汽车发动机原理课件：发动机的速度特性

发动机的速度特性，是指发动机在供油量调节机构(油量调节齿条、拉杆或节气门开度，下面简称油门)保持不变的情况下，发动机性能指标(功率、转矩、燃油消耗率、排气温度、烟度等)随发动机转速变化的关系。当汽车沿阻力变化的道路行驶时，若驾驶员将加速踏板位置保持一定，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。速度特性也是在发动机试验台架上测出的。测取前，应按规定保持冷却液温度、润滑油温度在最佳状态。测量时，将油量调节机构位置固定不动，调整测功器的负荷，发动机的转速相应发生改变，然后记录有关数据并整理绘制出曲线，一般是以发动机转速作为横坐标。当油量控制机构在标定位置时，测得的特性为全负荷速度特性(简称外特性)。油量低于标定位置时的速度特性，称为部分速度特性。由于外特性反映了发动机所能达到的最高性能，确定了最大功率、最大转矩以及对应的转速，因而是十分重要的，所有发动机出厂时都必须提供该特性。一、汽油机的速度特性汽油机节气门(油门)开度固定不动，其有效功率Pe、转矩Ttq、燃油消耗率be、每小时燃油消耗量B等随转速变化的关系称为汽油机速度特性。此时是用调整测功器，如逐渐改变水力测功器水量来改变汽油机的转速。汽油机节气门保持全开，所测得的速度特性称为汽油机外特性。节气门部分开启时所测得的速度特性称部分速度特性。由于节气门的开启可以无限变化，所以部分速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只能有一条。图6-18所示为汽油机外特性曲线示例。１.外特性曲线(１)转矩Ttq曲线。根据式(6-3)可见，Ttq随转速n的变化决定于ηit、ηm、ϕc

/ϕa随n的变化。ηit、ηm、ϕc的变化趋势如图6-19所示。在节气门开度一定时，ϕa值基本不随转速而变化，汽油机Ttq的大小主要决定于ϕc随n的变化，ϕc是在某一中间转速时最大，这是因为在此转速下能最好地利用惯性进气，当转速低于或高于此转速时，ϕc都将降低。指示热效率ηit的变化是在某一中间转速略为凸起，在较低转速下，因缸内气流扰动减弱，火焰传播速度减低，散热及漏气损失增加，使ηit降低，转速高时，燃烧所占的曲轴转角大，燃烧效率低，也使ηit下降。不过它的变化比较平坦，对Ttq影响较小。转速增加，消耗于机械损失的功增加，因此ηm随转速上升而下降(参看第六节)。综合而言，当转速由低速开始上升时，由于ϕc、ηit上升，Ttq有所增加，对应于某一转速时，Ttq达最大值。转速继续提高，由于ηm、ϕc同时下降，因此Ttq随转速升高而较快地下降，即Ttq曲线变化较陡。(２)功率Pe曲线。当转速从很低值增加时，由于Ttq和转速同时增加，Pe=Ttqn/9550迅速上升，直至转矩达最高点后，再继续提高转速，则Pe上升逐渐缓慢，至某一转速后Ttqn达最大值，Pe达到最大值，若转速再上升，由于Ttq的降低已超过转速上升的影响，所以功率Pe反而下降。(３)燃油消耗率be曲线。综合ηit、ηm的变化(图6-19)，be在某一中间转速时最低，当转速高于此转速时，则因ηit、ηm同时下降而be上升。当转速低于此转速，因ηit上升弥补不了ηm的下降，be亦增加。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，代表发动机最高动力性能。根据试验条件不同，外特性可分为两种:①发动机仅带维持运转所必需的附件(如不带风扇、气泵或空滤器以及消声器等附件)，所输出的校正有效功率称总功率。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，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。现代车用汽油机由于各种新技术和控制的优化，外特性曲线已有较大变化，例如多气门技术、可变气门正时技术(VVT－i)的应用进一步优化了低速性能，总的趋势是在一个较低的转速达到峰值转矩，然后维持一定的转速范围(不再只是最大点)，最后有所下降。２.部分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ϕc下降，随着转速提高，ϕc下降的速度更快。因此，节气门开度越小，转矩Ttq随转速增加而下降得越快，最大转矩点及最大功率点均向低转速方向移动(图6-20)。二、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、be、B)随转速n变化的关系称为柴油机速度特性。测取时，应将供油提前角、冷却液温度、润滑油温度等调整在最佳状态。当油量调节机构固定在标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。图6-21所示为车用柴油机标定功率速度特性实例。当油量调节机构固定在小于标定功率循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为部分速度特性，图6-22所示为6135柴油机部分速度特性。标定功率可以理解为使用中允许的最大功率，它是根据用途、使用负荷的情况等确定的。