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第五章发动机特性第一节发动机负荷特性第二节发动机速度特性第三节柴油机的调速特性第四节发动机的万有特性负荷特性表示发动机在某一转速下，燃油经济性指标及其他参数随负荷变化的关系。一、汽油机负荷特性点火提前角最佳、燃油喷射系统及进气系统工作正常，或化油器调整完好情况下，保持汽油机转速一定，每小时燃油消耗量B、燃油消耗率b随负荷(Pe、Ttq或Pme)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”。即化油器式发动机通过改变节气门开度，改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化；汽油喷射式发动机所形成的混合气的混合比，按不同工况的空气量来计量喷油量，而进气管中的空气流量由节气门来控制，仍属于量调节。图5-1为某汽油机负荷特性。下面对负荷特性曲线进行分析。1。每小时燃油消耗量曲线汽油机转速一定时，每小时燃油消耗量B主要取决于节气门开度和混合气成分。第一节发动机负荷特性下一页返回由于汽油机的量调节方式，负荷变化时，节气门开度改变，又影响到混合气量的变化。汽油机除怠速工况外，从小负荷到中等负荷，随节气门开度变大，B曲线呈线性变化，燃油消耗量逐渐增加；当节气门开至加浓装置参加工作后，B曲线变陡，燃油消耗量上升较快2。有效燃油消耗率曲线燃油消耗率，b随的变化而变化，随负荷的变化而变化，如图5-2所示。当转速一定时，负荷增加，节气门开度加大，残余废气相对减少，热负荷增加，从而改善了燃油雾化、混合条件，使燃烧速度加快，散热损失相对减少，增加。负荷增至大负荷，加浓装置工作，下降。当转速一定而负荷增加时，机械损失功率Pm变化不大，指示功率成正比增加，，因此，随负荷的增加而迅速增加。当发动机空转(Pe=0)时，指标功率完全用于克服机械损失，即Pi=Pm，则ηm=0，所以耗油率b为无穷大。第一节发动机负荷特性上一页下一页返回随负荷(节气门开度)增大，由于同时上升，使耗油率曲线迅速下降。当达到最大值，出现最低耗油率bmin后，随节气门逐渐增至全开，供给最大功率混合气，燃烧不完全现象增加下降，使耗油率又有所增加。二、柴油机负荷特性柴油机转速一定，每小时耗油量B、有效燃料消耗率b随负荷(Pe、Ttq或Pme)而变化的关系称柴油机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△q，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来适应负荷的变化。其负荷调节方法称为“质调节”。图5-3为某柴油机的负荷特性1。每小时燃油消耗量曲线转速一定时，柴油机的每小时耗油量B，主要决定于每循环供油量△q。随负荷增加，△q增加，B随之增加。第一节发动机负荷特性上一页下一页返回当负荷接近冒烟界限点2后，由于燃烧恶化，B上升得更快一些2。有效燃油消耗率曲线根据公式，柴油机有效燃油消耗率b随负荷的变化取决于随负荷的变化如图5-3所示。与汽油机不同，随负荷增加，每循环供油量△q增加，过量空气系数减小，燃烧不完全程度增大，使减小。大负荷时，混合气过浓，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增多，使下降更快。随负荷增加而上升。当Pe=0，=0时，耗油率b趋于无穷大随负荷增加，由于迅速增加，且远大于的减少，使b下降很快。当每循环供油量△q增加到1点(图5-3)位置时，b最小。此后再增加负荷，由于下降较上升的多，使b又有所增加。当△q增加到2点位置时，不完全燃烧现象显著增加，烟度急剧增大，达到国标规定的限值。2点称冒烟界限。当循环供油量超过2点时，不仅燃料消耗量增大，排放污染严重，甚至影响发动机寿命。所以，柴油机的最大循环供油量应在标定转速下调整，使烟度不超过允许值。第一节发动机负荷特性上一页下一页返回三、负荷特性曲线特点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。