構(gòu)而不同。它必須在保證濾清效果的前提下，盡可能減小阻力，如加大通過斷面，改過濾清器性能。在使用中，應(yīng)經(jīng)常清洗濾清器，及時更換濾芯。二、合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta）利用進氣遲關(guān)角來優(yōu)化匹配最大值對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而優(yōu)化最大功率點、最大扭矩點；利用氣門疊開角掃氣減小殘余廢氣系數(shù)并降低熱負荷、減小NOx排放，且保證不倒流。合理選擇配氣定時，保證最好的充氣效果，改善發(fā)動機性能，是非常重要的問題。

1)ηv曲線相當于在一定的配氣定時下，隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。當n↑→①氣流慣性↑若進氣門遲閉角不變→使一部分可以利用氣流慣性進入氣缸的氣體被關(guān)在氣缸之外；ηv↓②流動阻力↑當n↓→氣流慣性又可能使一部分氣體被推回進氣管→

ηv↓

（進氣倒流）ηv是在某一轉(zhuǎn)速下達到最高值，說明在這個轉(zhuǎn)速下工作，能最好地利用氣流的慣性充氣。

二、合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta）2)不同ηv曲線相當于在不同的配氣定時下，隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。不同的進氣遲閉角，ηv最大值相當?shù)霓D(zhuǎn)速不同，一般遲閉角增大ηv最大值相當?shù)霓D(zhuǎn)速也增加。如下圖所示，因為轉(zhuǎn)速增加，氣流速度加大，大的遲閉角可充分利用高速的慣性充氣。改變進氣遲閉角，可以改變ηv隨轉(zhuǎn)速變化的趨向，可用以調(diào)整發(fā)動機扭矩曲線，滿足不同的使用要求。加大進氣門遲閉角，高轉(zhuǎn)速時ηv增加，有利于最大功率的提高，但對低速和中速性能則不利。減小過氣遲閉角，能防止低速倒流，有利于提高最大扭矩，但降低了最大功率。因此，對于配氣定時不能改變的發(fā)動機，應(yīng)根據(jù)常用工況確定進氣遲閉角。

合理選擇配氣定時（ξ、γ、Ta

）

合理的排氣提前角應(yīng)當在保證排氣損失最小的前提下，盡量晚開排氣門，以加大膨脹比，提高熱效率。當轉(zhuǎn)速增加時，相應(yīng)的自由排氣時間減小，為降低排氣損失，應(yīng)增加排氣提前角。在氣門疊開期間，可以利用排氣管的壓力波減小殘余廢氣系數(shù)－>ηv增加，新鮮工質(zhì)流過高溫零件，降低熱負荷，減少NOX，故應(yīng)安排適當?shù)臍忾T疊開角。在高速發(fā)動機，特別是二氣門機中，為保證足夠的進、排氣門時面值，也會有較大的疊開角。車用發(fā)動機的使用轉(zhuǎn)速范圍寬廣，當發(fā)動機在低速、小負荷時，進氣管真空度大，且同樣的疊開角相當?shù)臅r間長，會產(chǎn)生廢氣倒流，故為改善低速性能及怠速穩(wěn)定性，要求氣門疊開角小；在車用增壓發(fā)動機中，為保證低速性能，氣門疊開角也?？刂圃谂c非增壓機同等的程度?？勺兣錃庹龝r（VVT）：配氣相位可變（多個角度或一個角度）、可變氣門開啟持續(xù)期提高時面值……。減小排氣系統(tǒng)阻力（r）選擇合理的排氣消音器和后處理器結(jié)構(gòu)（排氣管合格的國標為動力性下降小于5%），也是為了減小殘余廢氣系數(shù)。減少進氣加熱（Ta）進排氣管分布在兩側(cè)氣門疊開、排氣過程等。小結(jié)：從分析式不難看出，在發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如壓縮比）確定的前提下，提高充氣效率的措施可以歸結(jié)為以下幾點：（一）、降低進氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進氣終了時的壓力1、降低進氣通道的流動阻力①加大進氣門直徑；②增加進氣門數(shù)目；③合理設(shè)計進氣道及氣門的結(jié)構(gòu)。目的：增加氣門流通截面的面積。2、采用可變進氣系統(tǒng)技術(shù)獲得最大充氣效率要滿足以下要求：①低速時，采用較小的氣門疊開角以及較小的氣門升程，防止出現(xiàn)缸內(nèi)新鮮充量向進氣系統(tǒng)的倒流，以便增加轉(zhuǎn)矩，提高燃油經(jīng)濟性。②高速時,應(yīng)具有最大的氣門升程和進氣門遲閉角，以最大限度地減小流動阻力，充分利用過后充氣，提高充氣效率，以滿足動力性要求。③配合以上變化，對進氣門從開啟到關(guān)閉的持續(xù)期（又稱作用角）也應(yīng)進行調(diào)整，以實現(xiàn)最佳的進氣定時。如GM汽車公司推出的無凸輪的電磁氣門驅(qū)動機構(gòu)以及Ford汽車公司的液壓氣門驅(qū)動機構(gòu)。3、減少進氣管和空氣濾清器的阻力（二）、降低排氣系統(tǒng)的阻力損失，以減小缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)（三）、減少高溫零件在進氣系統(tǒng)中對新鮮充量的加熱，以降低進氣終了時的充量溫度。（四）、進氣增壓及增壓中冷，提高進氣壓力

