第八章-发动机的特性

第八章发动机的特性本章重点：一、运行特性；二、性能、结构参数的调节与控制。寻求的是汽车与发动机匹配。需要解决的是动力机械与配套工作机械之间的合理匹配，汽车与发动机特性的全工况合理匹配以及发动机本身各种性能参数的调控与优化问题。汽车行驶时，由于行驶速度与道路阻力不断变化，则发动机的转速和负荷亦相应变化，以适应汽车的需要。随着转速和负荷的改变，发动机工作过程也会发生变化。因此，发动机在不同使用条件下具有不同的动力性与经济性。汽车发动机的运行特点是变工况、多工况，所以发动机实际使用性能取决于多种工况性能指标的加权平均。因此，各种性能指标随转速及负荷的变化规律以及不同工况下各种性能、参数的实时调控，对汽车和发动机的合理配置及性能优化都具有重要的意义。机、车匹配不仅要对动力和传动系统提出合理选型和配套要求，还涉及特性曲线在不能满足要求时如何进行调节和校正的问题。发动机相当多的特性参数并非对所有工况都是最优的，希望能实时、有效地对更多参数进行调控，以达到全工况范围内性能综合优化的目的。汽车发动机是动力机械，性能指标多，结构、调整、状态和运行参数影响性能指标，要用辩证思维的方式去研究分析和取舍。第一节发动机的特性概述第二节发动机的负荷特性第三节发动机的速度特性第四节发动机的转矩适应性第五节车用柴油机的调速特性第六节发动机的万有特性特性曲线分析第一节发动机的特性概述一、发动机的工况发动机实际运行的工作状况，简称工况。发动机的工况常用发动机转速和负荷表示，即内燃机的工况是指在某一转速和负荷状态下的工作状态。转速表示发动机的工作频率；负荷（有效功率）表示发动机对外作功的能力，有效功率Pe和转速n决定了发动机的工作运行情况。npnTPmetqe式中，Pe为有效功率，Ttq为转矩，pme平均有效压力，n为工作转速。动力性指标存在以下关系：上述参数中只有2个独立变量，即(n,Pe)、（n,Ttq）或（n,pme）决定发动机的一个工况点。因此负荷也可用输出转矩Ttq或平均有效压力pme来表示。发动机功率（输出转矩或平均有效压力）、转速应该与发动机所带动的工作机械要求的功率、转速相适应。只有当发动机发出的扭矩与工作机械消耗的扭矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。可以看到输出功率相同，不等于工况相同，其燃烧放热过程不同，发动机的经济性和排放特性也就不一样。当所带动的工作机械的阻力矩、转速变化时，发动机的工况就会发生变化。所以需要了解发动机的工况面。发动机运行工况分为稳定和动态工况。以负荷和转速为坐标的平面叫发动机的工况平面。发动机工况是在最低稳定转速、最高转速以及在各工作转速下所能输出的最大功率（转矩）所能包围的范围内。a各转速时最大功率（转矩）限制线；b各负荷条件下的最高转速限制线。都对应最大加速踏板位置工况：汽油机节气门全开，速度外特性线；柴油机a—校正外特性线，b—调速特性线c最低稳定工作转速限制线；d各加速踏板位置下的空转怠速线；e—表示机械损失功率，对应工况—不正常工作范围，灭火外力倒拖，或不给油挂档下坡（稳定速度）。◆恒速工况，发电用发动机，保证发电机工作频率稳定，功率随发电机负荷（用电量）的大小而变化（有时也称为线工况）。其特例就是点工况，发动机只在某一固定工况下工作，如抽排水发动机除起动和过渡工况外，负荷不变化。◆线工况：发动机只在工况面上某已确定的线段上工作，如发电机组、船舶发动机（与转速成三次方关系）。◆面工况：转速和负荷工作范围宽（各种陆上运输车辆）。车用发动机不能只研究特定点的性能指标，需要对不同工况下性能指标的变化进行研究。典型工况A、B、C、D，有时还加上速度外特性线上和全工况面的最低燃油消耗点，近似反映全工况面的情况，由制造商标明。二、发动机特性发动机特性指在一定条件下，发动机性能指标与特性参数随参数调整情况或运转工况变化等各种可变因素的变化规律。其中的运行特性，即主要的性能指标随工况参数—转速和负荷的变化规律最为重要。性能指标随调整情况变化的特性称为调整特性，如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性等；性能指标随运行工况变化的特性称为性能特性，如负荷特性、速度特性和调速特性等。