汽车检测诊断技术与设备第1章发动机基础理论

•AutomobileElectrics学习目标了解发动机性能指标。掌握发动机速度特性、负荷特性曲线。了解柴油机调速特性。掌握发动机万有特性。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.1发动机性能指标第1章发动机基础理论建立发动机性能指标是为了便于评价其质量。发动机性能指标有两种：一种是以工质对活塞作功为基础的性能指标，简称指示指标，具体有：平均指示压力pi、指示功率Pi、指示燃油消耗率gi和指示热效率ηi。指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热功转换的工作循环进行的好坏，因而在工作过程的分析研究中得到广泛的应用。另一种是以曲轴输出功率为基础的性能指标，简称有效指标。有效指标被用来直接评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛的应用。发动机有效指标包括动力性指标和经济性指标两类，本节主要介绍发动机有效指标。•AutomobileElectrics1.1.1发动机的动力性指标1.有效功率发动机曲轴上输出的功率叫有效功率Pe，由发动机台架试验得出，它总是小于指示功率Pi。因为在指示功率的机内传输过程中，不可避免地有机械损失，这些损失包括发动机内部运动件的摩擦损失、驱动附属机构的损失及泵气损失等，机械损失所消耗功率的总和称为机械损失功率Pm。因此，有效功率Pe为，kW（1-1）为了表明由于机械损失使发动机有效功率减少的程度，引入机械效率ηm的概念。它等于发动机有效功率与指示功率的比值。（1-2）机械效率值越高，则发动机性能越好。第1章发动机基础理论miePPPieimiemppPPPP1•AutomobileElectrics1.1.1发动机的动力性指标2.有效转矩发动机曲轴输出的转矩称为有效转矩Me，可由测功器测得。根据所测得的有效转矩Me（N·m）和发动机转速n（r/min），可以得出有效功率Pe，即，kW(1-3)或：，N·m(1-4)第1章发动机基础理论9550106023nMnMPeeenPMee9550•AutomobileElectrics1.1.1发动机的动力性指标3.平均有效压力发动机单位气缸工作容积输出的有效功，称为平均有效压力pe。其表达式为：，kPa（1-5）式中：Vh——气缸工作容积，L。设一台发动机的缸数为i，气缸工作容积为Vh（L），转速为n（r/min），平均有效压力为pe（kPa）。则发动机有效功率为，kW（1-6）式中：τ——发动机的冲程数，（四冲程τ＝4。二冲程τ＝2）。或，kPa（1-7）通过Pe与Me之间的关系，pe还可写成，kPa（1-8）发动机有效功率、有效转矩、平均有效压力越大，动力性越好。第1章发动机基础理论heeVWp31030niVpPhee31030niVPpheeiVMphee14.3•AutomobileElectrics1.1.2发动机经济性指标1.有效燃料消耗率有效燃料消耗率ge是单位有效功的耗油量。通常以每千瓦小时有效功的耗油量表示，以[g/（kW·h）]为单位。有效燃料消耗率按下式计算：，g/kW·h（1-9）式中：GT——发动机每小时耗油量，kg/h。2.有效热效率有效热效率ηe是发动机实际循环的有效功与所消耗燃料的热量之比。（1-10）式中：Q1——为得到有效功所消耗的热量，kJ；We——发动机的有效功，kJ。1kW·h的能量为3600kJ，而完成1kW·h的功所需要消耗的热量为geHμ/1000（kJ），Hμ为燃料低热值（kJ/kg），则有效热效率为：（1-11）发动机有效燃料消耗率越小、有效热效率越高，经济性越好。第1章发动机基础理论310eTePGg1QWee6106.3ueeHg•AutomobileElectrics1.2发动机特性第1章发动机基础理论发动机的性能指标随发动机调整情况和运转工况而变化的关系称为发动机特性。其中性能指标随调整情况变化的关系称调整特性；性能指标随运转工况变化的关系称为性能特性。发动机特性通常用曲线表示,称为发动机特性曲线。