發(fā)動機的特性

§6-1發(fā)動機工況一、發(fā)動機工況：發(fā)動機的運行情況（簡稱工況）用功率和轉(zhuǎn)速n表示。此功率、轉(zhuǎn)速應(yīng)該與發(fā)動機所帶動的工作機械要求的功率、轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。只有當發(fā)動機發(fā)出的扭矩=工作機械消耗的扭矩時，兩者才能在一定轉(zhuǎn)速下按一定功率穩(wěn)定工作。大致可分為以下三類?！?-1發(fā)動機工況1、恒速工作：轉(zhuǎn)速不變，而功率改變。（線工況）例如，帶動發(fā)電機工作時，為保證頻率的穩(wěn)定性，要求發(fā)動機轉(zhuǎn)速基本不變，功率則隨電機負荷大小，可由零變到最大?！?-1發(fā)動機工況2、螺旋槳工作：功率與轉(zhuǎn)速接近三次冪函數(shù)關(guān)系，Pe=k.n3，K為比例常數(shù)。帶動螺旋槳工作的船用機即屬此類，故稱螺旋槳工況，如圖個2中曲線2所示。§6-1發(fā)動機工況3、陸上運輸：功率和轉(zhuǎn)速都獨立地在很大范圍內(nèi)變化。（面工況）其運行情況是：①轉(zhuǎn)速決定車速，可以從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速一直變到最高轉(zhuǎn)速；②扭矩取決于行駛阻力，在同一轉(zhuǎn)速下，可由零變到全負荷；③當需要發(fā)動機制動時，如汽車下長坡，發(fā)動機是由底盤倒拖而做負功。陰影面的上限是發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大功率（曲線3），左面對應(yīng)于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，右面對應(yīng)于最大額定轉(zhuǎn)速，下面是制動時倒拖發(fā)動機所需功率。

二、發(fā)動機特性發(fā)動機性能指標隨運轉(zhuǎn)（調(diào)整）工況而變化的關(guān)系稱為發(fā)動機特性。性能指標調(diào)整情況運轉(zhuǎn)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。

三、發(fā)動機性能指標與工作過程的關(guān)系

發(fā)動機輸出的有效指標通常用平均有效壓力Pme有效扭矩Ttq有效功率Pe有效燃油消耗率b每小時耗油量B表示。這些指標與發(fā)動機工作過程參數(shù)的關(guān)系可以推導(dǎo)如下。

式中ηv——充量系數(shù)；

ρ0——大氣狀態(tài)下空氣密度（kg/m3）；

Vs——氣缸工作容積（m3）；

α——過量空氣系數(shù)；

hu——燃料低熱值（kJ/kg）；

Lo——理論空氣量（kg/kg）。每循環(huán)放熱量Q（kJ）為

根據(jù)平均有效壓力pme（kPa）的定義式中We——每循環(huán)有效功（kJ）；

ηe——有效熱效率。式中ηi——指示熱效率；

ηm——機械效率。功率扭矩（汽油機）燃油消耗率小時耗油量扭矩（柴油機）

§6-2

發(fā)動機臺架試驗

一、試驗臺裝置基本組成、裝配關(guān)系、固定、支承

二、制動測功裝置—測功器

1.水力測功器2.平衡式電力測功器3.電渦流測功器三、油耗量的測量1.容積法充油測量測量消耗容積v的燃油所用時間t

燃油消耗量按下式計算式中V—球泡容積（mL）；

Pe—發(fā)動機有效功率（kW）;ρf—燃油密度（g/mL）；

t—消耗容積V的燃油所用時間（s）。小時耗油量燃油消耗率2.質(zhì)量法油箱供油

充油測量燃油消耗量按下式計算式中t——消耗m（g）燃油所需時間（s）；Pe——消耗m（g）燃油時測量的有效功率（kW）；B——小時耗油量（kg/h）；be——有效燃油消耗率[g/（kW·h）]。

負荷特性：轉(zhuǎn)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(guān)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(yīng)外界阻力矩的變化，以保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變。

§6-3

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(zhuǎn)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be隨負荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關(guān)系。

2.制?。喊l(fā)動機臺架試驗。制取條件：測取前應(yīng)將供油系、點火提前角調(diào)整完好；測取時應(yīng)按規(guī)定保持冷卻水溫度、潤滑油溫度在最佳狀態(tài)（85±5℃）

。

3.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(yīng)負荷變化。其負荷的調(diào)節(jié)方法稱為“量調(diào)節(jié)”。

一、汽油機負荷特性

4、制取方法：①當汽油機保持某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，逐漸改變節(jié)氣門開度（由小到大），測量功率、小時耗油量B，排氣溫度等參數(shù)。②加大節(jié)氣門開度，同時調(diào)節(jié)測功機負荷保持轉(zhuǎn)速不變，穩(wěn)定后測量第二點的功率、小時耗油量B，排氣溫度等參數(shù)。③如此依次一直作到節(jié)氣門全開，一般不少于8點。④把測量數(shù)據(jù)畫在以Pe為橫坐標的坐標系內(nèi)、并連成曲線即得汽油機負荷特性曲線。汽油機負荷特性分析

（曲線歷程分析）

（一）燃油消耗率be曲線由公式

be=k3/ηiηm可知，燃油消耗率be的變化主要取決于ηi、ηm的變化。ηi、ηm隨負荷的變化如圖所示。

（1）ηi轉(zhuǎn)速一定，負荷增加，節(jié)氣門開度加大→殘余廢氣相對減少，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。

（2）ηmηm隨負荷的增加而迅速增加。原因是轉(zhuǎn)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。

當發(fā)動機空轉(zhuǎn)（Pe=0）時，指標功率完全用于克服機械損失，即Pi=Pm，則ηm=0，耗油率b為無窮大。隨負荷（節(jié)氣門開度）增大，由于ηi、ηm同時上升，使耗油率曲線迅速下降。當ηi.ηm達到最大值出現(xiàn)最低耗油率bemin。隨節(jié)氣門逐漸增至全開，供給最大功率混合氣，燃燒不完全現(xiàn)象增加，ηi下降，使耗油率又有所增加。（二）每小時油耗量B曲線B節(jié)氣門開度：開度，量混合氣成分：除怠速、全負荷時較濃外，大部分情況變化不大

