第六章发动机的特性

1. 第六章发动机的特性

2. 一、发动机工况 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。此功率、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。如图所示，TR曲线为工作机械所消耗转矩随转速的变化，Ttq曲线是发动机油量控制机构一定时，转矩随转速的变化，此时发动机只能在TR, Ttq曲线相交的A点，即转矩TtqA＝ TRA，转速为nA的工况下稳定工作。当然，工作机械阻力矩和转速是会变化的，其变化规律取决于不同用途。

3. 一、发动机工况

4. 一、发动机工况 若工作机械阻力矩增加，如图中T’R曲线，若发动机油量控制机构不变，则其转速就要降低，直至Ttq与T’R曲线相交的B点，即转矩TtqB＝ T’RB，转速为nB时才达到新的平衡，发动机再次稳定工作。可见，由于稳定工作必须满足转矩相等的条件，当工作机械阻力矩或转速变化时，就引起发动机与之配合的运行工况发生变化，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。 根据内燃机的用途，其使用条件大致可分为以下三类： (1)恒速工况:发动机转速近似保持不变，而功率改变。 (2)流体阻力工况:发动机功率与转速成一定函数关系，常见为接近三次幂函数关系Pe≈kn3, K为比例常数. (3)陆上运输工况:驱动汽车等陆上运输车辆时，都属于此类。

5. 发动机工况 1.发动机工况特点 当发动机工况(即功率和转速)为适应需要而变化时，其性能(包括动力性、经济性、排放性、噪声、烟度等)也随之而变，因此，评价和选用发动机时就必须考察它在各种工况下的性能，才能全面判断它能否满足要求，对于工况在很大范围内变化的车用发动机尤其是这样。 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，其中随调整情况而变化的又称调整特性，如前述柴油机供油提前角调整特性、汽油机点火提前角调整特性、化油器调整特性等均属此类；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。

6. 发动机工况 1.发动机工况特点 根据各种特性曲线,可以合理地选用发动机，并能更有效地利用它。了解形成特性曲线的原因以及影响它变化的因素，就可以按需要方向改造它，使发动机性能进一步提高，并设法满足使用要求。 发动机输出的有效指标通常用平均有效压力Pme、有效转矩Ttq，有效功率Pe、有效燃料消耗率be以及每小时耗油量B表示。这些指标与发动机工作过程参数的关系可以推导如下。

7. 发动机工况 2.过程参数的推导 每循环加热量Q(kJ)为 一充气效率; 一大气状态下空气密度(kg/m3); —工作容积(m3); —过量空气系数； —燃料低热值； —理论空气量(kg／kg).

8. 发动机工况 2.过程参数的推导 根据平均有效压力 (kPa)定义 式中 每循环有效功(KJ)； 有效热效率。

9. 发动机工况 2.过程参数的推导 式中 —指示热效率； —机械效率。 式中 K1,K2,k3,K4比例常数

10. 发动机工况 2.过程参数的推导 上述公式将发动机重要性能指标与工作过程主要参数联系起来。 发动机特性种类很多，其中主要有负荷特性、速度特性、调速特性、烟度特性、排放特性和噪声特性等。

11. 二、发动机的负荷特性 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。

12. 发动机的负荷特性 1.汽油机的负荷特性 当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，如改变水力测功器水量，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。

13. 发动机的负荷特性 1.汽油机的负荷特性 由式 可知，be的变化取决于 和 的变化。随着负荷增加，节气门的开度加大，气缸内残余废气量相对减少，燃烧速度增加，而且由于相对热损失减少及燃料汽化条件改善，均使 增大，当转速一定，负荷增加时，机械损失功率pm变化不大，而指示功率pi随负荷成比例加大，因此 迅速增加。 变化关系如图所示。发动机空转时，其指示功率完全消耗在内部损失上，即 ,此时be为无穷大。

14. 发动机的负荷特性 1.汽油机的负荷特性 逐渐增大节气门开度，由于 同时上升，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，化油器中的省油器(或多腔分动化油器中的副腔)起作用、供给α＝0.8-0.9的浓混合气，燃烧不完全， 下降，使 be又重新上升。 当汽油机转速一定时，每小时燃料消耗量B主要决定于节气门开度和混合气成分。节气门开度由小逐渐加大时，充入气缸的混合气量逐渐增多，B也随之增加，直至混合气成分变浓后．B上升更快一些(图中曲线变陡）。

