6发动机原理B-第六章发动机的特性-2012

发动机原理武汉理工大学汽车工程学院刘志恩[e-mail]2012年6月2020/1/12发动机原理2目录绪论第一章发动机的性能第二章发动机的换气过程第三章燃料与燃烧第四章汽油机混合气的形成和燃烧第五章柴油机混合气的形成和燃烧第六章发动机的特性第七章发动机电控燃油喷射（EFI）第八章发动机废气涡轮增压第九章排气污染及控制第六章发动机的特性了解汽车发动机在使用过程的主要性能指标随工况变化的关系，为发动机与车辆提供依据。6.1发动机的工况6.2发动机的台架试验6.3发动机的负荷特性6.4发动机的速度特性6.5发动机的调整特性6.6发动机的万有特性2020/1/12发动机原理46.1发动机的工况一、发动机的运行工况发动机的运行情况（简称工况）是以其发出的功率Pe和转速n来表示；只有当发动机发出的转矩与工作机械消耗的转矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作（A点）；当工作机械阻力矩增加(TR’)，若发动机油量控制机构不变，则其转速就要降低，直至B点达到新的平衡，发动机再次稳定工作；由于发动机稳定工作必须满足转矩与工作机械阻力矩相等的条件，因而发动机工况变化规律与所带动的工作机械的工作情况有关。2020/1/12发动机原理5发动机的使用条件根据内燃机的用途，其使用条件大致可分为：恒速工作(曲线1,线工况)。如带动发电机工作；流体阻力负荷(曲线2，螺旋桨工况)。发动机功率与转速成一定函数关系，如带动螺旋桨工作的船用主机；陆上运输(曲线3，面工况)。发动机功率和转速都独立地在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。如驱动汽车等陆上运输车辆。2020/1/12发动机原理6二、发动机的特性发动机性能指标随调整情况及运转工况而变化的关系称为发动机特性；随调整情况而变化的又称调整特性，如柴油机供油提前角调整特性、汽油机点火提前角调整特性、化油器调整特性等；性能指标随运行工况而变化的又称性能特性；特性用曲线表示称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。2020/1/12发动机原理7发动机的有效指标平均有效压力：vmimeKp有效功率：nKpimve1有效转矩：imvtqKT2有效燃油消耗率：imeKb13每小时耗油量：nKBv46.2发动机的台架试验发动机试验是考核发动机的动力性、经济性和工作可靠性以及检查整机和零部件的制造质量、可靠性和耐磨性等不可缺少的手段，也是研究、设计、制造新型发动机的一个必不可少的重要环节。发动机台架试验是将发动机与测功设备及各种测试仪器组成一个测试系统，按照规定的方法和要求（即标准）模拟发动机实际使用的各种工况所进行的试验。发动机各项性能指标、参数以及各类特性曲线，通常都是在发动机试验台架上按规定的试验方法进行测定。2020/1/12发动机原理9一、台架试验装置试验台架辅助系统各种测量仪器、仪表及操纵台2020/1/12发动机原理102020/1/12发动机原理102020/1/12发动机原理11二、燃油消耗率的测量燃油消耗率（简称耗油率）的测量可分容积法和质量法：容积法：通过测定消耗一定容积的燃油所需的时间，通常用于汽油机的油耗测量；计算公式：质量法：通过测量消耗一定质量的燃油所花费的时间，通常用于柴油机的油耗测量；计算公式：10006.3eefTpBbtVB10006.3eepBbtmB2020/1/12发动机原理121.容积法试验时操作如下：•打开油箱开关，三通阀处于位置A；•测量前将三通阀旋至位置B，油箱同时向发动机和量瓶供油，直到量瓶油面高于选定圆球容积的刻线，将三通阀仍置于位置A等待测量；•测量时，将三通阀旋至位置C，发动机直接由量瓶供油，量瓶油面下降，记录燃油流过所选圆球上下部刻线间容积VT所用时间t，同时测量功率Pe；•将量瓶再次充满燃油（三通阀旋至位置B）后准备下一次测量。