通过特性曲线可以分析在不同使用工况下，发动机特性变化的规律及影响因素，评价发动机性能，从而提出改善发动机性能的途径。•AutomobileElectrics1.2发动机特性第1章发动机基础理论发动机随使用工况的不同，它发出的功率和转矩不同。实际上，有效燃料消耗率ge、有效热效率ηe、平均有效压力pe及其它工作过程参数也将随之变化。发动机有效指标与工作过程参数之间的关系经推导为，kPa(1-12),kW(1-13),N.m(1-14),g/kW.h(1-15)式中：K1、K2、K3、K4——比例系数；α——过量空气系数；ηi——指示热效率；ηm——机械效率；ηv——充气效率。上述公式表明了发动机的有效性能指标与工作过程参数之间存在一定的比例关系。因此，通过分析α、ηi、ηm、ηv随工况的变化可以了解发动机工况变化时其性能的变化规律。vmieKp11nKPvmie12vmieKM13mieKg14•AutomobileElectrics1.2.1发动机负荷特性发动机负荷特性表示发动机在某一转速下，燃油经济性指标及其它参数随负荷（可用功率Pe、转矩Me或平均有效压力pe等表示）的变化关系。1.汽油机负荷特性点火提前角最佳、化油器调整完好的情况下，保持汽油机转速一定，每小时耗油量GT、有效燃料消耗率ge随负荷而变化的关系，称为汽油机负荷特性。汽油机的负荷调节方法称为“量调节”。即靠改变节气门开度，从而改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化。每小时耗油量GT曲线：汽油发动机每小时耗油量GT随负荷增大而增加，大负荷时上升更快。这是因为当汽油机转速一定时，每小时耗油量GT主要取决于节气门开度和混合气成分。节气门开度由小逐渐加大时，充入气缸的混合气量逐渐增加，GT随之上升；当节气门开度增大到约为全开时的80％以后，混合气加浓，GT上升速度加快，曲线变陡。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.1发动机负荷特性有效燃料消耗率ge曲线：在怠速时为无穷大，随负荷增大迅速下降，至某一负荷时最低，之后又回升。这是因为怠速时其指示功率全部用于克服机械损失功率，此时机械效率为零，故ge为无穷大。随着负荷增加，进入气缸的新鲜混合气数量增加，残余废气相对减少，发动机负荷增加使燃烧室工作温度提高，燃料雾化条件改善，燃烧速度加快，散热损失及泵气损失相对减少，因此指示效率ηi随负荷增加而上升。当转速一定，负荷增加时，Pm变化不大，而Pi成比例增加，由公式（1-2）可知，ηm迅速增加。由于ηi、ηm随负荷增加而同时上升，故ge迅速下降，直至降到最低值。之后，负荷继续增加，节气门开度达到80％时，混合气加浓，燃烧不完全，ηi下降，结果ge又有所上升。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.1发动机负荷特性2.柴油机负荷特性柴油机转速一定，每小时耗油量GT、有效燃油消耗率ge随负荷而变化的关系称柴油机的负荷特性。转速一定时，进入气缸的空气量不变，改变负荷相应改变的是每循环供油量Δg，使混合气成分变化。因此，柴油机是通过改变混合气的过量空气系数（浓度）来适应负荷的变化。其负荷调节方法称为“质调节”。柴油机负荷特性中的GT、ge曲线变化趋势与汽油机一致。每小时耗油量GT曲线：GT随负荷增大而上升，大负荷时上升更快。有效燃料消耗率ge曲线：ge也是一条下凹曲线，1点达最低，2点为冒烟界限。ge的变化由ηi•ηm决定。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.1发动机负荷特性3.负荷特性曲线的特点（1）负荷特性是发动机的基本特性。常用它评价发动机工作的经济性。根据需要可测定发动机不同转速下的负荷特性，其特点是转速变化时各条负荷特性曲线的变化趋势相同，只是各条曲线的路径不同。（2）负荷特性可反映发动机工作的经济性。由负荷特性可以看出：低负荷时，耗油率很高，经济性差，因此，应注意提高发动机功率利用率。