第11章 發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性與匹配技術(shù)(2003版)

第四篇

運(yùn)行特性與性能調(diào)控

本篇重點(diǎn)闡述車用發(fā)動機(jī)的運(yùn)行特性與性能調(diào)控問題

第11章發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性與匹配技術(shù)

第12章發(fā)動機(jī)性能與參數(shù)的調(diào)控技術(shù)第11章發(fā)動機(jī)的特性與匹配技術(shù)

主要講述發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性—速度特性、負(fù)荷特性、全特性的變化規(guī)律及測試方法。發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性對汽車的適應(yīng)性以及汽車與發(fā)動機(jī)動力、經(jīng)濟(jì)性的合理匹配，并涉及混合動力驅(qū)動技術(shù)教學(xué)提示發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性即主要的性能指標(biāo)隨工況參數(shù)—轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律。

由發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性轉(zhuǎn)化而得汽車的運(yùn)行特性：驅(qū)動力特性、燃油經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性、安全性等。發(fā)動機(jī)與汽車配套在寬廣轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍內(nèi)多工況、變工況工作，汽車與發(fā)動機(jī)特性需要全工況的合理匹配。教學(xué)要求掌握發(fā)動機(jī)運(yùn)行特性及其分析方法掌握速度特性、負(fù)荷特性、萬有特性等試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理掌握汽車與發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性匹配

發(fā)動機(jī)特性指在一定條件下，發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)或特性參數(shù)隨各種可變因素的變化規(guī)律，可分為運(yùn)行特性和調(diào)整特性。運(yùn)行特性：主要的性能指標(biāo)隨工況參數(shù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化規(guī)律。調(diào)整特性：發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速和油量調(diào)節(jié)裝置位置不變條件下，各種性能指標(biāo)隨調(diào)整參數(shù)而變化的規(guī)律。11.1發(fā)動機(jī)的特性汽車行駛時(shí)，由于車速與行駛阻力不斷變化，則發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷亦相應(yīng)變化，以適應(yīng)汽車的需要。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的改變，發(fā)動機(jī)工作過程也會發(fā)生變化。因此，發(fā)動機(jī)在不同使用條件下具有不同的動力性與經(jīng)濟(jì)性。1.工況與工況平面發(fā)動機(jī)工況是指發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行的工作狀況。Pe

∝Ttq

n(11-1)工況以功率Pe和轉(zhuǎn)速n來表示，此功率、轉(zhuǎn)速應(yīng)該與發(fā)動機(jī)所帶動的工作機(jī)械要求的功率、轉(zhuǎn)速相適應(yīng)。只有發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和工作機(jī)械的阻力矩相等時(shí)，發(fā)動機(jī)才以一定轉(zhuǎn)速按一定功率穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；工作機(jī)械阻力矩、轉(zhuǎn)速變化時(shí)，發(fā)動機(jī)的工況會發(fā)生變化。

11.1.1工況、工況面與功率標(biāo)定發(fā)動機(jī)的工況第一類工況發(fā)動機(jī)的工況平面即工作區(qū)域取決于發(fā)動機(jī)用途。用途不同，工作區(qū)域不同。第二類工況第三類工況（1）第一類工況

發(fā)動機(jī)的功率變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速幾乎保持不變，該工況又被稱為固定式發(fā)動機(jī)工況。例如：發(fā)電用發(fā)動機(jī)負(fù)荷呈階躍式突變，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速必須保持穩(wěn)定，以保證電壓和頻率的恒定。工況圖上是一條垂線，稱為線工況。灌溉用發(fā)動機(jī)除起動和過渡工況外，運(yùn)行中負(fù)荷和轉(zhuǎn)速保持不變，稱為點(diǎn)工況。第二類工況發(fā)動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速接近于冪函數(shù)關(guān)系，該工況又稱為發(fā)動機(jī)的螺旋槳工況。例如發(fā)動機(jī)作為船用驅(qū)動螺旋槳，發(fā)動機(jī)功率等于螺旋槳吸收功率，；螺旋槳吸收功率等于取決于轉(zhuǎn)速的高低，于轉(zhuǎn)速成冪函數(shù)關(guān)系，該工況也稱為推進(jìn)工況，屬于線工況。第三類工況功率與轉(zhuǎn)速都在很大范圍內(nèi)變化，稱為發(fā)動機(jī)的面工況。例如陸地運(yùn)輸汽車用發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于汽車的行駛速度，可以從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變到最高轉(zhuǎn)速。負(fù)荷取決于行駛阻力，在同一轉(zhuǎn)速下可以從零變到全負(fù)荷。圖11.1剖面線所覆蓋的部分，屬面工況。車用發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況，工作區(qū)域限定在一定范圍內(nèi)，圖11.1所示：1）上邊界線a為發(fā)動機(jī)油量控制機(jī)構(gòu)最大位置時(shí)，不同轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)所能發(fā)出的最大功率，A最大有效功率標(biāo)定點(diǎn)。2）