B幾乎隨節(jié)氣門開度呈線性變化。當節(jié)氣門開度增大至混合氣成分變濃后，B上升得更快一些。

二、柴油機負荷特性

1.負荷特性：柴油機轉(zhuǎn)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(guān)系。

2.制取:臺架試驗。制取條件：應(yīng)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)（85±5℃）

。

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

二、柴油機負荷特性

2、制取方法：①將柴油機調(diào)到給定轉(zhuǎn)速（由小到大）穩(wěn)定后，測量Ttq、B，Tr和Rb等參數(shù)。②增加供油量，同時調(diào)節(jié)測功機保持轉(zhuǎn)速不變，穩(wěn)定后測量第二點的功率、小時耗油量B，排氣溫度和排氣煙度等參數(shù)。③如此依次一直作到全負荷，一般不少于8點。④把記錄的數(shù)據(jù)通過計算，畫在以Pe為橫坐標的坐標系內(nèi)、并連成曲線即得柴油機負荷特性曲線。

柴油機負荷特性曲線歷程分析

（一）油耗率曲線根據(jù)公式

柴油機耗油率be隨負荷的變化取決于ηi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be下降很快。當gb增加到1點位置時，ηi*ηm

最大，be最小。此后再增加負荷，由于ηi下降較ηm上升的多，使be又有所增加。當gb

增加到2點時，排氣冒黑煙，達到國標規(guī)定限值。當gb

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(yīng)在標定轉(zhuǎn)速下調(diào)整，使煙度不超過允許值。

（二）每小時油耗量B曲線轉(zhuǎn)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。

小結(jié)：負荷特性主要用于評價發(fā)動機的經(jīng)濟性①同一轉(zhuǎn)速下的最低耗油率愈小，曲線愈平坦，經(jīng)濟性愈好。②比較柴油機和汽油機負荷特性曲線可知，柴油機經(jīng)濟性好。ⅰ）bemin比汽油機低20-30%（柴油機ηt、α、ε大）；ⅱ）柴油機曲線比汽油機曲線平坦（因ηi的變化趨勢相反），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省油。ⅲ）汽油機B曲線彎曲度較大，柴油機B曲線在中小負荷接近直線。小結(jié)：③在低負荷區(qū)耗油率高，接近80%負荷時油耗率最低。因此，選用發(fā)動機時，在滿足動力性要求前提下，不宜裝功率過大的發(fā)動機以提高功率利用率和使用經(jīng)濟性。

§6-4

發(fā)動機的速度特性

定義：發(fā)動機性能指標隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)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。外特性：節(jié)氣門全開時的速度特性。

一、汽油機的速度特性

（1）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(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。（2）制?。喊l(fā)動機臺架試驗。制取條件：應(yīng)將點火提前角及供油系調(diào)整完好；測取時，應(yīng)按規(guī)定保持冷卻水溫度、潤滑油溫度在最佳狀態(tài)（85±5℃）

。

一、汽油機的速度特性

（3）制取方法：①汽油機節(jié)氣門固定在全開位置，調(diào)整測功機負荷使其穩(wěn)定在標定轉(zhuǎn)速，測量Ttq、B，排氣溫度Tr等參數(shù)。②節(jié)氣門開度不變，加大測功機負荷，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，穩(wěn)定后測量第二點的、B、排氣溫度等參數(shù)。③如此依次一直作到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，一般不少于8點。④把測量數(shù)據(jù)畫在以n為橫坐標的坐標系內(nèi)、并連成曲線即得汽油機的外特性曲線。

節(jié)氣門全開時速度特性稱為外特性。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）外特性曲線歷程分析

1．扭矩曲線變化趨勢隨著轉(zhuǎn)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。

根據(jù)公式可見，Ttq隨n的變化取決于指示熱效率ηi、機械效率ηm、充氣效率ηv與過量空氣系數(shù)α隨n的變化。

（1）在節(jié)氣門開度一定時，過量空氣系數(shù)φat可視為常數(shù)。

（2）充氣效率ηv在某一中間轉(zhuǎn)速時最大。因為一定的配氣相位僅對一種轉(zhuǎn)速最適合，此轉(zhuǎn)速下能最好地利用氣流慣性。其余轉(zhuǎn)速時ηv均降低，曲線為上凸形。

（3）指示熱效率ηit

轉(zhuǎn)速低，進氣流速低，紊流減弱，使霧化、混合狀態(tài)較差，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，散熱及漏氣損失增加，ηit較低；轉(zhuǎn)速高時，燃燒過程所占曲軸轉(zhuǎn)角較大，燃燒在較大容積下進行，ηit也較低。但變化比較平坦，對Ttq影響較小。

（4）機械效率ηm轉(zhuǎn)速增加，消耗于機械損失功增加。因此，隨轉(zhuǎn)速升高，機械效率ηm明顯下降。

Ttq曲線綜合作用的結(jié)果是；當轉(zhuǎn)速由低開始上升時，ηv，ηit同時增加的影響大于ηm下降的影響，使Ttq增加，對應(yīng)于某一轉(zhuǎn)速時，Ttq達到最大值。轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，由于ηv、ηit、ηm均下降，因此Ttq隨轉(zhuǎn)速升高而較快的下降，即Ttq曲線變化較陡。

2．功率變化趨勢

Pe=Ttq?n/9550

當轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速ntq后，再提高轉(zhuǎn)速，由于Ttq有所下降，使Pe上升緩慢。某一轉(zhuǎn)速時Ttq?n達最大值。此后，再增加轉(zhuǎn)速，由于扭距下降超過轉(zhuǎn)速上升的影響，Pe反而下降。

