《车辆发动机原理》-第１３章

１３.１概述车辆在使用过程中，其负荷、转速及道路情况经常变化。因此，发动机必须适应车辆的需要，在负荷和转速经常变化下工作。内燃机工作状况变化时，其各项工作指标应随之变化。内燃机的主要性能指标与转速、负荷等表示工况的参数间的关系称为内燃机特性。内燃机特性以图线表示，它是由试验测得的数据经过整理绘制出来的。内燃机在某一转速下稳定工作的条件是：内燃机输出的功率（或扭矩）与在此转速下从动机（如车辆、发电机、螺旋桨或其他机器）消耗的功率（或扭矩）平衡。下一页返回１３.１概述如果内燃机功率超过从动机吸收的功率，多余的能量使转速上升，直至两者功率再次平衡，在另一转速下稳定工作。如图１３－１所示，曲线１表示内燃机的功率曲线，曲线Ⅰ表示从动机吸收功率曲线，在ａ点两者功率平衡，于是在ｎａ转速下稳定工作。如果从动机由于某种原因按曲线Ⅱ变化，则在ｎａ转速下多余功率ΔＰｅ使转速升高，在ｂ点达到新的平衡工况。如仍然要求在ｎａ转速工作，则应减小发动机油门，使其功率按曲线２变化，在ｃ点两者功率平衡。内燃机稳定工况的范围取决于从动机的工作特点。根据从动机的工作特点，可将稳定工况分为以下３类。（１）点工况：点工况时从动机只有一个工作点，即只有一个转速发出稳定功率，如电动汽车增程器用发动机。上一页下一页返回１３.１概述（２）线工况：当内燃机驱动按固定转速工作的从动机（发电机、压气泵、水泵等）工作时，则不论负荷如何改变，转速总是固定不变。这时内燃机的稳定工况是稳定在一定的转速上（图１３－２垂线１）。如果内燃机驱动螺旋桨工作（船舶、飞机），螺旋桨的扭矩与转速平方成正比，功率与转速立方成正比，这时内燃机的稳定工作范围只能是Ｐｅ＝ａｎ３一条曲线（图１３－２曲线２）。（３）面工况：车用内燃机在各种转速下都可能要求发出不同的功率，以满足车辆的运行需要。因此，车用内燃机的稳定工作范围是内燃机许用工况范围的一个面；功率的上限是发动机外特性曲线３，左右两边相应于最低稳定转速ｎｍｉｎ和最高许用转速ｎｍａｘ。上一页下一页返回１３.１概述利用特性图，我们可以了解到内燃机在整个工作区域内的性能，并根据需求改变相关参数使内燃机与工作机械匹配。为了选用和评价发动机，需要各种特性。本章将分别讲述内燃机常用的特性。上一页返回１３.２速度特性内燃机的各项指标随转速而变化的关系称为内燃机速度特性。测定速度特性时，功率调节机构（油门）的位置保持不变。速度特性可分为部分速度特性和外特性。将功率调节机构固定在发动机标定功率位置时，测得的速度特性称为外特性。外特性表示该型号发动机能够工作的最高功率界限。功率调节机构固定在标定功率以下的任何其他位置时，各项指标随转速的变化关系称为部分速度特性或部分特性。每种型号的发动机的外特性曲线只有一条，而部分特性曲线随油门的变化可有无数条。图１３－３表示内燃机沿外特性工作，功率、扭矩和燃油消耗率的变化情况。下一页返回１３.２速度特性在怠速下，发动机能稳定工作不少于１０ｍｉｎ的最低转速称为最低空转转速ｎｒｍｉｎ。在全负荷时，发动机能稳定工作不少于１０ｍｉｎ的最低转速称为最低稳定转速ｎｍｉｎ。出现最大扭矩时的转速称为最大扭矩转速ｎｔｑ。燃油消耗率最低时的转速以ｎｂｅ表示。标定功率时的转速称为标定转速ｎｅｎ。调速器开始起作用的转速以ｎｒ表示，调速器限制的最高转速称为最高空转转速ｎｒｍａｘ。功率Ｐｅ随转速的增加而上升，一般柴油机以最大功率点作为标定功率Ｐｅｎ，但汽油机的最大功率Ｐｅｍａｘ可以高于标定功率Ｐｅｎ。