2020/1/12发动机原理132.质量法试验时操作如下：•打开油箱开关，三通阀处于位置A；•测量前将三通阀旋至位置B，油箱同时向发动机和量杯供油，直到天平接近平衡，将三通阀仍置于位置A等待测量；•将天平调平衡；•测量时，拿去质量为m的砝码。将三通阀旋至位置C，发动机直接由量杯供油，并开始计时；•量杯油面下降，直至天平再次平衡。记录所用时间t，同时测量功率Pe。2020/1/12发动机原理14三、台架试验综述台架试验内容十分广泛，我国规定有统一的试验标准：•1984年颁布了机械工业部汽车发动机试验方法的标准（JB3743－84）•1987年制定了内燃机台架试验方法（GB1105.1～1105.3－87）•2001年颁布了新的汽车发动机性能试验方法（GB/T18297-2001）•2003年颁布了新的汽车发动机可靠性试验方法（GB/T19055-2003）发动机使用中的最大功率与下列外界因素有关：•发出相应功率的持续时间•测定时的大气状况•发动机所带附件•进气管和空气滤清器阻力、排气背压等各标准对上述问题都作了严格规定，并且对测量仪器的精度、重要参数的测量精度等也有规定。2020/1/12发动机原理15功率标定在发动机铭牌上标定的功率，均为使用中允许的最大功率。国家标准规定，按用途和使用特点，功率可分为以下四种：•15min功率：可用于汽车、摩托车、摩托艇等发动机的功率标定；•1h功率：可用于拖拉机、工程机械、船舶等发动机的功率标定；•12h功率：可用于拖拉机、农业排灌、电站等发动机的功率标定；•持续功率：可用于农业排灌、电站、船舶、铁路牵引等发动机的功率标定。2020/1/12发动机原理16大气修正大气状况是指发动机运行地点的环境大气压力、大气温度和相对湿度；同一台发动机由于在不同大气状况下使用，其性能差别很大。需要规定一种标准大气状况，并且还应有一种办法，把在不同大气状况下试验所得的结果，换算成标准大气状况下的数值；国家标准（GB1105.1－87）规定了一般用途的往复活塞式柴油机和汽油机的标准环境状况是：大气压p0=100kPa，相对湿度φ0=30％，环境温度T0=298K或25℃（Page132）。6.3发动机负荷特性负荷特性是指发动机转速不变，其经济性指标随负荷而变化的关系；以曲线表示，则称为负荷特性曲线；当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效转矩，以适应外界阻力矩的变化，保持发动机转速不变；当转速不变时，有效功率Pe与有效转矩Ttq、平均有效压力pme互为正比，因此负荷特性横坐标——负荷可用Pe、Ttq或pme表示；纵坐标主要是每小时燃料消耗量B或燃料消耗率be。2020/1/12发动机原理18一、汽油机负荷特性汽油机保持某一转速不变，而逐渐改变节气门开度（同时调节测功器负荷，以保持转速不变），每小时耗油量B和耗油率be随功率Pe（或转矩Ttq、平均有效压力pme）变化的关系称为汽油机负荷特性；测取前应将化油器、点火提前角调整完好；测取时应按规定保持冷却水温、润滑油温度在最佳状态；由于汽油机负荷调节是靠改变节气门开度来直接改变进入气缸的混合气量，α变化不大，故这种负荷调节方法称为“量调节”。图6-14汽油机的ηit、ηm随负荷的变化pmeηitηmηitηm2020/1/12发动机原理19汽油机负荷特性曲线be的变化取决于ηm和ηi的变化；imeKb13随着负荷增加，ηm和ηi的变化如右图；逐渐增大节气门开度（负荷增加），be迅速下降。当节气门开度增至全开度的80％左右，为了保证最大功率，供给α=0.8～0.9的浓混合气，燃烧不完全，使be又重新上升；汽油机负荷特性实例如右图：2020/1/12发动机原理20二、柴油机负荷特性柴油机保持某一转速不变，而移动喷油泵齿条或拉杆位置，改变每循环供油量Δb时，每小时耗油量B和耗油率be随功率Pe（或转矩Ttq、平均有效压力pme）变化的关系称为柴油机负荷特性；测取时，应将柴油机的供油提前角、冷却水温度、润滑油温度等调整到最佳状态；由于柴油机只是改变循环供油量（空气量变化不大）来调节负荷，因此，也改变了缸内混合气的浓度，即过量空气系数α，这种负荷调节方法称为“质调节”。