3．燃油消耗率變化趨勢

be=k3/ηitηmbe在某一中間轉(zhuǎn)速當ηitηm達到最大值時出現(xiàn)最低值。當轉(zhuǎn)速較此轉(zhuǎn)速低時，由于ηm上升彌補不了ηit的下降，使be增加。轉(zhuǎn)速較此轉(zhuǎn)速高時ηit、ηm均較低，be也增加。

（二）部分負荷速度特性

隨著節(jié)氣門的關(guān)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(zhuǎn)速越高，充氣效率減小的越多，因此，節(jié)氣門開度越小，隨轉(zhuǎn)速增加，扭矩、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。

當節(jié)氣門開度的75%左右時，耗油率曲線位置最低。超過75%開度，混合氣較濃，存在燃燒不完全現(xiàn)象，耗油率曲線位置較高；低于75%開度時，殘余廢氣相對增多，燃燒速率下降，使ηit降低，耗油率曲線位置也高，且開度越小，耗油率曲線位置越高。

二、柴油機速度特性

速度特性：噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（油門拉桿或齒條）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(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。外特性：油量調(diào)節(jié)機構(gòu)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(gòu)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。（一）外特性曲線變化趨勢

（曲線歷程分析）

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(zhuǎn)速變化的情況。

扭矩表達式

由式可見，柴油機扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢決定于ηit、ηm、gb隨轉(zhuǎn)速n變化的趨勢。

（1）gb—由油泵速度特性決定，隨轉(zhuǎn)速n的提高，每循環(huán)供油量gb增加。（2）ηv也是在某一中間轉(zhuǎn)速n出現(xiàn)最高值。

（3）ηi—指示熱效率ηi某一中間n稍高ηi轉(zhuǎn)速低空氣渦流減弱，燃燒不良及散熱、漏氣損失增加ηi↓

轉(zhuǎn)速高ηv↓、gb↑，使α↓，燃燒占曲軸轉(zhuǎn)角↑，不完全燃燒嚴重（4）關(guān)于ηm的變化：n↑→pm↑而pi變化不大→ηm

↓

。綜合三個參數(shù)的影響（gb↑抵消了ηm

↓

）使柴油機曲線變化比較平坦。

2．功率Pe曲線：Pe=k.Ttq.n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成正比增加。

3．燃油消耗率曲線:be=K3/(ηi.ηm)

由于柴油機壓縮比高，ηi較高，曲線比汽油機的平坦，最低耗油率值比汽油機相應(yīng)值低。當ηi*ηm達到最大值時，出現(xiàn)bmin值。

（二）部分負荷速度特性

隨油量調(diào)節(jié)機構(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(zhuǎn)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。

三、發(fā)動機扭矩特性汽車拖拉機經(jīng)常會遇到像爬坡這樣阻力突然增大的情況，為減少換檔次數(shù)，要求發(fā)動機的扭矩隨轉(zhuǎn)速的降低而增加。如當汽車上坡時，若油量調(diào)節(jié)拉桿已達最大位置，但所發(fā)出的扭矩仍感不足，車速就要降低，此時需要發(fā)動機隨車速降低而發(fā)出更大扭矩，以克服爬坡阻力。因此，為表明發(fā)動機克服超負荷的能力，引入扭矩儲備系數(shù)和轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)的概念。

1.扭矩儲備系數(shù)

要充分表明發(fā)動機的動力性能，除給出標定功率及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速外，還要同時考慮發(fā)動機的扭矩特性，從而引入扭矩儲備系數(shù)μ和適應(yīng)性系數(shù)K的概念。

式中Ttqmax—外特性曲線上的最大扭矩（N?m）；

Ttq—標定工況下的扭矩(N?m)。

μ或K值大，表明兩扭矩之差（Ttqmax-Ttq）值大，即隨轉(zhuǎn)速的降低，扭矩Ttq增大越快，從而在不換檔的情況下，爬坡能力、克服短期超負荷的能力越強。汽油機：μ值在10%~30%范圍，K值在1.2~1.4。柴油機：若不予以校正，則μ值只有5%~10%范圍，K值只有1.05左右，難以滿足車輛使用要求。（二）轉(zhuǎn)速儲設(shè)備系數(shù)φn轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)是標定工況時的轉(zhuǎn)速與最大扭矩轉(zhuǎn)速的比值。

式中nB——標定工況轉(zhuǎn)速；

ntq——最大扭矩轉(zhuǎn)速最大扭矩轉(zhuǎn)速ntq越低，φn越大，車輛在不換擋的情況下，發(fā)動機克服阻力增加的潛力越強。

一般，汽油機φn=1.15~2.0，柴油機φn=1.5~2.0。

（三）柴油機扭矩特性的改善（扭矩校正）柴油機扭矩儲備系數(shù)小的根本原因是由噴油泵速度特性決定的。因此，柴油機中都采用油量校正裝置來改造外特性扭矩曲線。油量校正裝置的作用是：當發(fā)動機在標定工況下工作時，如果轉(zhuǎn)速因外界阻力矩不斷增加而下降，則噴油泵能自動增加循環(huán)供油量，以增大低速時的扭矩，提高扭矩儲備系數(shù)。

校正方法：（1）出油閥式校正機構(gòu)（可變出油閥減壓容積；可變出油閥減壓作用。）。（2）附加在調(diào)速器上的彈簧校正機構(gòu)。

§6-5柴油機的調(diào)整特性發(fā)動機性能指標隨調(diào)整情況而變化的關(guān)系稱調(diào)整特性。一、柴油機裝調(diào)速器的必要性1、保證發(fā)動機工作穩(wěn)定

§6-5發(fā)動機的調(diào)整特性一、柴油機裝調(diào)速器的必要性2、防止發(fā)動機超速負荷突變，例如拖拉機所帶農(nóng)具突然卸去負荷，就可能引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速很快上升，甚至超過允許的限度，即所謂飛車。排氣冒黑煙柴油機：超速n↑↑→α↓↓：零件過熱由于運動件較重慣性引起零件損壞。汽油機：轉(zhuǎn)速升高時ηv↓↓→Ttq↓→超速不會過高；超速時混合氣成分變化不大，對工作過程影響較?。贿\動零件輕巧，所以短時間超速的危害不大，常允許超速10％。