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。每条曲线的最右端点表示全负荷转速下的功率及燃油消耗率由负荷特性可以看出，低负荷时，有效燃油消耗率很高，经济性差。因此，应注意提高发动机的功率利用率。同一转速下，最低油耗率bmin愈小，曲线变化愈平坦，经济性愈好柴油机的bmin，比汽油基低l0%～30%；而且有效燃油消耗率曲线比较平坦。相比之下，柴油机部分负荷时低油耗率区比汽油机宽，因而柴油机比汽油机省油。第一节发动机负荷特性上一页返回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。速度特性包括部分负荷速度特性和外特性。外特性是发动机所能达到的最高性能一、汽油机速度特性汽油机节气门(油门)开度固定不动，点火提前角最佳及化油器调整完好的情况下，有效功率Pe、转矩Ttq、燃油消耗率b、每小时耗油量B、排气温度tr、进气管真空度△P、充量系数中、点火提前角等随转速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。图5-5所示为汽油机外特性曲线。1。转矩曲线随着转速n的增加，转矩Ttp逐渐增大，出现最大转矩Ttqmax后逐渐下降，且下降程度愈来愈大，曲线呈上凸形状第二节发动机速度特性下一页返回随n的变化，取决于指示热效率、机械效率和充量系数随n的变化在节气门开度一定时，和的变化如图5-6所示。充量系数在某一中间转速时最大因为一定的配气相位仅对一种转速最合适，此转速下能最好地利用气流惯性。其余转速时也均降低，曲线为上凸形。指示热效率随转速n的变化也是在某一中间转速较高，但变化比较平坦。因为转速低时，进气流速低，紊流减弱，使雾化、混合状态较差，火焰传播速度降低，散热及漏气损失增加，较低。转速高时，燃烧过程所占曲轴转角较大，燃烧在较大容积下进行，也较低。转速增加，消耗于机械损失功增加，因此，随转速升高，机械效率明显下降。当转速由低开始上升时，同时增加的影响，大于下降的影响，使Ttq增加。在达到最大值后，随转速增加，由于和均下降，故转矩曲线逐渐下降，且下降程度逐渐加大第二节发动机速度特性下一页返回上一页2。功率曲线有效功率Pe与转矩Ttq和转速n的乘积成正比，。当转速由低逐渐升高时，由于Ttq和n同时增加，Pe增加很快在达到最大转矩转速ntq后，再提高转速，由于有所下降，使Pe上升缓慢。某一转速时，达最大值。此后，再增加转速，由于转矩下降超过转速上升的影响，Pe反而下降。3。燃油消耗率曲线耗油率b随转速n的变化趋势，取决于随n变化的趋势。b在某一中间转速，当达到最大值时出现最低值。当转速较低时，由于低，使b增加。转速较高时，均较低b也增加。发动机的部分负荷速度特性是在节气门部分开度、节流损失增大，充量系数减小的情况下，使部分负荷速度特性的Pe、Ttq低于外特性值。且转速越高，充量系数减小得越多。因此，节气门开度越小，随转速增加，转矩、功率曲线下降越快，并使最大转矩及最大功率点向低转速方向移动。第二节发动机速度特性下一页返回上一页当节气门开度为75%左右时，燃油消耗率曲线最低。超过75%开度，混合气较浓，存在燃烧不完全现象，燃油耗率曲线位置较高。低于75%开度时，残余废气相对增多，燃烧速度下降，降低，燃油消耗率曲线位置也高，且开度越小，燃油消耗率曲线位置超高。二、柴油机速度特性喷油泵油量调节机构(供油拉杆或齿条)位置不动，柴油机性能指标(排气烟度R等)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，利用图5-7所示外特性进行特性分析。第二节发动机速度特性下一页返回上一页1。转矩曲线各种转速下柴油机转矩的大小，主要取决于每循环供油量△q的多少。柴油机转矩随转速的变化趋势决定和△q随n的变化趋势，如图5-8所示当柱塞式喷油泵油量调节机构位置不变时，每循环供油量随转速的变化关系，即为喷油泵的速度特性。由于油孔的节流作用，随转速n的提高，每循环供油量△q呈线性增加，在某一中间转速出现最高值。