上一页下一页返回１３.２速度特性发动机保持油门最大并且全部卸去负荷，任其达到的最大转速称为飞车转速ｎｍａｘ，此时发动机的指示功率全部消耗于内部机械摩擦损失，在实际使用中不允许达到这样的高速。在过高转速下工作时，油耗显著增加，功率大为下降；磨损加快，工作寿命缩短；往复零件惯性力过大，振动、噪声增大；排气冒烟、热负荷增加。故在实际应用过程中，为避免飞车的情况发生，必须使用调速器以限制转速不致过高。上述各种转速的一般范围见表１３－１。汽油机和柴油机工作过程参数随转速变化的规律不同，因此分别讨论汽油机和柴油机的外特性。上一页下一页返回１３.２速度特性１３.２.１汽油机外特性测量汽油机外特性时，保持节气门全开，检测汽油机其他参数随转速的变化。由功率Ｐｅ的关系式可以写出令Ｋ＝ｉＶｈ/３０ζ（常数），则上一页下一页返回１３.２速度特性由功率Ｐｅ和扭矩Ｔｔｑ关系式，可以得出令,则由平均有效压力ｐｍｅ的关系式，可以写出上一页下一页返回１３.２速度特性如果式（１３－６）中的Ｂ也是常数，则平均有效压力ｐｍｅ或扭矩Ｔｔｑ随转速变化的曲线将是一条平行于横坐标的水平线ＣＥ（图１３－４（ａ））。节气门全开时，随转速的变化趋势如图１３－４（ｂ）所示。燃油消耗率ｂｅ与有效效率ηｅ成反比，ηｅ受ηｉηｍ的影响。内燃机沿外特性工作时，有效效率最高点总是出现在ｎｔｑ～ｎｅｎ之间。汽油机采用电控燃油系统后，可对汽油机的外特性进行人为的优化，如使其在较大的转速范围内转矩保持不变，如图１３－５所示。上一页下一页返回１３.２速度特性１３.２.２柴油机外特性测量柴油机外特性时，将供油齿杆位置固定在标定功率位置，检测柴油机参数随转速的变化。为方便分析，对于柴油机，将过量空气系数Φａ写成如下形式：将式（１３－７）代入式（１３－５），则上一页下一页返回１３.２速度特性柴油机工作过程参数随转速的变化趋势（柴油机外特性）如图１３－６所示。供油齿杆位置固定时，每循环供油量Δｇ随转速上升稍有增加。ηｉ随转速上升的变化趋势是开始增加，随后下降，总的变化范围不大。影响ηｉ的因素主要是：混合气形成质量、燃烧质量及传热情况。机械效率ηｍ随转速的增加而下降。综合Δｇ，ηｉ，ηｍ的影响，平均有效压力ｐｍｅ（或Ｔｔｑ）随转速的变化趋势比汽油机平缓，其最大值也在低速范围，高转速时，ｐｍｅ值（或Ｔｔｑ）下降。发动机转速固定时，向气缸内多喷油功率增加，当油量增加到一定量后，由于氧气不足，排气开始冒黑烟。上一页下一页返回１３.２速度特性将各转速下开始出现冒黑烟的功率点连接起来的曲线称为柴油机炭烟极限的下限（图１３－７Ⅰ—Ⅰ′线）。如继续增加油量，冒烟加浓，但功率仍可少许增加，达到最大功率之后，再多喷油，功率下降，将各转速下的冒烟最大功率点连接起来的曲线称为柴油机炭烟极限的上限（图１３－７Ⅱ—Ⅱ′线）。由炭烟极限可确定各工作转速下允许的最大供油量及带校正器工作时供油齿杆的移动量。转速过高时，由于充气效率下降、循环供油量增加、每循环所占时间过短、混合气形成不及时等原因也会引起冒黑烟，如图１３－７Ⅰ—Ⅲ曲线所示。柴油机的工作不能超出Ⅰ—Ⅲ曲线范围。上一页下一页返回１３.２速度特性实际使用的柴油机外特性是沿曲线图１３－７Ⅰ—Ⅳ变化的。为增加低速扭矩，带校正器工作时，随转速下降而增加循环供油量，此时的外特性曲线如图１３－７Ⅰ—Ⅴ曲线所示。１３.２.３汽油机部分速度特性随着节气门开度的减小，进气系统阻力增加。