15. 发动机的负荷特性 1.汽油机的负荷特性 be 曲线 负荷节气门开度 be   — 曲线陡 be  负荷为发出最大功率 < 1, 燃烧不完全 

16. 发动机的负荷特性 1.汽油机的负荷特性 每小时耗油量B曲线 负荷B 负荷，开度70～80%时 化油器中省油器（或多腔分动化油器的副腔）开始起作用, 使混合气变浓,  = 0.8～0.9  B  B主要取决于节气门开度和混合气成分

17. 发动机的负荷特性 2.柴油机的负荷特性 当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△b时，B、be随pe(或Ttq、pme)变化的关系即柴油机负荷特性。

18. 发动机的负荷特性 2.柴油机的负荷特性 be曲线 6135Q柴油机负荷特性 1-90%负荷 2-75%负荷 3-55%负荷

19. 发动机的负荷特性 2.柴油机的负荷特性

20. 发动机的负荷特性 2.柴油机的负荷特性 不完全燃烧及补燃增加，指示热效率 下降较快，致使be升高。当供油量增到点2的位置时，排气冒黑烟，达国家法规规定的烟度限值，继续加大供油量已为公害所不允许，而且柴油机大量冒黑烟，活塞、燃烧室会积炭，发动机过热将容易引起故障，影响其寿命。因此，非增压高速柴油机使用中的最大功率，受法规规定的烟度限值限制。

21. 发动机负荷特性 3.发动机的负荷特性 一般发动机只测标定转速下的负荷特性，对于汽车发动机，由于工作时转速经常变化，需要测定不同转速下的负荷特性。 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。特别对于柴油机，由于它容易测定，在性能调试过程，如选择气道、燃烧室结构，调整燃油喷射系统等，常用负荷特性作为比较标准。 汽油机柴油机负荷特性曲线的区别： (1)柴油机负荷特性曲线比较平坦，经济性好于汽油机； (2)柴油机最低耗油率也低于汽油机。 表明柴油机在全负荷和较宽广的负荷变化范围内经济性好于汽油机。

22. 三、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。 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．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。

23. 发动机的速度特性 1.汽油机的速度特性 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值，所以代表发动机最高动力性能，所有汽油机均须作外特性曲线。外特性因试验条件不同而有两种：①发动机仅带维持运转所必需的附件时所输出的校正有效功率称总功率。例如，试验时可不装风扇、打气泵或空滤器以及消声器等附件(各国标准均有规定)。我国发动机特性数据多属这一种。②试验时发动机带全套附件时所输出的校正有效功率称净功率或使用外特性。显然，后者功率较低而油耗较高。汽车发动机标定功率又称为额定功率(JB 3743－84)，它是制造厂根据发动机具体用途在规定的额定转速下所规定的功率。

24. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线 外特性曲线： 根据四个公式可得到节气门全开时转矩、功率、油耗随工作过程主要参数的变化关系。右图就是汽油机外特性曲线。

25. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线 Ttq曲线

26. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线 Ttq曲线

27. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线 Pe曲线 转速变化高于 的变化，所以有效功率一般始终随转速的增加而增加，只有到很高转速时，稍有下降。

28. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线

29. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线

30. 汽油机的速度特性 1) 外特性曲线

31. 汽油机的速度特性 2) 部分负荷速度特性曲线 部分负荷速度特性曲线: 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 下降；随着转速提高， 下降的速度更快(参看第二章)。因此，节气门开度愈小，转矩Teq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。 1-全负荷 2-75%负荷 3-50%负荷 4-25%负荷

32. 柴油机的速度特性 2.柴油机的速度特性 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pe、Ttq、B、bt)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(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。 转矩Ttq曲线： 在柴油机中，每循环充气量的大小(即 的大小)只不过提供产生多大转矩的可能,在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△b的多少。因此，柴油机转矩曲线的变化趋势，很大程度上决定于每循环供油量△b随转速变化的情况。

