发动机的特性

发动机的特性 发 动 机 原 理 教 案 第五章 发动机的特性 ?5-1 发动机工况和性能指标分析式 一、 发动机工况 发动机的运行情况，简称工况。工况以功率 和转速n来表示。 工况 — Ne，转速n。 发动机的工况分为点工况、线工况和面工况。 发动机稳定工作的条件:扭矩与阻力矩相等。 二、发动机特性 发动机性能指标随调整运转工况而变化的关系称为发动机特性。 三、 发动机性能指标分析式 ,v1 .pk, ,,e1im, ,vT,k,,2. 汽油机 tq2im, T,k,,,b 柴油机 tq2im ,vP,k,,n3. e3im, 1b,k4. 4e,,im ,vB,kn5. 5, ?5-2发动机台架试验 一、试验台装置 组成、装配关系、固定、支承。 实验台固定于坚固、防震的混凝土基础上。为保证发动机能迅速拆装和对中，安装发动机的 铸铁支架和底板常做成可调节高度和位置的形式。 1 发 动 机 原 理 教 案 发动机曲轴与测功器转子轴用联轴节连接。通过测功器和转速表所测数据，可以计算出被测发动机的功率。 为保持发动机工作时水温不变，设有专门可调水量的冷却系统。燃料由专用油箱通过油量测量装置供给发动机的燃料供给系。实验室有特殊的通风装置和消声装置，以排出发动机的有害排放气体，降低室内噪声。 二、制动测功装置—测功器 1.水力测功器 组成:三部分 定子外壳，转子轴，测量机构。 定子外壳通过轴承支撑在支架上，外壳可 以摆动。定子外壳内装有水。水量可调。 发动机曲轴通过连接装置与转子轴固定一 起，同轴旋转。 通过测量使外壳摆动的力可知水施加在曲 轴上的阻力矩。 在发动机转速一定时，该阻力矩即为发动 机的输出扭矩。 调节水量即可改变发动机的阻力矩，即改变输出扭矩。 平衡式电力测功器与电涡流测功器测量原理与水利测功器基本相同，所不同的是施加阻力的形式不一样。二者均为电磁力矩。 2 发 动 机 原 理 教 案 三、耗油率的测量 方法:容积发，质量法。 1. 容积法: 通过测量消耗一定容积的燃油所花费的时间，然后通过公式计算得到。 燃油消耗量按下式计算 m B,3.6t B b,，1000ePe 式中 t——消耗V(mL)燃油所需时间(s); P——消耗V(mL)燃油时测量的有效功率(kW); e B——小时耗油量(kg/h); b——有效燃油消耗率[g/(kW?h)]。 e 2. 质量法 通过测量消耗一定质量的燃油所花费的时间，然后通 过公式计算得到。 m B,3.6t Bb,，1000 ePe 式中 t——消耗m(g)燃油所需时间(s); P——消耗m(g)燃油时测量的有效功率(kW); e B——小时耗油量(kg/h); b——有效燃油消耗率[g/(kW?h)]。 e 四、台架试验综述 (一)概述 试验内容:新产品或强化、改进、变型、转厂生产的发动机性能及耐久可靠性试验;产品出厂前的性能调整及定期抽查试验;商业贸易中的验收试验以及各种研究性的试验等。 试验标准:国际标准化组织标准;各国的国家标准。 我国的试验标准 1984年颁布机械工业部标准《汽车发动机试验方法》(JB3743—84)，1987年制定颁布的《内燃机台架性能试验方法 试验方法》(GB1105.2—1987)，《内燃机台架性能试验方法 测量方法》(GB1105.3—1987)，国家汽车行业标准《汽车发动机性能试验方法》(QC/T524—1999)，《汽车发动机可靠性试验方法》(QC/T525—1999)，《汽车发动机定型试验规程》(QC/T526—1999)，《汽车发动机性能试验方法》(GB/T18297—2001)，其中对性能试验、可靠性试验和现生产的发动机抽查试验等有关事项，如功率标定、性能试验项目、可靠耐久性试验规范、出厂试验内容、 3 发 动 机 原 理 教 案 测试设备和精度及试验方法等都作了详细的规定。 (二)功率标定 发动机铭牌上标定的功率，为使用中允许的最大功率。是制造厂根据具体用途在规定的额定转速下所规定的功率。 1)15MIN功率 为发动机允许连续运转15MIN时的最大有效功率。 2)1H功率 为发动机允许连续运转1H的最大有效功率。 3)12H功率 为发动机允许连续运转12H的最大有效功率。 4)持续功率 为发动机允许长期连续运转的最大有效功率。 (三)大气修正 大气状态:指发动机运行地点的环境大气压力、温度和相对湿度。 标准环境状况:大气压P=100KPA，相对湿度为30%，环境温度T=298K或25?。 