因此，在每一节气门开度都有一条Φｃ＝ｆ（ｎ）的关系曲线。由图１３－８可以看出，节气门开度减小时，随着转速的上升，充量系数急剧下降，在节气门开度非常小时，充量系数接近于零。上一页下一页返回１３.２速度特性在低转速时，节气门开度对充量系数Φｃ的影响较小；当转速接近于零时，节气门开度的影响可以不计，因为空气的流速都接近于零。因此，不管节气门开度如何，在纵坐标上充量系数都汇于一点。节气门开度小时，转速升高后，Φｃ急剧下降，平均指示压力ｐｍｉ和机械效率ηｍ也随着转速增加而迅速下降。因为当节气门关闭到一定程度后，平均指示压力ｐｍｉ随转速增加而急剧降低，同时平均摩擦损失压力ｐｍｍ却随转速增加而升高，这就会在ｎ＜ｎｅｎ时出现ｐｍｉ＝ｐｍｍ，ηｍ＝０。上一页下一页返回１３.２速度特性因此，节气门开度越小，ηｍ和ｐｍｅ（或Ｔｔｑ）随转速增加而迅速降低，则出现ηｍ＝０的转速越低，如图１３－９和图１３－１０所示。图１３－１１表示在外特性和部分特性时功率Ｐｅ随转速的变化趋势。节气门关小后，指示效率变化不大，但由于机械效率降低了，因此ｂｅ增加。这说明负荷变小时，经济性变坏，如图１３－１２所示。１３.２.４柴油机部分速度特性大多数车用柴油机的燃料系统，当油泵供油齿杆位置向减油方向移动时，每循环供油量随转速的变化趋势与全供油时基本一致，因此，在部分特性时，平均指示压力ｐｍｉ＝Ｃ′Δｇηｉ的变化范围很小。上一页下一页返回１３.２速度特性ｐｍｉ可以随转速增加而一直上升，也可能在某一转速时达最大值然后下降。机械效率的公式为随着转速的增加，ｐｍｍ上升，而Δｇ，ηｉ变化不大。ηｍ＝ｆ（ｎ）曲线形状如图１３－１３所示，在部分特性时，此曲线平行下移。扭矩（或平均有效压力）曲线与外特性时相似（图１３－１４（ａ）），平行下移，且变化平坦。因此，在部分负荷时，功率总是随转速增加而上升（图１３－１４（ａ））。在部分负荷时，燃油消耗率ｂｅ曲线升高，且几乎是从外特性曲线平行上移（图１３－１４（ｂ））。

上一页返回１３.３内燃机工作稳定性车辆在路面阻力变化的道路上行驶时，发动机的负载随之变化，其转速也要变化。外界负荷改变时，发动机转速变化越小，车辆行驶越平稳。为了减轻乘员因车辆频繁变速而引起的疲劳，要求车辆行驶平稳。因此，车辆发动机的扭矩特性，应当是在油门位置不变时随转速降低而急速增加扭矩。内燃机工作的稳定性由适应性系数Φｎｔｑ或扭矩储备系数Φｔｑ来评定：下一页返回１３.３内燃机工作稳定性适应性系数Φｎｔｑ值越大，外界负荷变化时，发动机转速的变化越小，车辆行驶越平稳。如图１３－１５所示，在ａ点发动机扭矩Ｔｔｑ与外界阻力矩Ｔｔｑｃ平衡，发动机将在该转速（ｎａ）下稳定工作。从工作稳定性的角度看，汽油机优于柴油机，因为扭矩曲线陡，尤其在部分特性工作时更明显。为了改善柴油机沿外特性工作时的低速扭矩，在喷油泵上安装油量校正器，以提高适应性系数Φｎｔｑ值。柴油机使用全程式调速器后，可显著地改善部分负荷时的工作稳定性。上一页下一页返回１３.３内燃机工作稳定性提高发动机适应性系数，可简化车辆的变速箱结构，减轻驾驶员疲劳，提高车辆的爬坡能力。车用内燃机稳定工作的转速范围是在最大扭矩转速ｎｔｑ和标定功率转速ｎｅｎ之间，两者转速之比称为发动机的转速变化系数Φｎ。上一页返回１３.４负荷特性负荷特性表示发动机在某一固定转速下，经济性指标和其他参数随负荷的变化关系。试验时，保持发动机转速不变，测出负荷变化后燃油消耗率ｂｅ的变化。