由发动机运行特性转化而得的汽车的运行特性，如驱动力特性、燃油经济性、运转稳定性、安全性等等，都有一个能否全面满足汽车使用要求的问题（全工况的合理匹配）。用来表示特性的曲线称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。通过特性曲线可以分析在不同适用工况下，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．研究发动机特性的必要性为了评价内燃机在不同工况下运行的动力性指标(如功率、转矩、平均有效压力等)、经济性指标(燃油消耗率)、排放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标(如指示热效率、充量系数以及机械效率)等，就必须研究内燃机的特性。三、发动机的功率标定内燃机的功率标定，是指制造企业根据内燃机的用途、寿命、可靠性、维修与使用条件等要求，人为地规定该产品在标准大气条件下所输出的有效功率以及所对应的转速，即标定功率与标定转速。世界各国对标定方法的规定有所不同。按照国家标准GBll05——87《内燃机台架性能试验方法》规定，我国内燃机的功率可以分为四级：发动机铭牌上规定的最大输出功率Pemax及其对应转速nn所确定的工况为标定工况，标定工况不是发动机所能达到的极限功率，是人为规定的一个限制使用的最大功率点。(1)15min功率这一功率为内燃机允许连续运转15min的最大有效功率，适用于需要较大功率储备或瞬时需要发出最大功率的轿车、中小型载货汽车、军用车辆、快艇等用途的内燃机。(2)1h功率这一功率为内燃机允许连续运转1h的最大有效功率，适用于需要一定功率储备以克服突增负荷的工程机械、船舶主机、大型载货汽车和机车等用途的内燃机。(3)12h功率这一功率为内燃机允许连续运转12h的最大有效功率，适用于需要在12h内连续运转而又需要充分发挥功率的拖拉机、移动式发电机组、铁道牵引等用途的内燃机。(4)持续功率这一功率为内燃机允许长期连续运转的最大有效功率，适用于需要长期连续运转的固定动力、排灌、电站、船舶等用途的内燃机。根据内燃机产品的使用特点，在内燃机的铭牌上一般应标明上述四种功率的一或两种功率及其对应的转速。同时，内燃机的最大供油量限定在标定功率的位置上。对于同一种发动机，用于不同场合时，可以有不同的标定功率值，其中，15min功率最高，持续功率最低。车用—常用15分钟,1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。除持续功率外，其他几种功率均具有间歇性工作的特点，故常被称为间歇功率。对间歇功率而言，内燃机在实际按标定功率运转时，超出上述限定的时间并不意味着内燃机将被损坏，但无疑将使内燃机的寿命与可靠性受到影响。四、发动机特性及分析方法发动机特性从工作特点分为稳态和动态特性，从可变因素的特点分为调整和运行特性。1、调整特性—发动机在转速和油量调节位置不变条件下，各种性能指标随调整参数（如点火/喷油提前角、Φa、残余废气系数等）而变化的规律，目的是对性能进行综合优化；2、工况运行特性—一定条件下发动机性能指标随工况参数变化的规律。稳定运行条件下动力、经济性能的基本运行特性：速度不变，性能指标随负荷变化的负荷特性；油量调节部位不变，性能指标随转速变化的速度特性；速度、负荷都变化的全特性（万有特性）。运行特性的分析方法发动机输出的有效指标通常用平均有效压力pme、有效扭矩Ttq、有效功率Pe、有效燃油消耗率be、每小时耗油量B表示。这些指标与发动机工作过程参数的关系：汽油机有效功率nKPmitace1燃油消耗率miteKb13有效输出转矩mitactqKT2小时耗油量nKBac4柴油机有效功率ngKPmitbe1燃油消耗率miteKb13有效输出转矩mitbtqgKT2小时耗油量ngKBb4式中gb（我们书中用）--为柴油机单缸循环油量，可直接测量，gb∝Φc/Φa注意有关系：首先分析ηit、ηm、Φa、Φc或gb各值随转速/负荷的变化，然后叠加合成找出Pe、Ttq、be、bi（B）随转速/负荷的变化规律。