对一具体使用的柴油机标定功率速度特性(或称外特性)亦只有一条，它代表该机在使用中允许达到的最高性能，所有柴油机均须作标定功率速度特性。１.标定功率速度特性曲线(１)转矩Ttq曲线。在柴油机中，每循环充气量的大小(即ϕc的大小)只不过提供产生多大转矩的可能性，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Δb的多少。因此，柴油机转矩曲线的变化趋势，很大程度上取决于每循环供油量Δb随转速变化的情况。式(6-3)可以定性地写成Ttq=K2ηitηmΔb，而ηit、ηm、Δb的变化趋势如图6-23所示。在常用的柱塞式喷油泵中，当油量调节机构位置一定而改变转速时，每循环供油量Δb由油泵速度特性决定，它将随转速的提高而增加(参看第二节)。指示热效率ηit的变化是在某一中间转速时稍有凸起。因为在较高转速下常由于ϕc下降和Δb的上升，使过量空气系数ϕa下降，加上燃烧过程经历的时间缩短，混合气形成条件恶化，不完全燃烧现象增加，致使ηit有些下降。转速过低，也会由于空气涡流减弱，燃烧不良及传热漏气损失增加，使ηit降低。但ηit曲线的变化趋势比较平坦。ηm随转速的上升而下降。由图6-23各参数的变化趋势可知，由于Δb随转速的增加而上升，抵消了ηm、ηit下降的影响，因而随转速上升，柴油机转矩Ttq下降不明显，曲线变化平缓甚至有的是一直微微上倾。(2)功率Pe曲线。由于Ttq变化平坦，在一定转速范围内，功率Pe几乎与转速成正比增加。(3)燃油消耗率be曲线。综合ηit、ηm的变化，be是在某一中间转速时最低，但整个曲线变化并不很大。近年来，柴油机采用了电控燃油喷射和可变增压系统，如高压共轨系统、可变几何变形增压器等。这样，柴油机的外特性是按某种目的人为设计的。图6-24所示为一实例，设计者追求最低转速对应的转矩、最大转矩和额定转速对应转矩以满足整车动力需求。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Δb随n的变化趋势基本相似，亦是随n的增加而上升(参看图5-9)，所以柴油机部分特性Ttq的变化基本与外特性上Ttq平行，即Ttq随转速变化不大(图6-22)。对于经常在部分负荷下工作的汽车发动机，还应作负荷为90％、75％、50％、25％的部分负荷速度特性或作万有特性。三、转矩特性汽车行驶过程中经常会遇到像爬坡这样阻力突然增大的情况，为减少换挡次数，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。因此，要求发动机转矩有适应这种变化的能力。１.转矩储备系数发动机的动力性能不仅需要给出标定功率及其相应的转速，还要同时考虑发动机的转矩特性。一般用转矩储备系数μ和适应性系数Ｋ来表征发动机的转矩特性:式中:Ttqmax——外特性曲线上的最大转矩，N·ｍ，Ttq——标定工况(或最大功率)时的转矩，Ｎ·ｍ。μ或K值大，表明两转矩之差(Ttqmax－Ttq)值大，即随着转速的降低，转矩Ttq增加较快，从而在不换挡的情况下，爬坡能力和克服短期超载能力强。汽油机的外特性转矩曲线随转速增加而较快向下倾斜，其μ值在10％~30％，K值1.2~1.4可以满足汽车的使用要求。柴油机转矩曲线平坦，若不予以校正，则μ值在5％~10％，K值只有1.05左右，难以满足汽车的工作需要。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。例如，有A、B两台发动机，它们的转矩储备系数μ和最大功率时的转速n1相同，但最大转矩时的转速n2不等，如图6-25所示。当外部阻力矩由TR1曲线增到TR2曲线时，发动机的转速由于外界阻力的增加而下降，这时发动机B可以在转速n2B下稳定工作，发动机A则在转速nA下稳定工作。当外界阻力再增至TR3曲线时，发动机Ｂ就不能适应而需换挡，而发动机Ａ还可稳定在n2A下工作，并且转速从n1下降到n2A，还可更多地利用内部运动零件的动能来克服短期超负荷，所以发动机A比B克服障碍的潜力大。因此，与最大转矩Ttqmax相应的转速n2越低，即转速储备系数(n1/n2)越大，在不换挡情况下，发动机克服阻力的潜力越强。汽油机转速储备系数为1.15~2.0，柴油机为1.5~2.0。３.非电控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一触止装置，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。如图6-26上的A点，以避免在其他转速下超过冒烟界限供油量。冒烟界限时Δb随n变化的关系如图6-26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ϕc随n的变化近似(每一点ϕa大致相同)。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，柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性转矩曲线。油量校正装置的作用是:当发动机在标定工况下工作时，如