汽车发动机原理课件：发动机的负荷特性

发动机的负荷特性是指发动机转速不变，其性能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。性能指标主要指燃油消耗率be，有时也加上燃油消耗量B和排气温度tr等。当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就属于这种情况。此时必须改变发动机节气门来调整有效转矩，以适应外界阻力矩的变化，保持发动机转速不变。当转速不变时，由式(6-2)和式(6-3)知，有效功率Pe与有效转矩Ttq、平均有效压力pme互为正比，因此负荷特性横坐标——负荷可用Pe、Ttq或pme表示。纵坐标主要是每小时燃油消耗量B或有效燃油消耗率be。根据需要还可以绘出排气温度tr、烟度、机械效率等。一、汽油机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)，每小时燃油消耗量B和有效燃油消耗率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。测取前，应将汽油机的点火提前角、过量空气系数按理想值调整。测取时应按规定保持冷却液温度、润滑油温度在最佳状态。调节测功器负荷，并改变节气门开度，使汽油机的转速稳定在某一常数。测量各稳定工况下的be、B以及烟度、噪声、排气温度等参数值。由于汽油机负荷调节是靠改变节气门开度来直接改变进入汽缸的混合气量，过量空气系数ϕa变化不大，故这种负荷调节方法称为“量调节”。图6-13所示为汽油机负荷特性实例。１.有效燃油消耗率be曲线分析由式(6-4)可知，be的变化取决于ηm和ηit的变化。随着负荷增加，节气门的开度加大，汽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油汽化条件改善，均使ηit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ηm=1-Pm/Pi迅速增加。ηit、ηm的变化关系如图6-14所示。发动机空转时，其指示功率完全消耗在内部损失上，即Pi=Pm，ηm=0，此时be为无穷大(图6-13)。随着节气门开度的增加，ηit和ηm同时上升，be迅速下降(图6-14)。在大负荷时需要浓混合气，全负荷时ϕa=0.85~0.95，燃烧不完全，ηit下降，使be又重新上升。２.燃油消耗量B曲线分析燃油消耗量B曲线的变化趋势如图6-13所示。由式(6-5)可知，当汽油机转速一定时，每小时燃油消耗量B主要决定于节气门开度(决定充量系数ϕc)和混合气成分(过量空气系数ϕa)。节气门开度由小逐渐加大时，充入汽缸的混合气量逐渐增多，由于过量空气系数总体变化不大，因此B也随之增加，直至混合气成分变浓后，B迅速增加(图中曲线变陡)。二、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Δb时，B、be随Pe(或Ttq、pme)变化的关系称为柴油机负荷特性。测取时，应将柴油机的供油提前角、冷却液温度、润滑油温度等调整到最佳状态进行。由于柴油机只是改变循环供油量(空气量变化不大)来调节负荷，因此，也改变了缸内混合气的浓度，即过量空气系数ϕa，这种负荷调节方法称为“质调节”。图6-15所示为柴油机的负荷特性实例。１.有效燃油消耗率be曲线分析由式(6-4)知，be的变化取决于ηｍ和ηit。ηm和ηit随负荷的变化关系如图6-16所示。随着负荷增加，循环供油量增加，ϕa值减少。超过一定负荷后，ϕa再减小就会引起燃烧完善程度下降，ηit也随着降低，高负荷时下降的速度更快。ηm随负荷的增加而上升。当柴油机空转时，ηm等于零，发动机所发出的功率完全用于自身消耗，be为无穷大。逐渐增加供油量，由于ηm迅速上升，be下降，供油量增加到点1(图6-15)位置，be达到最低值，再继续增加供油量时，由于过量空气系数ϕa的减少，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增加，指示热效率ηit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，排气存在“冒烟界限”。２.燃油消耗量B曲线分析当转速一定时，柴油机每小时燃油消耗量B主要决定于每循环供油量Δb。Δb增加，B随之增加，当负荷接近烟度限值之后，由于燃烧的恶化，而使B上升更快一些。对于增压柴油机而言，由于随负荷增大，排气能量增大，增压器转速上升，从而使增压压力变大，进气密度提高，所以在高负荷时，ϕa和ηit变化不大，燃油消耗率曲线较为平坦。三、汽油机和柴油机负荷特性的对比分析图6-17所示为标定功率和转速接近的汽油机和柴油机负荷特性曲线对比，从中可以看出汽油机和柴油机负荷特性的差异。１.汽油机和柴油机的负荷特性的差异仔细比较汽油机与柴油机负荷特性，可发现以下特点:(１)汽油机的燃油消耗率普遍较高，且在从空负荷向中、小负荷段过渡时，燃油消耗率下降缓慢，仍维持在较高水平，燃油经济性明显较差。(２)汽油机排气温度普遍较高，且与负荷关系较小。(３)汽油机的燃油消耗量曲线弯曲度较大，而柴油机的燃油消耗量曲线在中、小负荷段的线性较好。２.汽油机和柴油机负荷特性差异的分析汽油机和柴油机的机械效率变化情况基本类似，造成燃油消耗率差异的主要原因在于指示热效率的差异。(１)柴油机的压缩比比汽油机高出较多，其过量空气系数也比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情况下进行的，因此柴油机的指示热效率要比汽油机高。这样，从数值上看，汽油机的燃料消耗率数值高于柴油机。(２)从指示热效率曲线的变化趋势上来看，在转速不变的前提下，柴油机进入汽缸的空气量基本上不随负荷大小而变化，而每循环供油量则随负荷的增大而增大，导致过量空气系数随负荷的增大而减小，因此，指示热效率也就随负荷的增大而降低，汽油机采用定质变量的负荷调节方法，在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降，而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷减小时泵气损失增大，导致指示热效率下降。(３)排气温度曲线的差异是因为汽油机的压缩比比柴油机低，相应的膨胀比也低，而且混合气比较浓，所以排气温度就要比柴油机高。在负荷变化时，尽管由于混合气总量的增加引起加入汽缸总热量的增加，使排气温度随负荷的提高而上升，但由于在大部分区域内过量空气系数保持不变，故排气温度上升幅度不大。在柴油机中，随着负荷的提