§6-5發(fā)動機的調(diào)整特性一、柴油機裝調(diào)速器的必要性3、保證怠速穩(wěn)定（防止低速熄火）柴油機：怠速運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性主要取決于發(fā)動機機械損失與氣缸內(nèi)發(fā)出指示功之間的相互配合關(guān)系，如圖6－27所示。§6-5發(fā)動機的調(diào)整特性總之，為了怠速穩(wěn)定和高速不飛車，在柴油機上必須裝置調(diào)速器。調(diào)速器可以根據(jù)外界負荷的變化，自動調(diào)節(jié)噴油泵供油量，使柴油機轉(zhuǎn)速保持在極小的變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。汽車、拖拉機柴油機上所用調(diào)速器，可分為兩極式和全程式兩類。按其構(gòu)造又分機械式、氣動式、液壓式和電氣式，最常用的是機械式調(diào)速器。近年來，采用微機控制的電控調(diào)速器也在增多。

二、全程式調(diào)速器及調(diào)速特性柴油機由最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的寬廣范圍內(nèi)，調(diào)速器都起作用，這種調(diào)速器即全程式調(diào)速器。在調(diào)速器起作用時，保持調(diào)速手柄位置一定，柴油機性能指標（主要指Ttq、Pe、be、B等）隨轉(zhuǎn)速或負荷變化的關(guān)系稱為調(diào)速特性。（一）調(diào)速器工作原理

各組成件的作用可概括如下。（1）轉(zhuǎn)速給定元件駕駛員根據(jù)所需轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)動調(diào)速手柄1（實際即油門）可將調(diào)速彈簧2壓縮到不同位置，以調(diào)整彈簧預(yù)緊力，在彈簧作用下，托板6向右移動。（2）轉(zhuǎn)速變化的感受元件根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化，由噴油泵凸輪軸帶動的旋轉(zhuǎn)飛球就產(chǎn)生不同的離心力，離心力軸向分力抵抗彈簧彈力而作用于執(zhí)行機構(gòu)上。（3）執(zhí)行機構(gòu)它是用來執(zhí)行感受元件所發(fā)生的變化，從而加油或減油。圖中的推力盤5在離心力的作用下，要向左移動，而其移動又受到彈簧預(yù)緊力的抵制，因此推力盤的位置決定于彈簧彈力與離心力的平衡。推力盤5與油量調(diào)節(jié)拉桿4連在一起，所以盤5的位置也決定了油量調(diào)節(jié)拉桿的位置，從而控制油量。（二）調(diào)速特性（三）油量校正裝置為提高柴油機的扭矩儲備系數(shù)，常在柴油機調(diào)速器上設(shè)置校正裝置，其原理如圖6－32所示。裝有校正彈簧和不裝校正彈簧的循環(huán)供油量曲線對比如圖6－33所示。

三、兩級式調(diào)速器及調(diào)速特性兩級式調(diào)速器是在最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速時起作用，以防止發(fā)動機怠速不穩(wěn)和高速飛車，調(diào)速器在中間轉(zhuǎn)速不起作用，由駕駛員通過油門控制供油量。車用柴油機一般采用兩級式調(diào)速器。（一）調(diào)速原理（二）調(diào)速特性

三、兩級式調(diào)速器及調(diào)速特性

三、兩級式調(diào)速器與全程調(diào)速器的差別

當車速變化時，兩極式和全程式調(diào)速器響應(yīng)方式不同，其效果也有區(qū)別，工作情況如圖6－36所示。對于全程式調(diào)速器，踩下油門相當于加大彈簧預(yù)緊力，調(diào)速器起作用，很快加大供油量，扭矩迅速上升，然后再下降達到新的平衡點。這樣，油門稍有變動，汽車便以很大加速度移向新的平衡點，這往往使客車等交通工具上的乘客感到不舒適，加速時也易冒黑煙，操作時要十分小心。此外，感應(yīng)不直接，彈簧力直接由油門操縱，油門踏板較重。對于兩極式調(diào)速器，駕駛員直接操縱油泵齒條，達到新平衡點的加速度小，反應(yīng)快，加速性能好，操縱方便，所以除重型汽車外，一般汽車上常用兩極式調(diào)速器。四、調(diào)速器的工作指標（l）穩(wěn)定調(diào)速率δ2：轉(zhuǎn)速波動相對于全負荷轉(zhuǎn)速的變化范圍。1.調(diào)速率

（2）瞬時調(diào)速率δ1

：表示過渡過程中轉(zhuǎn)速波動的瞬時增長百分比。式中n1——突變負荷前柴油機的轉(zhuǎn)速（r／min）；

n2——突變負荷時柴油機的最大（或最?。┧矔r轉(zhuǎn)速（r／min）；

n3——突變負荷后柴油機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（r／min）；

n標定——柴油機的標定轉(zhuǎn)速（r／min）。

如果穩(wěn)定調(diào)速率太大，不僅對工作機械的穩(wěn)定工作不利，而且對于空轉(zhuǎn)時柴油機零件的磨損也是有害的。一般規(guī)定，對于汽車、拖拉機柴油機，δ2

＜10％；對于交流發(fā)電機組用柴油機則要求高一些，希望δ2

＜5％。

瞬時調(diào)速率是評定調(diào)速器過渡過程的指標。圖6－37為突卸負荷時，轉(zhuǎn)速變化的情況。一般δ1

＜12％，對發(fā)電用的柴油機，要求δ1

＜8％。過渡過程不好時，調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速不能穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下，有較大的波動，嚴重時還會發(fā)出轉(zhuǎn)速忽高忽低的響聲，這種現(xiàn)象常稱“游車”。調(diào)速器一旦發(fā)生“游車”，工作就會失靈，必須設(shè)法消除。2不靈敏度ε：兩個起作用的極限轉(zhuǎn)速之差與平均轉(zhuǎn)速之比。