有的书上不分析bi，而直接分析be。用bi是为了分析的条理性更加清晰和简单。eePbBb动力性（Pe、Ttq、pme）是从换气过程（Φc）、燃烧过程（ηit）、内部动力传递损失（ηm）和混合气含量（Φa）随工况变化的特性角度进行分析；而经济性（be）是只从燃烧过程（ηit）和内部动力传递损失（ηm）两方面进行分析。汽油机负荷可以用节气门开度来表示大小，柴油机负荷可以用空燃比来表示大小。动态特性动态过程复杂，且与时间有关，理论分析难度大，一般是在底盘测功机或发动机动态实验台上，模拟实际条件进行测试分析，或者进行动态过程的模拟计算。对稳态过程的深入理解是动态过程分析的基础。负荷特性：当发动机保持转速不变时，稳态性能指标随负荷而变化的规律为发动机的负荷特性。一般用来分析发动机的燃油经济性，还可用来分析发动机所能达到的极限动力性能（不受标定功率的限制）。负荷特性线比速度特性线更易于测定，所以发动机的性能研究，多采用负荷特性线来进行。第二节发动机的负荷特性如：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扭矩，以适应外界阻力矩的变化，以保持发动机转速不变。•用曲线的形式表示负荷特性---负荷特性曲线•测取：发动机台架试验调整测功器负荷的大小，并相应调整油量调节机构位置，以保持发动机的转速不变，待工况稳定后，依次记录不同负荷下的有关数据，并整理得到性能曲线。一、柴油机的负荷特性在转速保持不变，调整到最佳供油提前角，水温、油温、油压保持合理状态的情况下测定。即发动机在正常工作条件下，转速不变时，发动机的性能指标随负荷变化的特性。柴油机负荷调节方法称为“质调节”。ηit总体呈随负荷增加而降低的趋势，与汽油机相反。负荷减小，喷油量减小，一是喷油和燃烧时间缩短，导致等容度有所上升，二是混合气体变稀，两者使得燃烧效率上升。负荷过小，缸内温度太低，燃烧恶化；负荷过大，混合气过浓，混合与燃烧不完善，因此，两端出现下降趋势。ηｍ从零增加，到中负荷后，渐趋平坦。gb随负荷线性增加，到达Pemax时，燃烧恶化导致加速上升。bi与ηit呈倒数关系。be在bi的基础上叠加ηm的影响。怠速时为无穷大，然后急剧下降。由于ηit与ηｍ趋势相反，所以相当范围内，较平坦。过标定点（Pen）后，继续加大油量，随着燃烧恶化，be上升到Pes（法规排烟极限-冒烟界限），进一步恶化后，be上升到达柴油机的极限功率值，对应Pemax，再以后，Pe下降。B大部分区段近似线性规律。当负荷为零(空载)时，因无动力输出，平均有效压力pme为零，故机械效率ηm为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身消耗，这样燃油消耗率be为无穷大。当负荷逐渐增大时，由于平均机械损失压力pmm在转速不变时变化不大，而平均有效压力pme则随负荷提高而增大，因此机械效率随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率be曲线在负荷增加时下降得很快。并且，到达某一负荷时，be达到最低值。有效燃油消耗率be曲线随着负荷的进一步增加，过量空气系数Φa变得更小，混合气形成与燃烧开始恶化，指示热效率ηit开始明显下降，其下降速度逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从而使燃油消耗率上升很快，且柴油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室积碳，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。耗油量B曲线转速一定时，柴油机的每小时耗油量B主要决定于△b。随负荷增加，每循环供油量△b增加，B随之增加。当负荷接近冒烟界限后，由于燃烧恶化，B上升得更快一些。二、汽油机的负荷特性在转速保持不变，调整到最佳点火提前角，理想的过量空气系数，水温、油温、油压保持在合理范围之内的情况下测定。即发动