此外根据需要，负荷特性还可包括过量空气系数、充量系数、废气温度、机械效率及排气烟度等参数。对于经常在标定转速工作的固定式发动机，根据标定转速的负荷特性可判断各种负荷时的经济性。对于车用发动机，为了能全面地评价经济性，只有一个转速的负荷特性是不够的，应测出在几个常用转速下的负荷特性。利用负荷特性可查明下列指标：（１）在指定转速下，最大许用负荷及循环供油量。（２）发动机在最大许用负荷下，每小时燃油消耗量及燃油消耗率。下一页返回１３.４负荷特性（３）最低燃油消耗率及其负荷。（４）能经济工作的负荷范围。在负荷特性曲线上，燃油消耗率ｂｅ越小，内燃机的经济性越好；燃油消耗率ｂｅ曲线越平坦，则在较大负荷范围内，内燃机能保持较好的经济性。负荷特性曲线的变化趋势，取决于指示效率ηｉ及机械效率ηｍ的变化规律，因为图１３－１６所示为柴油机的负荷特性。上一页下一页返回１３.４负荷特性负荷变化时，指示热效率ηｉ的变化不大。小负荷时，由于混合气形成质量差，传热损失多，ηｉ下降。大负荷时，供油多，空气不足及后燃增加，ηｉ也下降。图１３－１７所示为汽油机的负荷特性。当转速固定时，随着节气门开度的增大负荷增加。早期化油器式汽油机混合气浓度的变化受化油器特性的控制，负荷增大时，混合气稍微变稀；但节气门全开时，化油器又使混合气变浓，混合气由经济成分过渡到功率成分。ηｉ的变化与Φａ有关。对于电喷式汽油机，混合气浓度受喷油器控制，随着负荷的增大，ＥＣＵ调节喷油量，进而调节混合气浓度。上一页返回１３.４负荷特性对比柴油机和汽油机的负荷特性曲线，可以看出，柴油机最低燃油消耗率ｂｅｍｉｎ比汽油机低得多，这是因为柴油机压缩比高于汽油机，柴油机ηｉ高于汽油机，而且由于负荷减小时，汽油机节气门存在节流作用，使得泵气损失增大，ｂｅ上升较快，而柴油机在负荷减小时，ｂｅ变化平缓。在常用负荷范围内，ｂｅ＝ｆ（ｐｍｅ）曲线也比汽油机平坦。这一点对经常在部分负荷工作的车辆发动机是很有利的。上一页返回１３.５万有特性万有特性也称综合特性或多参数特性。车辆发动机的工作特点是转速和负荷变化范围广，因此，需要有一系列的速度特性和负荷特性才能全面掌握发动机在各种工况下的指标变化，以从中选择有利的工况。万有特性能够在一张特性曲线图上全面表示发动机性能参数的变化，它是仿效地图上等高线、等温线的画法，以两个主要参数为纵、横坐标，以第三个参数来画曲线。万有特性常以转速为横坐标，以平均有效压力为纵坐标，在图上画出等油耗率曲线、等功率曲线。根据需要还可画出等过量空气系数曲线、冒烟极限等。图１３－１８是轿车用奥迪（Ａｕｄｉ）５缸涡轮增压柴油机的万有特性。下一页返回１３.５万有特性绘制万有特性的方法如图１３－１９所示。（１）将不同转速的负荷特性用同一比例尺画在同一张图上。（２）在万有特性的横坐标上以一定比例标出转速值，而纵坐标ｐｍｅ的比例与负荷特性的相同。（３）将负荷特性图横放在万有特性左侧，在其上引若干等ｂｅ线与ｂｅ曲线相交，各有１～２个交点，再从交点引水平线至万有特性的等转速线上获得一组新的交点，每个交点标上相应的燃油消耗率值。将不同转速上的等油耗点连接起来，即得等油耗率线。各条等油耗率曲线是不能相交的。由万有特性可以很容易地找出最经济的工作区域。上一页返回１３.６螺旋桨特性活塞式发动机除了用于汽车外，还用于船舶、航空装置。近年来，在小型低速的航空动力装置中，活塞发动机得到了广泛运用，其具有质量轻、尺寸小、耗油率低、低速时推力大、价格便宜等优点。