C 大气修正:把在不同大气状况下试验所得的结果，换算成标准大气状况下的数值。 4 发 动 机 原 理 教 案 ?5-3 发动机负荷特性 一、 汽油机的负荷特性 转速n不变，发动机的经济性指标随负荷变化的关系。 如: 在不换档情况下，汽车上坡时加大油门，下坡时关小油门，而维持发动机转速n不变，这时发动机沿负荷特性工作。 (一) 定义 转速n不变，汽油机的经济性指标随负荷 — 节气门开度变化的关系。 (二) 特性曲线 b1 曲线 e 1 b,k 4e,,im b 负荷, , 节气门开度, , ,, , , ,, — 曲线陡。 ,,emi b 负荷,, , 为发出最大功率 , < 1, 燃烧不完全 , ,。 e 2 曲线 B 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 二 柴油机的负荷特性 (一) 定义 转速n不变，柴油机的经济性指标随负荷 — 油门开度变化的关系。 (二) 特性曲线 5 发 动 机 原 理 教 案 1 ，曲线 ,,im 负荷, , ,b, , ,, , 燃烧完全程度, , ,。 ,i PmPP,,1,, 负荷, , ,b, ,, , 基本不变 , 。 mimP,ib2 曲线 e 1b,k 4e,,im 负荷, , ,b, , ,,，, , ,。 ,,gemi b 负荷,, , ,b,, , ,,, , 燃烧恶化 , ,，,, , ,。 ,,emi 若负荷,, , 冒黑烟、积炭,, 发动机过热, 故障,, 寿命,。 3 曲线上的特征点 ge b1点 — 。 emin 2点 — 排黑烟, 冒烟界限点。 标定功率的选择: 车用柴油机 — 定在冒烟界限处，即2点。 拖拉机柴油机 — 定在冒烟界限2点以内。 P3点 — 点。 emax bP 过3点 — ,,，,, , ,。 Bee 选择气道、燃烧室结构, 调整燃料供给系统, 常以负荷特性作为标准。 6 发 动 机 原 理 教 案 三 汽油机与柴油机负荷特性曲线分析 1 同一n下: b(1) , , 经济性好。 e,min (2) 曲线平缓 — 负荷变化较广时, 能保持较好的经济性。 b 柴油机比汽油机低, 且曲线平缓。 e,min 所以，柴油机的经济性比汽油机的好。 b2 从负荷特性曲线可知, 小负荷时, ,。 e b 所以，在功力性满足的前提下, 不宜装功率过大的发动机, 以求, — 避 e 免大马拉小车。 3 全面 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 经济性, 应作出不同n下的许多负荷特性曲线 — 万有特性曲线。 7 发 动 机 原 理 教 案 ?5-4 发动机速度特性 发动机节气门开度 ( 或油门开度 ) 不变，发动机性能指标随转速n变化的关系。 如:汽车爬坡或阻力变化时, 节气门 ( 或油门 ) 开度不变, n随外界负荷的变化而变化。外界负荷大, n,, 外界负荷小, n,, 这时发动机沿速度特性工作。 一 汽油机的速度特性 (一) 定义 汽油机节气门开度固定不变，汽油机性能指标随转速n变化的关系。 外特性 (全负荷的速度特性) — 节气门全开 ( 100% ), 测得的速度特性。 部分负荷速度特性 — 节气门固定在部分开启位置, 测得的速度特性。 (二) 外特性曲线 1. T曲线 tq ,v T,k,, tq2im, n, , ,b, , ,, ( 不多 ) T,k,,,tqvim2 (1) — n, , 气流惯性, , ,;n,, , 节流损失, , ,。 ,,,vvv(2) — n, , 气流运动, , 混合气形成改善 , ,; ,,ii n,, , 燃烧时间,，燃烧恶化 , ,。 ,i (3) — n, , ,。 ,,mm (4) T— 低速时: , ,tqv n, , , 使T变化不大, 略有,; ,tqi , ,m 高速时: , , n, , , 使T,,。 ,tqi 8 发 动 机 原 理 教 案 , ,m 2. Pe曲线 低速时: n, , T, ( 不大 ), 但 Pe , T, , n, , Pe,,; tqtq 高速时: n, , T, , Pe, ( 不大 )。 tq 3. be 曲线 1b,k 4e,,im 低速时: n, , ,，,，,大于, , be, ( 不大 ); ,,,,imim 高速时: n, , ,，, , be ,,。 ,,im b 有一个对应的n, 整个曲线变化不大。 