同一转速下最低耗油率gemin愈小、曲线变化愈平坦，经济性愈好。柴油机gemin比汽油机低10％～30％，而且燃料消耗率曲线比较平坦，相比之下，柴油机经济性较好。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.2发动机速度特性发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的速度特性。1.汽油机速度特性汽油机节气门开度固定不动，点火提前角最佳及化油器调整完好（汽油喷射式发动机燃料供给系统及进气系统工作正常）情况下，有效功率Pe、扭矩Me。、燃油消耗率ge随转速n变化的关系称为汽油机的速度特性。节气门全开时的速度特性称为外特性。节气门部分打开时的速度特性称为部分负荷速度特性。（1）外特性有效转矩Me曲线：汽油机外特性上Me曲线为一上凸形状，在某一转速下达到最大值，然后随之下降，且下降程度随转速升高而加快，曲线变化较陡。有效功率Pe曲线：Pe曲线也是一上凸形状，某一转速下具有最大值。有效燃料消耗率ge曲线：ge为一下凹曲线，某一转速下达最小。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.2发动机速度特性（2）部分负荷速度特性如右图为EQ6100汽油机速度特性。由图可知，部分负荷速度特性与外特性变化趋势相同。部分负荷速度特性上的Me、Pe值均低于外特性值，负荷越小，数值越小，且最大功率、最大转矩点向低速方向移动。ge曲线以节气门80％左右开度时为最低。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.2发动机速度特性2.柴油机速度特性喷油泵油量调节机构（供油拉杆或齿条）位置固定不动，柴油机性能指标（有效功率Pe、扭矩Me、燃油消耗率ge、每小时耗油量GT）随转速n变化的关系称为柴油机速度特性。当油量调节机构固定在标定循环供油量位置时的速度特性称为柴油机外特性。当油量调节机构固定在小于标定循环供油量位置时的速度特性称为柴油机部分负荷速度特性。（1）外特性由图可知，柴油机Me曲线也是一上凸形状，但变化平坦，使得Pe曲线在一定转速范围内几乎随转速成正比增加。ge曲线也是一条凹形线，也比汽油机平坦。有效转矩Me曲线：对于柴油机，公式（1-14）可定性地写成，所以柴油机Me曲线变化规律主要取决于ηi、ηm、Δg随n的变化。柴油机转矩Me随n的变化曲线较平坦。有效功率Pe曲线：由于Me随n的变化不大，在一定范围内，Pe几乎是随n上升成正比的增加。有效燃料消耗率ge曲线：ge曲线也是一条凹形线，由于ηi随n的变化比较平坦，使ge曲线凹度比汽油机小。由于柴油机压缩比高，其最低耗油率比汽油机低20％～30％。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.2发动机速度特性（2）部分负荷速度特性随油量调节机构位置向减少供油量方向移动时，循环供油量减少，使部分负荷速度特性的功率Pe、转矩Me值均低于外特性。但随着负荷减小，循环供油量随转速的变化趋势基本不变，使部分负荷速度特性的变化趋势同外特性相似。所以柴油机的部分负荷速度特性的Pe、Me曲线是随着负荷的减小，大致平行下移。耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。第1章发动机基础理论•AutomobileElectrics1.2.2发动机速度特性3.转矩储备系数转矩储备系数μ是评定发动机适应外界阻力矩变化能力的指标，其值为：（1-16）式中：Memax——全负荷速度特性上的最大转矩，N·m；MB——标定工况下的转矩，N·m。μ值愈大，随转速降低，转矩增长愈快，发动机克服短期超负荷的能力愈强，能适应阻力波动较大的工作情况，且最大转矩Memax对应的转速nM愈低，汽车在不换档的情况下，发动机克服阻力的潜力愈强。汽油机Me曲线陡，μ在10～30％之间，当外界阻力变化（增或降）引起发动机转速改变（降或增）时，能自动使输出转矩改变（增或降）以适应这种变化，保证发动机稳定工作。柴油机Me曲线