由于主要是調(diào)速系統(tǒng)中存在摩擦力所致，因而它還可用下式表示式中n2/——當柴油機負荷減小時，調(diào)速器開始作用時的曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）；

n1/——當柴油機負荷增大時，調(diào)速器開始作用時的曲軸轉(zhuǎn)速（r/min）；

n——柴油機的平均轉(zhuǎn)速（r/min）；

FE——調(diào)速器起作用時，作用在推力盤上的推動力；

FR——調(diào)速器推力盤移動時所受的摩擦力。不靈敏度過大時，會引起柴油機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，在極端的情況下，甚至會導(dǎo)致調(diào)速器失去作用，有使柴油機產(chǎn)生飛車的危險。低速時調(diào)速器的推動力小，噴油泵調(diào)節(jié)桿移動時的摩擦力增大，結(jié)果調(diào)速器不靈敏度顯著地增加。一般規(guī)定在標定轉(zhuǎn)速時不超過1.2％～2％，最低轉(zhuǎn)速時不超過10％～13％。第四節(jié)發(fā)動機的萬有特性

萬有特性是以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的負荷特性轉(zhuǎn)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(zhuǎn)90°。

2.

在萬有特性圖的橫坐標上，以一定比例標出轉(zhuǎn)速數(shù)值?？v坐標Pme的比例應(yīng)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(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相應(yīng)轉(zhuǎn)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(gòu)成邊界線。

二、萬有特性的應(yīng)用分析萬有特性的特點圖中指標曲線不相交（是等高線，每一點表征一個工況點，而同一工況的指標值只有一個）中心區(qū)域（封閉）指標值最低（由魚鉤曲線的特點決定的）即最經(jīng)濟，越外延越差。平行于縱坐標的線上轉(zhuǎn)速不變（負荷特性）平行于橫坐標的線上扭矩不變（可以認為是速度特性）

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(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化較大的情況下油耗較小。常用中等負荷，中等轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速附近，等燃油消耗率曲線縱向較長些?！?-6發(fā)動機與整車匹配初步一、動力性匹配 要求：適宜的驅(qū)動力及功率儲備并要考慮經(jīng)濟性匹配情況。（見書上的兩張圖）二、經(jīng)濟性匹配要求：合理匹配檔位使發(fā)動機盡可能多的工作在經(jīng)濟區(qū)域AVT配合電子油門實現(xiàn)理想檔位線（沿經(jīng)濟性指標曲線法線直達經(jīng)濟區(qū)的檔位線）改變發(fā)動機的特性（擴大經(jīng)濟區(qū)的面積、改變經(jīng)濟區(qū)域的位置適應(yīng)檔位要求）兼顧動力性匹配（見書上的匹配圖）

燃料與燃燒§3-1燃料組成及特征燃料的主要分類石油類（烴類）：液態(tài)，汽油、（煤油：用于航空發(fā)動機）、輕柴油、重柴油氣態(tài)，CNG、LNG、LPG含氧燃料：甲醇、乙醇、醚類（二甲基乙醚DME）生物質(zhì)類：大豆油、菜籽油等，可再生資源，太稠、混合氣形成困難、結(jié)焦。去除甘油后就可以變稀。氫：好處多多，但主要問題集中在能量密度貯存：壓縮法、液化法、吸附法（金屬氫化物或炭納米管）零部件的脆化和來源?！?-1燃料組成及特征石油類燃料特征組成：主要成分：碳、氫，占97~98%；少量元素：硫、氧、氮，其中O元素可以降低燃燒過程微粒物，煙度下降；S可以使催化劑中毒，盡量減少。微量元素：K，As，Na，Ca通式：多種碳氫化合物的混合物，通式可表達為CnHm，通常稱為烴。碳原子數(shù)對燃料性能的影響隨C原子數(shù)的增加燃料：依次分為天然氣、液化石油氣、汽油、煤油（航空用）、輕重柴油、渣油（鍋爐用）、瀝青（馬路用）。C↑→

相對分子量↑→密度↑→沸點↑→揮發(fā)性↓＋粘度↑→高溫穩(wěn)定性↓＋點燃性↓＋自燃性↑→用于壓燃式燃燒（柴油機）

§3-1燃料組成及特征

碳原子數(shù)對燃料性能的影響C原子數(shù)沸點品種分子量理論物質(zhì)的變化趨勢C1常溫天然氣16

C↑→分子量↑→粘度，自燃性↑

C↓→分子量↓→點燃性↑C2~C4常溫液化石油氣16~58C5~C1150~200汽油95~120C11~C19180~300煤油100~180C16~C23250~360輕重柴油180~200C23360以上渣油220以上§3-1燃料組成及特征分子結(jié)構(gòu)對燃料性能影響A烷屬烴CnH2n+2①直鏈（正己烷）呈飽和的開鏈式結(jié)構(gòu)，常溫下化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，在高溫下易氧化，C結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，滯燃期較短，是柴油燃料的良好成分。②支鏈（異辛烷）支鏈式，結(jié)構(gòu)緊湊，在高溫下不易自燃，適合汽油燃料。B、烯烴CnH2n 非飽和開鏈式結(jié)構(gòu)，有一個二價鍵，它比烷烴難于自行發(fā)火，抗爆性好，但常溫下化學(xué)安定性差，在長期儲存中易于氧化生成膠質(zhì)（裂解法煉油中存在）?！?-1燃料組成及特征分子結(jié)構(gòu)對燃料性能影響C、炔烴CnH2n-2