e,min 4. B曲线 ,vB,kn 5, 低速时: n, , ,，n, , B, ( 不大 ); ,v 高速时: n, , ,，n,, ,B,,。 ,v B 曲线先缓后陡。 (三) 外特性的意义 9 发 动 机 原 理 教 案 1. 后备功率 后备功率大, 爬坡、加速性好。 但后备功率过大, 则常用工况在低负荷区, 经济性差。 图中A点，后备功率为零。 2 最大T 时的n tq 最大Me时的n越低, 克服外界阻力能力越强。 TT A、B发动机的相同，但A机所对应的n比B机低。当外界阻力矩tq,maxtq,max 为R1时，A、B两机均在n1下稳定运转。当外界阻力矩增大至R2时，B机发出最大扭矩在n2B下稳定运转，此时A机则在n2A下稳定运转。当外界阻力矩再增大至R3时，A机发出最大扭矩在n3A下稳定运转，而B机无法克服外界阻力矩，只能熄火。 (四)部分负荷速度特性 负荷,, ， P,,T,etq n负荷越,, ,，越快。 P,,T,etq T、P向低速方向移动。 tqmaxemax 节气门开度的75%左右时,耗油率最小。超过 75%开度，混合气较浓，燃烧不完全,耗油率较高， 低于75%开度时，残余废气相对增多,燃烧速率下 降,使ΗI 降低，耗油率高，且开度越小，耗油率 曲线位置越高。 10 发 动 机 原 理 教 案 二 柴油机的速度特性 (一) 定义 油量调节机械 ( 油门拉杆或齿条 ) 位置固定不动, 柴油机性能指标随转速n变化的关系。 外特性 ( 全负荷的速度特性 ) — 油量调节机构固定在标定功率循环油量位置时, 测得的速度特性。 部分负荷速度特性 — 油调节机构固定在小于标定功率循环供油位置时, 测得的速度特性。 (二) 标定功率 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。 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。 时间越短, 功率值应越大。如:15分钟功率比12小时功率大。 (三) 外特性曲线 1.Ttq曲线 T,k,b,, tq2im (1) — n, , ,;n,, , ,。 ,,,vvv (2) ,b — n, , ,b, ( 油泵速度特性 )。 (3) , — n, , ,b,，, , ,,。 ,v 11 发 动 机 原 理 教 案 (4) — n, , ,;n,, , 燃烧时间,，,, , ,。 ,,,iii (5) — n, , ,。 ,,mm ,,v,(6) Ttq — ,,, , 不如 ,, 快, ,,,vim,, , 使曲线平缓。 T,k,,,,tq2 2. Pe曲线 P,T,n etq Ttq曲线平缓 — Me 基本是常数，则 n, , Pe, — 几乎是成直线关系。 b3.曲线 e 1b,k 3e,,im 低速时: n, , ,，, , be, ( 不大 ); ,,im 高速时: n, , ,，, ,be ,,。 ,,im b 有一个对应的n, 整个曲线变化不大。 e,min 4. B 曲线 12 发 动 机 原 理 教 案 ,v B,kn5, 低速时: n, , ,，,, , B,,; ,v 高速时: n, , ,，,, , B,,。 ,v 整个B曲线较陡。 (四)部分负荷速度特性 随油量调节机构位置向减小供油量方向移动时，循环供油量减小，使部分负荷速度特性的、 值低于外特性。但随着负荷减小，循PTetq 环供油量随转速的变化趋势基本不变，使部分负荷速度特性的变化趋势同外特性相似，所以柴油机的部分负荷速度性的P、T曲线是随负etq 荷的减小，大致平行下降。 耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。当负荷为75%左右时，曲线位置最低。 (五)扭矩特性 1.扭矩储备系数 , 和适应性系数 K TT,tqtqmax ,,，100%Ttq Ttqmax K,Ttq ,,, K, , n,时, Ttq,快 , 不换档情况下, 克服短期超载能力强。 2.转速储备系数 n1,, nn2 n——标定工况转速; 1 n——最大扭矩转速。 2 最大扭矩转速ntq越低，φn越大，车辆在 13 发 动 机 原 理 教 案 不换挡的情况下，发动机克服阻力增加的潜力越强。 一般，汽油机φn=1.15~2.0 ，柴油机φn=1.5~2.0 。 ?5-5 发动机万有特性 一 特性曲线 以转速n为横坐标，以扭矩Ttq或平均有效压力Pme为纵坐标，在图上画出许 多等耗油率曲线和等功率曲线，组成发动机万有特性。 