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第7章发动机特性学习目标•通过对本章节的学习，重点掌握发动机的负荷特性、速度特性，万有特性及及柴油机的调速特性的定义。•理解各个特性曲线的变化趋势及原因；各个曲线的形状和位置对发动机的性能有何影响；柴油机安装调速器的原因。•了解柴油机和汽油机特性曲线的异同点及形成原因；万有特性的应用；两级式调速器和全程式调速器对柴油机性能的影响，及各自的特点；发动机主要性能的测试方法及主要参数的测试方法。7.1发动机的工况及基本特性•发动机所处的工作状况（简称工况）是由负荷和转速两个因素决定的。•由功率和转速的关系kW•可知，Pe、Te、n三个参数中，只有两个独立变量。因此，可用Pe、n或Te、n来表示发动机的工况。Pe或Te说明发动机负荷的大小，n表示发动机转速的高低。9550nTPee发动机特性定义•发动机特性，即发动机性能指标随调整情况和运转工况而变化的关系。•表示其变化规律的曲线称为发动机特性曲线。•发动机性能指标随调整情况而变化的关系称为调整特性。如汽油机的燃油调整特性、点火提前角调整特性、柴油机的喷油角提前角调整特性等。•发动机性能指标随运转工况变化而变化的关系有速度特性与负荷特性。•在柴油机的调速器起作用时，其性能指标随转速或负荷而变化的关系，称为调速特性。•根据发动机特性曲线，可以很方便地评价不同发动机在不同工况下的动力性和经济性，分析其影响因素，寻求改进发动机特性的途径。发动机的负荷特性•负荷特性是指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，若用曲线表示则称为负荷特性曲线。•当汽车以一定的车速沿着阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。汽油机的负荷特性•点火提前角最佳、燃油喷射系统及进气系统工作正常，或化油器调整完好的情况下，保持汽油机转速一定，每小时燃油消耗量mh、燃油消耗率ge随负荷Pe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。•缸内直喷汽油机和柴油机喷射类似，属于质调节。汽油机的负荷特性汽油机ηi、ηm随负荷的变化关系每小时燃油消耗量曲线•汽油机转速一定时，每小时燃油消耗量主要取决于节气门开度和混合气成份。由于汽油机的量调节方式，负荷变化时，节气门开度改变，影响混合气量的变化。•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，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，曲线变陡，燃油消耗量上升较快。有效燃油消耗率曲线•燃油消耗率ge=k3/ηiηm（ηi—指示热效率；ηm—机械效率；k3—比例常数）。•由此可知ge取决于ηi和ηm。•ηi、ηm随负荷变化如图所示。转速一定，随负荷增加，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，ηi增加。负荷增至大负荷，加浓装置工作，ηi下降。ηm随负荷的增加而迅速增加。原因是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Pi成正比增加，使ηm=（1—Pm/Pi）增加。有效燃油消耗率曲线•当发动机空转（Pe=0）时，指示功率完全用于克服机械损失，即Pi=Pm，则ηm=0，所以耗油率为无穷大。•随负荷增大，由于ηiηm同时上升，使耗油率曲线迅速下降。•当ηiηm达到最大值时，出现最低油耗后，随节气门逐渐增至全开，化油器加浓装置参加工作，供给最大功率混合气，燃耗不完全现象增加ηi下降，使油耗率又有所增加。柴油机负荷特性•柴油机转速一定，每小时耗油量mh、有效燃料消耗率ge随负荷变化的关系称为柴油机负荷特性。•在转速一定时，进入气缸的空气量不变，改变符合相应改变的每循环供油量△q，使混合气成分发生变化。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。此方法称为“质调节”。1-油耗最低点2-冒烟界限点3-极限功率点柴油机负荷特性柴油机ηi、ηm随负荷的变化关系每小时燃油消耗曲线•转速一定时，柴油机的每小时耗油量mh取决于△q。•负荷增加，△q增加，mh随之增加。•当负荷接近冒烟界限点2后，由于燃烧恶化，mh上升得更快一些。有效燃油消耗率曲线•同汽油机一样，柴油的有效燃油消耗变化也取决于ηi和ηm。其变化关系如图所示。•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α减小，燃烧不完全程度大，使ηi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ηi下降快。•ηm随负荷增加而上升。有效燃油消耗率曲线•当Pe=0，ηm=0时，耗油率ge趋于无穷大。•随负荷增加，由于ηm迅速增加，且远大于ηi的减小，使ge下降很快。当△q增加到1点位置时，ge最小。此后再增加负荷，由于ηi下降比ηm上升的多，使ge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，达到规定限值。2点称为冒烟界限。•当循环供油量超过2点时，不仅燃油消耗量增大，排放污染严重，甚至影响发动机寿命。所以，柴油发动机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。结论•负荷特性是内燃机的基本性质。常用它评价内燃机工作的经济性。根据需要可以测定内燃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，各条曲线所代表的转速不同。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，应注意提高内燃机的功率利用率。•同一转速下，最低有效燃油消耗率越小，其曲线变化越均匀，经济性越好。•相比之下，柴油机的最低燃油消耗率比汽油机的低10%~30%；柴油机部分负荷的低油耗区比汽油大，因此柴油机比汽油机省油。