现在大多数小型低速无人机都以螺旋桨式活塞发动机为动力装置，如表１３－２所示。发动机驱动螺旋桨工作时，其功率全部由螺旋桨吸收，此时发动机的工作特性就是螺旋桨的特性。螺距固定的螺旋桨所吸收的功率与转速的三次方成正比，因此，发动机带动螺旋桨工作时，有效功率也随转速的三次方变化，即下一页返回１３.６螺旋桨特性发动机扭矩Ｔｔｑ随转速的二次方变化，即图１３－２０所示为柴油机螺旋桨特性曲线。上一页返回１３.７调速特性在调速器起作用时，柴油机性能指标（如Ｐｅ，Ｔｔｑ，ｂｅ，ＧＴ等）随转速或负荷变化的关系称为调速特性。柴油机调速特性是将油门或调速手柄保持在标定功率位置，先卸除全部负荷达到最高空转转速，然后逐渐增加负荷，测定其转速、扭矩、小时耗油量、燃油消耗率与功率的关系曲线。图１３－２１所示为拖拉机柴油机的调速特性，ＢＣ段表示柴油机外特性，ＡＢ段表示调速器工作段。柴油机装调速器后，其速度特性要发生变化。车用柴油机装两极式或全程式调速器。下一页返回１３.７调速特性两极式调速器仅在最高转速和最低转速时起作用，以限制高速时飞车，并保证怠速稳定运转，防止熄火停车；中间转速，调速器不起作用，油量的控制由驾驶员操作。许多车用柴油机均采用两极式调速器，加速性能比全程式调速器还好，平均车速高，且可节油。带两极式调速器后，柴油机的速度特性如图１３－２２所示。全程式调速器在柴油机的整个转速范围内均起作用，以保证在所有转速下的工作稳定性。带全程式调速器的速度特性如图１３－２３所示。对于工程机械、拖拉机及一些装甲战斗车辆，要求在不同转速下稳定工作，一般用全程式调速器。上一页下一页返回１３.７调速特性当发动机工况改变时，两极式调速器与全程式调速器的响应过程不同，如图１３－２４所示。用两极式调速器时，驾驶员直接操纵油泵齿杆达到新平衡点，反应快，操纵方便。用全程式调速器，踏下油门，相当于加大弹簧预紧力，调速器起作用，很快加大供油量，扭矩迅速上升，然后下降达到新的平衡点，因此全程式调速器能以较大的加速度移向新平衡点，这对起步、加速有利。上一页返回１３.８内燃机功率标定和指标修正内燃机功率的标定是根据用途、试验条件、寿命及可靠性要求等人为确定,且各国有不同的标准。我国内燃机的标定功率有以下4级标准。（１）１５分钟功率：允许内燃机连续运转１５ｍｉｎ的最大有效功率，可作为汽车、军用车辆及快艇柴油机的标定功率。（２）１小时功率：允许内燃机连续运转１ｈ的最大有效功率，可作为军用履带车辆及船用主机的最大使用功率。（３）１２小时功率：允许内燃机连续运转１２ｈ的最大有效功率，可作为拖拉机的正常使用功率。（４）持续功率：允许内燃机长期连续运转的最大有效功率，可作为发电和排灌用柴油机的正常使用功率。下一页返回１３.８内燃机功率标定和指标修正对于上述４种功率，１５分钟功率最高，持续功率最低。１５分钟功率和１小时功率的特点是运行时间较短，工作是间断性的，部分时间在低于标定功率下工作，所以标定功率和转速可定得高些，以充分发挥发动机的工作能力，但是工作寿命缩短。一般在内燃机铭牌上需要标明上述４种功率的１种或２种及其对应的转速。外界大气状况影响发动机的性能指标，大气状况的变化直接影响发动机的充气量，从而引起发动机功率的变化，如发动机在高原地区工作，由于空气稀薄，功率下降，根据经验，海拔高度每增１００ｍ，发动机功率约降低１％；夏季高温，功率也下降，湿空气的含氧量低于干