指示热效率在某一中间转速稍高，转速过高、过低时，都下降。因为当转速较高时，减小和△q的增加，使过量空气系数减小，不完全燃烧现象严重，加之燃烧过程占用较大的曲轴转角，使燃烧在大容积下进行，较低。转速过低时，由于空气涡流减弱，燃烧不良及燃气与缸壁接触时间加长，使散热及漏气损失增加，也较低，但曲线较汽油机变化平坦；随n的增加也呈下降趋势。第二节发动机速度特性下一页返回上一页综上所述，在较低转速范围内，随n的增加，由于△q和ηi的增加超过ηm下降的影响，使Ttq增加，在较高转速范围内，ηi、ηm随n增加，下降超过△q增加的影响，使Ttq有所下降，但比汽油机Ttq曲线平坦2。功率曲线由于转矩Ttq曲线变化平坦，在一定转速范围内，功率Pe几乎与转速n成正比增加3。燃油消耗率曲线与汽油机燃油消耗率曲线类似，柴油机的燃油耗率曲线也是一凹形线，由于柴油机压缩比高，ηi较高，曲线比汽油机的平坦，最低耗油率值比汽油机相应值低当ηi、ηm达到最大值时，出现最低燃油消耗bmin值。部分负荷速度特性随油量调节机构位置向减小供油量方向移动时，循环供油量减小，使部分负荷速度特性的Pe、Ttq值低于外特性。第二节发动机速度特性下一页返回上一页但随着负荷减小，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性的Pe、Ttq曲线是随负荷的减小，大致平行下移·燃油消耗率曲线的变化趋势基本同外特性。当负荷为75%左右时，曲线位置最低。第二节发动机速度特性返回上一页调速器起作用时，柴油机性能指标(Pe、Ttq、b、B)随转速或负荷变化的关系，称为柴油机调速特性。柴油机可根据需要装用两级调速器和全程调速器。一、调速器与调速特性1。两级调速器及调速特性车用柴油机一般采用两级调速器，以稳定怠速和限制最高速，防止飞车。调速器在怠速和标定转速附近起作用，中间转速不起作用，由驾驶员通过加速踏板控制供油量。图5-9为两级调速器工作原理图。发动机怠速运转时，调速器的飞球5的离心力，与软的怠速弹簧10的推力相平衡。当偶然原因使；：高于或低于怠速转速时，调速器起作用。由于飞球的离心力增大或减小，使调节推杆6带动调节杠杆8，以A为支点右移或左移。减少或增加循环供油量。伸转谏不草干增加或降低得付多。从而仅持了怠速运转的稳定。第三节柴油机的调速特性下一页返回当油量调节机构处于某一位置时，柴油机在某一转速下工作，如图5-10所示的n1转速，此时阻力T1与柴油机发出的转矩平衡于a点，飞球离心力与弹簧张力平衡。当阻力矩从T1减至T2，柴油机转速增加，离心力克服弹簧力使调节推杆6(图5-9)右移，调节杠杆8作顺时针摆动，带动油量调节齿条向右移动，减少供油量，柴油机转矩下降至图5-10的b点，与阻力矩T2相平衡，重新稳定在n2下工作。当阻力矩全部卸掉时，曲轴转速迅速上升，离心力使油量调节齿条1右移至最小供油量，转速稳定在n3。反之，当阻力矩增加时，柴油机的转速降低，弹簧力大于离心力的轴向分力，调节推杆6左移，使油量调节齿条1向增加供油量方向运动，柴油机转矩也相应增加，直到与阻力矩相平衡时为止两级调速器只在怠速和标定转速时起作用。当转速高于怠速，低于标定转速时，由于软的怠速弹簧10已被压缩到使滑块12抵在弹簧滑座9上，这时硬的高速弹簧11不能被压缩，则油量调节齿条不能被飞球带动，此时由驾驶员通过油门踏板2，直接带动调节杠杆8绕B点摆动，以控制供油量第三节柴油机的调速特性下一页返回上一页当发动机转速达到标定转速时，若外界阻力矩下降，使；：超过标定转速，飞球5产生足够的离心力，使油量调节齿条1右移，减少了循环供油量，使柴油机的转矩和转速迅速下降，避免“飞车”。图5-11所示为装用两级调速器的柴油机的调速特性。由于调速器的作用，使速度特性的两端得到调整。转速变化时，转矩曲线急剧变化，中间部分按速度特性变化2．全程调速器及调速特性工程机械、矿山机械等用的柴油机一般装用全程式调速器。柴油机由最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用。图5-12为全程式调速器工作原