汽车发动机原理课件：发动机的工况

一、工况汽车是在负荷、速度及道路情况变化的条件下使用的。因此，发动机必须适应汽车的需要，在负荷和转速经常变化下工作。发动机实际运行的工作状况(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。发动机在一定转速下按一定功率稳定工作的条件是发动机发出的转矩与工作机械消耗的转矩相等。如图6-1所示，TR曲线为工作机械所消耗转矩随转速的变化，Ttp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Ttp、TR曲线相交的Ａ点，即转矩TtpA=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。例如，当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，则其转速将降低，直至Ttp与T′R曲线相交的B点，即转矩TtpB

=

TRB、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。根据发动机的用途，其工况大致可分为以下几类。１.恒速工况发动机转速近似保持不变，而功率随负荷变化，又称为线工况，如图6-2中的曲线1所示。例如，带动发电机工作时，为保证频率的稳定性，要求发动机转速基本不变，功率则随发电机负荷大小，可由零变到最大。２.螺旋桨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≈K3n，K为比例常数。带动螺旋桨工作的船用主机即属此类，如图6-2中曲线2所示。３.面工况驱动汽车在陆上运输时，发动机功率和转速都独立地在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。其运行情况是:转速决定于行车速度，可以从最低稳定转速一直变到最高转速。转矩取决于行驶阻力，在同一转速下，可由零变到全负荷。当需要发动机制动时，如汽车下长坡，发动机是由底盘倒拖而做负功，运行工况由图6-2中的阴影线面积表示。阴影面的上限曲线3是发动机在各种转速下所能发出的最大功率，左面对应于最低稳定转速nmin，右面对应于最大许用转速nmax，下面是制动时倒拖发动机所需功率。４.点工况发动机的转速及功率均近似不变，如发动机作为排灌动力。至于汽车用发动机功率和转速的具体变化情况，则因汽车种类和使用条件而异。一般说来，汽车在平坦路面上，尤其在城市公路行驶时，起动和制动频繁，发动机经常在部分负荷的中、低速和怠速情况下工作，而很少在满负荷下以最高车速行驶，因此发动机仅偶尔以最大功率工作。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。需要说明的是，本章讨论的均是针对发动机的稳态工况，即环境不变、发动机的调整不变、输出不变的情况。实际汽车发动机经常在非稳态工况(或称过渡工况或瞬态工况)下工作，而且非稳态工况所占比例很大。汽车发动机的排放测试，大多也是在瞬态下进行的。但考虑到瞬态工况下的发动机的工作过程变得十分复杂，很多情况尚未有定论，所以暂不详述。二、发动机特性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。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。为了选用和评价发动机，需要各种特性。发动机特性种类很多，其中主要有负荷特性、速度特性、万有特性、调速特性、烟度特性、排放特性和噪声特性等。三、发动机性能指标与工作过程参数的关系发动机输出的有效指标通常用平均有效压力pme、有效转矩Ttp、有效功率Pe、有效燃油消耗率be以及每小时燃油消耗量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。每循环加热量Q(kJ)为:式中:ϕc——充量系数；ρ0——大气状态下空气密度，kg/m3；

Vs——工作容积，m3；

ϕa——过量空气系数；

Hu——燃料低热值，kJ/kg；

L0——理论空气量，kg/kg。根据平均有效压力pme(kPa)定义:式中:We——每循环有效功，kJ；

ηet——有效热效率。式中:ηit——指示热效率；