2020/1/12发动机原理21柴油机负荷特性曲线be的变化取决于ηm和ηi的变化；imeKb13随着负荷增加，ηm和ηi的变化如右图；逐渐增加供油量，由于ηm迅速上升，be下降；再继续增加供油量时，由于过量空气系数α的减少，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增加，致使be升高；柴油机负荷特性实例如右图。2020/1/12发动机原理22三、汽、柴油机负荷特性比较负荷特性是发动机的基本特性，用以评价发动机工作的经济性；由负荷特性可以看出：由于柴油机ηi较高，be较汽油机低；汽油机在低负荷区曲线变化得更快一些，汽油机曲线变化比柴油机陡。即柴油机曲线变化较平坦，经济区较宽；6.4发动机速度特性发动机性能指标随转速变化的关系称为速度特性；以曲线表示，则称为速度特性曲线；若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，这时发动机即沿速度特性工作；发动机转速作为速度特性横坐标；纵坐标主要有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时耗油量B等。2020/1/12发动机原理24一、汽油机速度特性汽油机节气门（油门）开度固定不动，其有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时耗油量B等随转速变化的关系称为汽油机速度特性；此时是通过调整测功器，如逐渐改变水力测功器水量，来改变汽油机的转速；测取前，应将点火提前角、化油器调整完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态；节气门保持全开，所测得的速度特性称为外特性；节气门部分开启时所测得的速度特性称部分速度特性。2020/1/12发动机原理25汽油机外特性曲线Ttq的变化取决于ηm、ηi和ηv/α随n的变化；be的变化取决于ηm和ηi的变化；Pe的的变化受Ttq和n的共同影响；随着转速增加，ηm、ηi和ηv的变化如右图；汽油机外特性实例如右图；汽油机外特性是在节气门全开时测得，曲线上每一点表示它在此转速下的最大功率及转矩，代表发动机最高动力性能。imeKb13nKpimve1imvtqKT22020/1/12发动机原理26汽油机部分速度特性曲线汽车大部分时间是在部分负荷下工作；随着节气门关小，节流损失增大，进气终了的压力pa下降，从而引起ηv下降；随着转速提高，ηv下降的速度更快；节气门开度愈小，转矩Ttq随转速增加而下降得愈快，最大转矩点及最大功率点均向低转速方向移动。2020/1/12发动机原理27二、柴油机速度特性喷油泵的油量调节机构（油门拉杆或齿条）位置固定不动，柴油机性能指标（主要是有效功率Pe、转矩Ttq、耗油率be、每小时耗油量B等）随转速变化的关系称为柴油机速度特性；测取时，应将供油提前角、冷却水温、润滑油温度等调整在最佳状态；当油量调节机构固定在标定（或称额定）功率循环供油量位置时，测得的速度特性为标定功率速度特性，习惯上亦称外特性；当油量调节机构固定在小于标定功率循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为部分速度特性。2020/1/12发动机原理28柴油机标定功率速度特性曲线Ttq的变化取决于ηm、ηi和Δb随n的变化；be的变化取决于ηm和ηi的变化；Pe的的变化受Ttq和n的共同影响；随着转速增加，ηm、ηi和ηv的变化如右图；柴油机速度外特性实例如右图；标定功率速度特性代表该机在使用中允许达到的最高性能。2tqmiTKbimeKb13nKBv42020/1/12发动机原理29柴油机部分速度特性曲线随着油量调节机构固定位置的减小，循环供