外特性曲线 — A,B,C,D。 A:调速手柄最大位置，外界阻力矩R = 0， 最高空转转速点。 ,bB:发动机标定功率点，。 max C:最大或Ttq 点, 由此可得扭矩储备系数 pe , 和适应性系数 K。 D:外特性上最低稳定转速点。 最低空转点 — 怠速点, 图中未标出。 二 曲线的制取 b (一) 等曲线 — 作图法 e b1 在,n 图上画出A,B,C,D外特性曲线 — 等曲线不能超出此范围。 pee 14 发 动 机 原 理 教 案 b2 ,n 图上的纵坐标与, 图上的纵坐标比例尺必须相同。 ppppeeeee bbb3 在, 图上做出数条负荷特性曲线，做直线 — 等曲线与这些负 pe,1eee 荷特性曲线相切、相交于一点或两点。从相切、相交点引平行线至,n 图。 pe 从,n 图上的相应n点引垂直线与平行线相交。用光滑曲线连接,n 图 ppee b 上的这些交点，即为万有特性曲线的等曲线。 e,1 P(二) 等曲线 — 解析法 e pVin,3ehP,，10,kp,n ee302 Pe,p ekn 取一个Pe值, 可以做出一条曲线 — 等Pe曲线，再取一个Pe值, 又p,f(n)e 可以做出一条等Pe曲线… 等Pe曲线为一组双曲线。 三、 分析 15 发 动 机 原 理 教 案 bb1.最内层的等曲线相当于最经济的区域。曲线越向外, 越大。 ee b2.若曲线沿横向较长, 则说明在负荷变化不大, 而n变化较大的范围内, 变化 e 较小。 适于车用, 其最经济区大约在万有特性曲线的中间偏上位置。 b 若曲线沿纵向较长, 则说明在 n 变化不大, 而负荷变化较大的范围内, 变 e 化较小。 适于拖拉机用, 其最经济区大约在万有特性曲线的上部。 3. 若万有特性不能满足使用要求, 则需调机或重新选机。 ?5- 6 发动机调速特性 一、 装调速器的必要性 为防止高速飞车和低速熄火。 二 全程式调速器 在整个发动机工作范围内，调整扭矩特性。 (一) 工作原理 调速飞球在推力盘上的导向槽中 滚动, 两球始终相触, 右边推力盘没 有左右向移动, 只有转动。共有12个 飞球, 一边6个, 一共3付。 1. 当发动机在某一转速n下运行时, 飞球受离心力作用, 对推力盘有一正 压力, 水平方向分力与弹簧力相平衡, 油 门拉杆固定在推力盘5上, 转速就稳 定在这 16 发 动 机 原 理 教 案 种状态下。 n, , 小球受离心力作用加大, 对推力盘的正压力加大当外界负荷, , 使推力盘5带动油门拉杆向左移动 , 供油量,b,，转速就稳定在这一新的状态下。 n, , 供油量,b,。 2. 调速手柄1调整弹簧2的预紧力 , 弹簧力平衡点变化 , 调速器起作用的转速值改变。一定的预紧力对应于一定的转速范围。因此，在整个发动机工作范 围内，均可调整扭矩特性。调速手柄受到怠速螺钉8和限速螺钉9的限制, 也就限制了柴油机的最高和最低稳定转速。 (二)调速特性 调速器起作用时，性能指标随转速或负荷变化的关系称为调速特性。 (二) 特性曲线 T,,b — 大, Rn1tq1max1 T,,b — 小, Rn2tq22 T,0,,b — = 0 , nRtq,3min33 ,、K调速较大, 多用于拖拉机上。 三 两极式调速器 为防止高速飞车和低速熄火。 (一) 工作原理 1 控制怠速转速, n, , ,b,，不致过低而造成熄火。 17 发 动 机 原 理 教 案 n, , 受软弹簧作用，W下行 , 带动S1 1点下行 , 2为支点，由杠杆原理 3点左移 , 4点左移，由4’点 , 4点 , 5为支点，6点右移 , 由6’点 , 6点 , ,b, , n回升, 不致熄火。 n, , W上行, 当W接触到硬弹簧后, S2 由于力大, 使W停止上行, ,b不 S2 再,, , 调速器失去作用, 发动机按外特 性稳定运转。 2 限制飞车, n, , ,b,，不致过高而造成飞车。 n,, , 离心力大于和联合预紧力，W, , 带动1点上行 , 3点右行 SS21 , 4点右行 , 6点左行, ,b, , n回降, 不致飞车。 5点的左右移动取决于发动机的负荷, 负荷, , 5点右移。 (二) 特性曲线 Ttq曲线头段和末段调速器起作用曲线的作用点取决于弹簧和的预紧力，SS21 18 发 动 机 原 理 教 案 调速器本身不用换档。因此，中段曲线为柴油机的外特性曲线。 19