发动机的速度特性•发动机性能指标随转速变化的关系称为速度特性。•若驾驶员将加速踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，上坡时汽车速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性工作。汽油机的速度特性•汽油机节气门开度固定不动，其有效功率Pe、转矩Te、耗油率ge、每小时耗油量mh等随转速n变化的关系称为汽油机速度特性。•实验时调整测功器，如逐渐改变水利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为部分速度特性。由于节气门的开启可以无限变化，所以部分速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只有一条。汽油机ηi、ηm、ηv随转速n的变化趋势车用汽油机外特性外特性曲线•转矩Te曲线•Te=k2(ηv/α)ηmηi•在节气门开度一定时，α值基本不随转速而变化，汽油机Te大小主要决定于ηvηmηi随n的变化。•ηv是在某一中间转速时最大，这时因为在此转速下能最好地利用惯性进气，当转速低于或高于此转速时。ηv都将降低。•ηi的变化是在某一中间转速略为凸起。在较低转速下，因缸内气流扰动减弱，火焰传播速度减低，散热及漏气损失增加，使ηi降低；转速高时，燃烧所占的曲轴转角大，燃烧效率低，也使ηi降低。不过它的变化比较平坦，对Te影响较小。•转速增加，消耗于机械损失的功增加，因此ηm随转速上升而下降。•综合而言，当转速由低速开始上升时，由于ηv、ηi上升，Te有所增加，对应于某一转速时，Te达最大值。转速继续提高，由于ηv、ηm同时下降，因此Te随转速升高而较快地下降，即Te曲线变化变陡。功率Pe曲线•当转速从很低值增加时，由于Te和转速同时增加，P=Ten/9550迅速上升；•直至转矩达到最高点后，再继续提高转速，则Pe上升逐渐缓慢；•至某一转速Ten达到最大值时，Pe亦不能再增加；•若转速再上升，由于Te的降低已超过了转速上升的影响，所以功率Pe反而下降。有效燃油消耗ge曲线•综合ηi、ηm的变化，ge在某一中间转速时最低；当转速高于此转速时，则因ηi、ηm同时下降而ge上升。当转速低于此转速，因ηi上升弥补了ηm的下降，ge亦增加。•由于进气管动态效应影响到ηv随n的变化规律，因而Te、ge等随n变化的曲线也常呈某些波动现象。•汽油机的外特性是在节气门全开时测得的，曲线上每一点表示它在此转速下的最大功率及转矩，所以代表发动机最高动力性能，所有发动机都需要做外特性曲线。•外特性曲线实验条件分为如下两种：1）发动机仅带维持运转所需的附件运转（不装风扇、气泵或空气滤清器以及消声器等附件），这时输出的校正有效功率称为总功率。我国的发动机特性数据为这一种情况。2）发动机试验时带上全套附件，此时输出的校正有效功率称净功率或使用外特性。•显然，第2种情况下的功率低，而油耗高。制造厂商根据发动机的用途规定的额定转速下对应的功率称为发动机的额定功率。部分速度特性•汽车大部分时间是在部分负荷下工作的，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。•因此，节气门开度愈小，转矩Te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。柴油机的速度特性•喷油泵的油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标（Pe、Te、mh、ge）随转速n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。柴油机的速度特性•部分速度特性•标定功率定义为使用中允许的最大功率，它是根据用途、使用负荷情况而定的，对任何一款具体的柴油机标定的功率速度特性曲线只有一条，它代表该机在使用中允许达到的最大性能，所有柴油机必须作标定功率速度特性。柴油机外特性柴油机中ηm、ηi、△q随n的变化趋势外特性曲线•转矩Te曲线•柴油机中，各种转速下究竟能发出多大转矩，主要取决于每循环供油量△q的多少。因此，柴油机转矩曲线的变化趋势，取决于△q随转速变化的情况。•柴油机的转矩可定性为T=K2ηiηm△q，而其中ηi、ηm、△q的变化趋势如图所示。分析•在常用的柱塞式喷油泵中，当油量调节机构位置一定而改变转速时，每循环供油量△q由油泵速度特性决定，它将随转速的提高而增加。•ηi的变化是在某一中间转速时稍有凸起。因为在较高转速下常由于ηi下降和△q上升，使过量空气系数α下降，加上燃烧过程经历的时间缩短，混合气形成条件恶化，不完全燃烧现象增加，致使ηi有些下降。转速过低，也会由于空气涡流减弱，燃烧不良及传热漏气损失增加，使ηi降低。但ηi曲线的变化趋势比较平坦。•ηm随转速的上升而下降。△q随转速增加的上升抵消了ηi和ηm下降的影响，因此随着转速的上升，柴油机的Te下降不明显，曲线变化甚至是一直微微上倾的。功率Pe曲线•由于Te变化平坦，在一定转速范围内、功率Pe几乎与转速成正比增加。有效燃油消耗率ge曲线•综合ηi、ηm的变化，ge是在某一中间转速时最低，但整个曲线变化并不很大。部分速度特性•随着油量调节机构固定位置的减小，循环供油量减小，但△q随n的变化趋势基本相似，亦是随n的增加而上升，所以柴油部分特性Te的变化基本与外特性上Te平行，即Te随转速变化不大。对于经常在部分负荷下工作的发动机而言，还应该作90%，75%，50%和25%的部分负荷速度特性或作万有特性。柴油机的调速特性•柴油机上装调速器的必要性：1）由柴油机的速度特性已知，其有效转矩曲线随转速变化平缓，因此，柴油机外界阻力矩的少量变化，就会引起柴油机转速的较大变化。又由喷油泵速度特性，转速升高，循环供油量增加。汽车的行驶阻力时经常变化的，偶尔也会有较大幅度的变化。例如忽然卸去负荷，转速将会有较大的升高，循环供油量将随之增加，反过来又促使转速进一步升高。因而柴油机将猛然加速，转速大幅度上升，甚至超过允许限度而出现飞车事故。而且柴油机的运动零件较为笨重，超速时会产生很大的惯性