二、發(fā)動機(jī)特性

發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)工況而變化的關(guān)系稱為發(fā)動機(jī)特性。性能指標(biāo)調(diào)整情況運(yùn)轉(zhuǎn)工況調(diào)整特性性能特性

特性用曲線表示稱為特性曲線，它是評價(jià)發(fā)動機(jī)性能的一種簡單、方便、必不可少的形式。

第二節(jié)發(fā)動機(jī)的速度特性

發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為發(fā)動機(jī)的速度特性。若駕駛員將油門踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽車行駛速度也會改變，上坡時(shí)汽車速度逐漸降低，下坡時(shí)速度增加，這時(shí)發(fā)動機(jī)即沿速度特性工作。

速度特性：汽油機(jī)節(jié)氣門開度固定不動，其有效功率Pe、扭矩Ttq、燃油消耗率b、每小時(shí)消耗油量B等隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。

一、汽油機(jī)的速度特性外特性節(jié)氣門全開時(shí)速度特性稱為外特性。部分特性節(jié)氣門部分打開時(shí)的速度特性稱為部分負(fù)荷速度特性。由于節(jié)氣門的開啟可以無限變化，所以部分負(fù)荷速度特性曲線有無數(shù)條，而外特性曲線只能有一條。

（一）外特性曲線

1．扭矩曲線變化趨勢隨著轉(zhuǎn)速n的增加，扭距Ttq逐漸增大，出現(xiàn)最大扭距Ttqmax后逐漸下降，且下降程度越來越大。曲線呈上凸形狀。

2．功率變化趨勢

Pe=Ttq?n/9550

當(dāng)轉(zhuǎn)速由低逐漸升高時(shí)，由于Ttq、n同時(shí)增加Pe增加很快。在達(dá)到最大扭距轉(zhuǎn)速ntq后，再提高轉(zhuǎn)速，由于Ttq有所下降，使Pe上升緩慢。某一轉(zhuǎn)速時(shí)Ttq?n達(dá)最大值。此后，再增加轉(zhuǎn)速，由于扭距下降超過轉(zhuǎn)速上升的影響，Pe反而下降。

3、燃油消耗率的變化

（二）部分負(fù)荷速度特性

隨著節(jié)氣門的關(guān)小，節(jié)流損失增大，充氣效率減小，使部分負(fù)荷速度特性的Pe、Ttq低于外特性值。且轉(zhuǎn)速越高，充氣效率減小的越多，因此，節(jié)氣門開度越小，隨轉(zhuǎn)速增加，扭距、功率曲線下降得越快，并使最大扭矩及最大功率點(diǎn)向低速方向移動。

二、柴油機(jī)速度特性速度特性：噴油泵油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置固定不動，柴油機(jī)性能指標(biāo)（主要是功率Pe、扭距Ttq、燃油消耗率b、每小時(shí)耗油量B）隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系。外特性：油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在標(biāo)定循環(huán)供油量位置時(shí)速度特性稱為柴油機(jī)標(biāo)定功率速度特性。部分負(fù)荷速度特性：當(dāng)油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在小于標(biāo)定循環(huán)供油量各個(gè)位置時(shí)，所測得的速度特性稱為柴油機(jī)。（一）外特性曲線變化趨勢