非飽和開鏈式結(jié)構(gòu)，有一個三價鏈。炔烴不存在于原油中，系熱裂化生產(chǎn)的中間產(chǎn)物。由于氫不飽和，所以很不穩(wěn)定。在常溫下易分解，儲存中因氧化而結(jié)膠。含炔烴多的產(chǎn)品不宜作為發(fā)動機燃料D、環(huán)烷烴CnH2n

飽和的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，不易分裂，熱穩(wěn)定性和自發(fā)火的溫度均比直鏈烷烴為高。環(huán)烷烴多的燃油適宜作為汽油機燃料，不適宜作柴油機燃料，環(huán)烷烴與烷烴都是石油的重要組成部分。E、芳香烴CnH2n-6

基本化合物是苯，所有芳香烴都含有苯基的成分。在石油中含量較少，分子結(jié)構(gòu)堅固，熱穩(wěn)定性比環(huán)烷烴高，在高溫下分子不易破裂，化學(xué)安定性較前者為高，是良好的防爆劑。石油煉制中常使產(chǎn)品的芳香烴增多。

α-甲基萘是十六烷值為0的標準燃料。

§3-2燃料的使用特性一、汽油的使用性能影響汽油機性能的關(guān)鍵性指標主要是蒸發(fā)性（餾程）和抗爆性（辛烷值）等。1、餾程：蒸發(fā)性餾程：用餾出某一百分比燃油質(zhì)量的溫度范圍來表示。為了評價燃料的揮發(fā)性（形成混合氣的難易程度），以10％、50％和90％的餾出溫度作為幾個有代表意義的點。（1）10％餾出溫度(<75℃)標志著它的起動性。T10↓→燃料容易冷車起動。但T10過低，在管路中輸送時受發(fā)動機溫度較高部位的加熱而變成蒸氣，在管路中形成“氣阻”，使發(fā)動機斷火，影響它的正常運轉(zhuǎn)。

§3-2燃料的使用特性（2）餾出50％的溫度

(<145℃)標志著汽油的平均蒸發(fā)性。T50↓→

（從較低負荷向較高負荷過渡時，能夠及時供應(yīng)所需的混合氣）↓→暖車時間↓

+加速性改善+工作穩(wěn)定性提高。（3）餾出90％的溫度(<195℃)T90標志著燃料中難揮發(fā)的重質(zhì)成分的數(shù)量。當T90↓→

重質(zhì)成分↓→易揮發(fā)，利于燃燒。當T90過高→重質(zhì)成分↑→不易揮發(fā)燃燒而附著在氣缸壁上→形成積碳或流入油底殼→稀釋機油破壞潤滑。

§3-2燃料的使用特性2．辛烷值：辛烷值是表示汽油抗爆性的指標。爆震：在汽油機燃燒中，在火焰前鋒面未傳播到的情況下由于缸內(nèi)溫度（或局部溫度）過高而引起的末端混合氣自燃（瞬間同時燃燒），從而引起缸內(nèi)溫度、壓力急劇上升并伴隨特定敲缸聲（壓力波在缸內(nèi)的不斷反射）的不正常燃燒狀態(tài)。輕微爆震時由于燃燒迅速定容性提高，熱效率提高、動力性提高。爆震過強時缸內(nèi)溫度、壓力急劇上升發(fā)動機的熱負荷、機械負荷增加，潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)破壞從而引起可預(yù)見的重大破壞?，F(xiàn)代汽油機中增設(shè)爆震傳感器，使發(fā)動機在臨界爆震狀態(tài)燃燒。辛烷值測定方法：在特殊的單缸試驗機（CFR）上按規(guī)定的條件進行。利用兩種標準燃料：異辛烷(2,2,4三甲基戊烷，C8H18)，辛烷值為100；正庚烷(C7H16)，辛烷值為0。按不同比例（體積）混合可得不同辛烷值的標準燃料，（其辛烷值即為異辛烷的體積百分數(shù)）。在特定工況下調(diào)整壓縮比使被測燃料發(fā)生臨界爆震。找出與被測燃油相同具有抗爆性的標準燃料，則標準燃料的辛烷值即為被測定汽油的辛烷值。實驗方法不同：馬達法試驗值（MON）n=900r/min、進氣加熱（條件苛刻），研究法試驗值（RON）n=600r/min、進氣不加熱。MON<RON。燃料敏感度=研究法試驗值-馬達法試驗值，表征了燃料對工況的敏感度。

通用評價抗爆性的指標：

ONI（抗爆指數(shù)）＝(MON+RON)/2。目前所用汽油的牌號即為該值。辛烷值高低順序為烷烴＜烯烴＜（炔烴）＜環(huán)烷烴＜芳烴。提高辛烷值的方法：加抗爆劑（四乙鉛、溴乙烷），由于對后處理器催化劑的毒性強，目前已經(jīng)停用。提高汽油中芳香烴的含量，裂化調(diào)制。加調(diào)和劑（醚、醇）二、柴油的使用特性（燃燒機理復(fù)雜，影響因素多，性能要求多）1、自燃性（發(fā)火性）的指標——十六烷值十六烷值，是在特殊的單缸試驗機上按規(guī)定的條件進行。標準燃料正十六烷C16H34十六烷值為100，易自燃，

α—甲基奈C11H10其十六烷值定為0，難自燃。按不同比例混合可得不同十六烷值的標準燃料。當被測定柴油的自燃性=標準燃料的自燃性時，則混合液中十六烷的體積百分數(shù)就定為該種柴油的十六烷值。十六烷值與發(fā)動機的粗暴性及起動性均有密切關(guān)系。十六烷值↑→自燃性好↑→著火延遲時期↓著火后△P/△φ↓