33. 柴油机的速度特性 1）标定功率速度特性曲线 对于非增压发动机来说, 最大功率要受到平均有效压力和转速两方面的限制。一台发动机的功率究竟标定多大才适合, 这要根据发动机特性和具体用途、使用特点及寿命和可靠性要求而人为确定, 根据我国情况, 国家标准规定了发动机标定功率分为下列四级： （1）15分钟功率 —允许发动机连续运转15分钟的最大有效功率。 （2）1小时功率 —允许发动机连续运转1小时的最大有效功率。 （3）12小时功率 —允许发动机连续运转12小时的最大有效功率。 （4）持续功率 —允许发动机长期连续运转的最大有效功率。 每台发动机都应按用途在铭牌上标明上述四种功率的两种及相应的转速。 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。作为特性实验时, 应把两种标定功率的外特性全做出来。

34. 柴油机的速度特性 1）标定功率速度特性曲线 国家规定： 车用柴油机, 除作外特性外, 还应作标定功率的90%, 75%, 50%, 25%的部分速度特性实验。 一般柴油机只作外特性就可以了。 式 可以定性地写成 的变化趋势如图所示。

35. 柴油机的速度特性 1）标定功率速度特性曲线

36. 柴油机的速度特性 1）标定功率速度特性曲线 Audi—100增压柴油机外特性

37. 柴油机的速度特性 2）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△b随n的变化趋势基本相似，亦是随n的增加而上，所以柴油机部分特性Ttq的变化基本与外特性上Ttq平行，即随转速变化不大。 6135型柴油机部分速度特性 1—90%负荷 2—75%负荷 3—55%负荷

38. 发动机的速度特性 3.发动机的转矩特性 汽车拖拉机经常会遇到像爬坡这样阻力突然增大的情况，为减少换档次数，要求发动机的转矩随转速的降低而增加。例如．当汽车上坡时，若油量调节拉杆已达最大位置，但所发出的转矩仍感不足，车速就要降低，此时需要发动机随车速降低而能发出更大转矩、以克服爬坡阻力。拖拉机负荷变化更大，任何土壤表面的起伏以及土壤组织的不均，都可能引起短期超负荷的情况。因此，要求发动机转矩有适应这种变化的能力。 根据汽车理论公式，汽车的驱动方程

39. 发动机的转矩特性 1）转矩储备系数 要充分表明发动机的动力性能，除给出标定功率及其相应的转速外，还要同时考虑发动机的转矩特性，从而引入转矩储备系数µ和适应性系数K的概念. 式中 一外特性曲线上的最大转矩（N·m)； 一标定工况(或最大功率)时的转矩(N·m)。 µ或K值大，随着转速的降低，转矩增加较快，从而在不换档的情况下，爬坡能力、克服短期超载能力强。 汽油机µ值在10％～30％范围．K值1.2～1.4可以满足汽车的使用要求. 柴油机转矩曲线乎坦，若不予以校正，则µ值在5％～10％范围，K值只有1.05左右，难以满足汽车拖拉机的工作需要。

40. 发动机的转矩特性 2）转速储备系数 标定工况(或最大功率)时的转速n1与最大转矩时的转速n2之比称转速储备系数。它的大小也影响到克服阻力的潜力。转速储备系数越大，发动机克服阻力的潜力越强，可以减少换挡。 转速储备系数 汽油机： 1.15～2.0 柴油机： 1.5～2.0

41. 发动机的转矩特性 3）柴油机转矩校正 为了防止柴油机的负荷超过冒烟限值，在喷油泵的油量调节机构上均有触止装置，限制每循环的最大供油量。这个最大供油量的调整，必须在最大工作转速工况下进行。如下图的A点，以避免在其它转速下超过冒烟界限供油量。冒烟界限时△b随n变化的关系如图的曲线1，它相当于不同转速下的负荷特性上冒烟界限的连线，其变化趋势与ηi随n的变化近似(每一点α大致相同)。

42. 发动机的转矩特性 3）柴油机转矩校正 曲线2是未经校正的标定功率供油量曲线。可以看出，由于油泵速度特性的影响，曲线2在转速降低时空气得不到充分利用，使按充气量来计算可能发出的转矩没能发挥出来，而且它的变化趋势也不适应汽车拖拉机对转矩储备的要求。上述问题的产生是由油泵速度特性造成的，因此，柴油机中部采用油量校正装置来改造外特性转矩曲线。 油量校正装置对循环供油量△b的影响 1-冒烟极限 2-未校正的标定功率供油 量曲线 3-用弹簧矫正器的供油量曲线 4-带阀式校正器的供油量曲线