1．扭矩曲線變化趨勢柴油機(jī)的扭矩曲線比汽油機(jī)平坦。柴油機(jī)扭矩曲線的變化趨勢，很大程度上決定于每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速變化的情況。

2．功率曲線由于扭矩Ttq曲線變化平坦，在一定n范圍內(nèi)，功率Pe幾乎與轉(zhuǎn)速n成正比增加。

3．燃油消耗率曲線

（二）部分負(fù)荷速度特性

隨油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置向減小供油量方向移動時(shí)，循環(huán)供油量減小，使部分負(fù)荷速度特性的Pe、Ttq值低于外特性。但隨著負(fù)荷減小，循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本不變，使部分負(fù)荷速度特性的變化趨勢同外特性相似，所以柴油機(jī)的部分負(fù)荷速度性的Pe、Ttq曲線是隨負(fù)荷的減小，大致平行下降。耗油率曲線的變化趨勢基本同外特性。當(dāng)負(fù)荷為75%左右時(shí)，曲線位置最低。

負(fù)荷特性：轉(zhuǎn)速不變，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨負(fù)荷（可用功率Pe、扭矩Ttq或平均有效壓力Pme表示）的變化關(guān)系。當(dāng)汽車以一定的速度沿阻力變化的道路行駛時(shí)，就是這種情況。此時(shí)必須改變發(fā)動機(jī)油門來調(diào)整有效扭矩，以適應(yīng)外界阻力矩的變化，以保持發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

第三節(jié)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷特性

一、汽油機(jī)負(fù)荷特性

1.負(fù)荷特性：當(dāng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而逐漸改變節(jié)氣門開度，每小時(shí)耗油量B、燃料消耗率b隨負(fù)荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關(guān)系。

2.汽油機(jī)靠改變節(jié)氣門開度，改變進(jìn)入氣缸的混合氣數(shù)量來適應(yīng)負(fù)荷變化。其負(fù)荷的調(diào)節(jié)方法稱為“量調(diào)節(jié)”。汽油機(jī)負(fù)荷特性分析

（一）燃油消耗率曲線

由公式b=k3/ηitηm可知，燃油消耗率b的變化取決于ηit、ηm的變化。ηit、ηm隨負(fù)荷的變化如圖所示。

二、柴油機(jī)負(fù)荷特性

1.負(fù)荷特性:柴油機(jī)轉(zhuǎn)速一定，每小時(shí)耗油量B、有效燃料消耗率b隨負(fù)荷（Pe、Ttq或Pme）而變化的關(guān)系。

2.測取:臺架試驗(yàn)。測取時(shí)，應(yīng)將柴油機(jī)的供油提前角、冷卻水溫度、潤滑油溫度等調(diào)整到最佳狀態(tài)。

3.柴油機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)方法稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。

柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線分析

（一）耗油率曲線根據(jù)公式柴油機(jī)耗油率b隨負(fù)荷的變化取決于ηit和ηm。

ηm：隨負(fù)荷增加而上升。ηi：隨負(fù)荷增加，每循環(huán)供油量△b增加，過量空氣系數(shù)α減小，燃燒不完全程度增大，使ηi減小。大負(fù)荷時(shí)，混合氣過濃，燃燒惡化，不完全燃燒及補(bǔ)燃增多，使ηi下降更快。

綜上所述，當(dāng)Pe=0，ηm=0時(shí)，b趨于無窮大。隨負(fù)荷增加，ηm迅速增加，且遠(yuǎn)大于ηi的減少，使b下降很快。當(dāng)△b增加到1點(diǎn)位置時(shí)，b最小。此后再增加負(fù)荷，由于ηi下降較ηm上升的多，使b又有所增加。當(dāng)△b增加到2點(diǎn)時(shí)，排氣冒黑煙，達(dá)到國標(biāo)規(guī)定限值。當(dāng)△b超過2點(diǎn)時(shí)，燃料消耗量增大，排放污染嚴(yán)重，影響發(fā)動機(jī)壽命，所以，柴油機(jī)的最大循環(huán)供油量應(yīng)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下調(diào)整，使煙度不超過允許值。