→工作柔和。冷起動性能亦隨之改善。十六烷值過高→燃料分子量↑→蒸發(fā)性↓

粘度↑→排氣冒煙及bi↑。因此，國產(chǎn)柴油的十六烷值規(guī)定在40～50之間。

二、柴油的使用特性（燃燒機理復(fù)雜，影響因素多，性能要求多）2、蒸發(fā)性——餾程：50％餾出溫度表征平均蒸發(fā)性，低蒸發(fā)性好，說明輕餾分多、蒸發(fā)快，有利于混合氣形成。但餾分太輕也不好，因為輕質(zhì)燃料容易蒸發(fā)，在著火前形成大量油氣混合氣，一旦著火△P/△φ↑↑

，柴油機工作粗暴。90％和95％餾出溫度標志難于蒸發(fā)的重餾分的數(shù)量。如果重餾分過多，不僅蒸發(fā)和形成均勻混合氣，燃燒不容易及時和完全（補燃期變長，效率下降）。十六烷值必須與蒸發(fā)性相匹配。蒸發(fā)性不足而十六烷值高冒煙，熱效率下降（定容性差）；十六烷值不足而蒸發(fā)性高則預(yù)混合燃燒量過高，機械負荷增加。

3、霧化性（燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)）—用粘度評價它影響柴油的噴霧質(zhì)量。當其它條件相同時，粘度越大，霧化后油滴的平均直徑（SMD、紹特平均直徑：均方根值）也越大，使燃油和空氣混合不均勻，燃燒不及時或不完全，燃油消耗率增加，排氣冒煙。噴油泵柱塞、噴油器的噴針都是靠燃油潤滑，所以柴油應(yīng)具有一定的粘度。一般輕柴油的運動粘度在20°C時為（2.5～8）.10－6m2／s。二、柴油的使用特性（燃燒機理復(fù)雜，影響因素多，性能要求多）4、流動性——凝點：指柴油失去流動性開始凝結(jié)的溫度。T↓

→柴油中高分子烷烴和水分析出結(jié)晶、混濁（濁點）→失去流動性→凝結(jié)。凝點越低越不容易失去流動性。我國生產(chǎn)的輕柴油規(guī)格，按凝點分為10#、0#、-10#、-20#、-35#五級。冷凝點，供油系統(tǒng)中每分鐘流出的燃油量小于等于20ml所對應(yīng)的溫度，比凝點高5-7°C。 按照當?shù)禺斣?0％風險率的最低氣溫選擇柴油。其它指標：含S量、灰分、水分、閃點、膠質(zhì)等（見P46表3-3）

§3-3燃燒熱化學(xué)一、理論空氣量L0：1kg燃料完全燃燒所需的最低（理論）空氣量設(shè)1kg燃料中C、H、O的質(zhì)量分別為gc、gh、go，則：gc+gh+go=1kg

燃油中的C、H完全燃燒，其化學(xué)反應(yīng)方程式分別是C＋O2＝CO2H2+O2=H2O1kmolC→1kmolO21kmolH2→

1/2kmolO2gc/12kmolC→gc/12kmolO2

gh/2kmolH2→

gh/4kmolO2

則：1kg燃料完全燃燒所需的氧氣量為kmol/kg空氣中按體積計O2約占21％，N2約占79％；空氣的分子量為28.95。需空氣量kmol/kg;以千克表示的理論空氣量：

kg/kg；以體積表示的理論空氣量為

m3/kg；§3-3燃燒熱化學(xué)二、過量空氣系數(shù)：實際提供的空氣量L與理論上所需空氣量L。之比，稱為過量空氣系數(shù)汽油機（α=0.8～1.2，起動時過量空氣系數(shù)僅為0.2-0.4）柴油機負荷是靠質(zhì)調(diào)節(jié)的（α=1.2～1.6）由于混合氣形成不均勻，所以α總是大于1的。一般車用高速柴油機，α=1.2～1.6；增壓柴油機，α=1.8～2.2

空燃比：

A／F=汽油：α

=1時，A/F=14.9；柴油：α

=1時，A/F=14.3§3-3燃燒熱化學(xué)三、α

>1時完全燃燒產(chǎn)物的數(shù)量1、1kg燃料燃燒前混合氣的數(shù)量M1汽油機：（kmol/kg燃料）式中：Mrt為燃料的分子質(zhì)量柴油機：液態(tài)燃料的體積不及空氣的1/10000，即為純空氣（kmol/kg燃料）燃燒后產(chǎn)物的質(zhì)量M2：（由O2、N2、CO2、H2O構(gòu)成，分別求出各自的mol量）并將L0代入即可得到則理論分子變更系數(shù)（表征做工能力的強弱，相當于增加工質(zhì)的量，在不完全燃燒時理論分子變更系數(shù)更大，pme更大）汽油機：柴油機：§3-3燃燒熱化學(xué)四、燃料熱值與混合氣熱值1、燃料熱值：1kg燃料完全燃燒所放出的熱量，稱為燃料的熱值。高熱值：包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱；低熱值：不包括水蒸汽凝結(jié)后放出的汽化潛熱。2、混合氣熱值：單位數(shù)量的可燃混合氣燃燒所產(chǎn)生的熱量。

kJ/kmol；kJ/kg；kJ/m3理論混合氣熱值：單位理論混合氣所放出的熱量發(fā)動機中每循環(huán)放熱量取決于混合氣熱值（單位體積），而非燃料低熱值如汽油、甲醇低熱值差很多44000kJ/kg和27000kJ/kg，而理論混合氣熱值相差不大3748.99kg/m3和3630.52/m3。所以燒E10時合理增加噴油量在發(fā)動機結(jié)構(gòu)不變的情況下動力性相差不大。作業(yè)：E10的理論混合氣熱值（10％乙醇、90％汽油），kJ/kg、kJ/m3、kJ/mol。

§3.4燃燒初步

一切燃燒過程都分為兩個階段①著火自燃：自發(fā)燃燒