43. 发动机的转矩特性 3）柴油机转矩校正 油量校正装置的作用是： 当发动机在标定工况下工作时，如果转速因外界阻力矩不断增加而下降，则喷油泵能自动增加循环供油量，以增大低速时的转矩，提高转矩储备系数。 有两种校正方法： ①出油阀式校正机构；②附加在调速器上的弹簧校正机构。

44. 发动机的转矩特性 3）柴油机转矩校正 • 出油阀是一个单向阀，在弹簧压力作用下，阀上部圆锥面与阀座严密配合，其作用是在停供时，将高压油管与柱塞上端空腔隔绝，防止高压油管内的油倒流入喷油泵内。 • 出油阀的下部呈十字断面，既能导向，又能通过柴油。出油阀的锥面下有一个小的圆柱面，称为减压环带，其作用是在供油终了时，使高压油管内的油压迅速下降，避免喷孔处产生滴油现象。当环带落入阀座内时则使上方容积很快增大，压力迅速减小，停喷迅速。

45. 1 发动机的转矩特性 3）柴油机转矩校正 出油阀校正机构有如下两种类型： （1）可变出油阀减压容积 （2）可变出油阀减压作用

46. 出油阀校正机构 （1）可变出油阀减压容积 如图所示。图a为没有校正作用的一般出油阀，在出油阀尾部开有四条直切槽，燃油的流通截面不变；图b为有校正作用的出油阀结构。在出油阀尾部开出四条锥形切槽，燃油流通截面向上逐渐减小；图c为开有节流小孔(横向小孔)的校正出油阀结构。当柴油机转速增高时，图a所示减压容积不变．而图b、c中，由于变截面通道或节流小孔的节流作用增强，在出油阀落座过程中，提早起减压作用，使实际减压行程加大，相当于减压容积增加。当出油阀回座后，油管残余压力较低。下一次供油时，必须以供油量中的一部分来填补此增加的减压容积所造成的压力降低，实际上是减少了喷油量。因此，随转速升高，喷油量减少。

47. 出油阀校正机构 （2）可变出油阀减压作用 加大一般出油阀减压环带凸缘和出油阀座内孔的间隙（一般为0.025～0.076mm）或在减压环带上削出一个小平面，可使不同转速时的减压作用不同。当减压环带进入阀座后，泵端高压腔压力急剧下降，此时由于存在间隙，低压油腔也可能有一些燃油回流到此．从而削弱了高压腔的减压作用。转速愈低，由于间隙节流作用相对减小，出油阀落座时间相对增长，回流的燃油愈多，减压作用愈弱，从而使高压油管残余压力升高，喷油量增加。

48. 出油阀校正机构 （3）出油阀校正分析 校正前后油量的变化如图所示。实线表示校正后油泵速度特性，虚线为没有校正时的油泵速度特性。可见，出油阀校正机构变化不规律，喷油延迟比普通出油阀大，这对选择供油提前器不利；又因加工误差等原因，给多缸喷油泵各缸均匀性的调整带来困难，故目前采用并不普遍。 可变减压容积出油阀的供油速度特性 （应用轴针式喷油器） ——可变减压容积出油阀- - - -标准出油阀

49. 四、发动机的烟度特性 烟度标准取决于视觉允许的排烟界限，这个界限是人为的，各国根据自己的交通情况、柴油机制造水平、环境保护政策等许多因素综合考虑确定。烟度标准与它的测量方法紧密联系。 不同测量方法的主要区别在于： ①采用何种测量仪器； ②测量时柴油机处于何种工况。 测量仪器分两种：透光式烟度计; 滤纸式烟度计

50. 发动机的烟度特性 1.测量仪器 在一定长度烟路A的一端装有固定发射光源的灯泡5，光源通过透镜变成一道平行光线。烟路另一端装一个硒光电池1作为光电传感器，当烟路中烟的浓度不同时，光线通过它后,明暗程度也不相同，光电传感器感应出的电流也不同。此电流经电路放大，传至相应刻度的表头或数字显示器。当烟路内通过清洁的空气时，表头刻度为0，全黑时为100，中间各值作均匀分度或对数分度。 透光式姻度计可以记录烟度瞬时值，适合测定变工况时的排烟浓度，但由于排气中油雾及水气同样对通过的光线有吸收作用，故测量结果有时不稳定，也不能将黑、白、蓝烟区别开，另外，其结构、操作较复杂，造价较高。透光式烟度计已被国际标准定为标准烟度计。 1）透光式烟度计工作原理：