（二）每小時(shí)耗油量B曲線轉(zhuǎn)速一定時(shí)，柴油機(jī)的每小時(shí)耗油量B主要決定于△b。隨負(fù)荷增加，每循環(huán)供油量△b增加，B隨之增加。當(dāng)負(fù)荷接近冒煙界限后，由于燃燒惡化，B上升得更快一些。

由負(fù)荷特性可以看出，(1)同一轉(zhuǎn)速下最低耗油率bmin越小，曲線變化越平坦，經(jīng)濟(jì)性越好。柴油機(jī)bmin比汽油機(jī)低bmin；而且燃油消耗率曲線比較平坦。相比之下，柴油機(jī)部分負(fù)荷時(shí)低耗油率區(qū)比汽油機(jī)寬，因而柴油機(jī)比汽油機(jī)節(jié)省。(2)耗油率b隨負(fù)荷的增加而降低，在接近全負(fù)荷（常在80%負(fù)荷率左右）時(shí)b達(dá)到最小。第四節(jié)發(fā)動機(jī)的萬有特性

萬有特性是以轉(zhuǎn)速n為橫坐標(biāo)，以扭矩Ttq或平均有效壓力Pme為縱坐標(biāo)，在圖上畫出許多等耗油率曲線和等功率曲線，組成發(fā)動機(jī)萬有特性。

一、萬有特性的制取根據(jù)各種轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線，用作圖法可以得到萬有特性。

（一）等燃油消耗率曲線

1.將不同轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性轉(zhuǎn)換為以平均有效壓力PME或Ttq為橫坐標(biāo)、燃油消耗率b為縱坐標(biāo)的負(fù)荷特性，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

2.

在萬有特性圖的橫坐標(biāo)上，以一定比例標(biāo)出轉(zhuǎn)速數(shù)值?？v坐標(biāo)Pme的比例應(yīng)與負(fù)荷特性Pme的比例相同。從b=230g/（kW·h）處引一垂線，與各種轉(zhuǎn)速的b曲線有兩個(gè)（或一個(gè)）交點(diǎn)。再從交點(diǎn)處引水平線，與從萬有特性橫坐標(biāo)相應(yīng)轉(zhuǎn)速處引出的垂線相交，將交點(diǎn)連成圓滑的曲線，即得到一定燃油消耗率時(shí)的等燃油消耗率曲線，其余b時(shí)的等燃油消耗率曲線作法相同。（二）等功率曲線根據(jù)公式Pe=kPmen，可畫出等功率曲線，是一組雙曲線。

（三）邊界線將外特性中的Ttq~n畫在萬有特性上，構(gòu)成邊界線。

二、萬有特性的應(yīng)用分析

1.由萬有特性可以方便地查到發(fā)動機(jī)在任何點(diǎn)（Ttq、n）工作時(shí)的Pe、b、Pme，發(fā)動機(jī)在任何點(diǎn)（Pe、n）工作時(shí)的Ttq、b、Pme以及發(fā)動機(jī)最經(jīng)濟(jì)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速。

2.等燃油消耗率曲線的形狀及分布情況對發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性有很大影響。

（1）等燃油消耗率曲線最內(nèi)層為最經(jīng)濟(jì)區(qū)，曲線越向外，經(jīng)濟(jì)性越差。（2）如果等燃油消耗率曲線橫向較長，表示發(fā)動機(jī)在負(fù)荷變化不大而轉(zhuǎn)速變化較大的情況下油耗較小。常用中等負(fù)荷，中等轉(zhuǎn)速工況的車用發(fā)動機(jī)，希望其最經(jīng)濟(jì)區(qū)處于萬有特性中部，等燃油消耗率曲線曲線橫向較長。（3）等燃油消耗率曲線縱向較長，則發(fā)動機(jī)在負(fù)荷變化較大而轉(zhuǎn)速變化較小的情況下的燃油消耗率較小。工程機(jī)械用發(fā)動機(jī)，希望最經(jīng)濟(jì)區(qū)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近，等燃油消耗率曲線縱向較長些。

第五節(jié)發(fā)動機(jī)