《汽車發(fā)動機原理（第5版）》 課件 第六章 發(fā)動機特性

汽車發(fā)動機原理

2024/10/132024/10/13發(fā)動機原理2

目錄第一章發(fā)動機的性能第二章發(fā)動機的換氣過程第三章燃料與燃燒第四章汽油機混合氣的形成和燃燒第五章柴油機混合氣的形成和燃燒第六章汽車發(fā)動機特性第七章車用發(fā)動機廢氣渦輪增壓第八章發(fā)動機排氣污染與噪聲控制第九章新型汽車動力裝置第十章發(fā)動機動力學10/13/2024第六章發(fā)動機的特性學習目的：了解汽車發(fā)動機在使用過程中的主要性能指標隨工況變化的關(guān)系，為發(fā)動機與車輛匹配提供依據(jù)。6.1發(fā)動機的工況6.2發(fā)動機的臺架試驗6.3發(fā)動機的負荷特性6.4發(fā)動機的速度特性6.5發(fā)動機的排放特性6.6

發(fā)動機的調(diào)整特性6.7發(fā)動機的萬有特性6.8發(fā)動機與車輛的匹配10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理46.1發(fā)動機的工況一、發(fā)動機的運行工況發(fā)動機的運行情況（簡稱工況）是以其發(fā)出的功率Pe和轉(zhuǎn)速n來表示；只有當發(fā)動機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩與工作機械消耗的轉(zhuǎn)矩相等時，兩者才能在一定轉(zhuǎn)速下按一定功率穩(wěn)定工作（A點）；當工作機械阻力矩增加(TR’)，若發(fā)動機油量控制機構(gòu)不變，則其轉(zhuǎn)速就要降低，直至B點達到新的平衡，發(fā)動機再次穩(wěn)定工作；由于發(fā)動機穩(wěn)定工作必須滿足轉(zhuǎn)矩與工作機械阻力矩相等的條件，因而發(fā)動機工況變化規(guī)律與所帶動的工作機械的工作情況有關(guān)。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理5發(fā)動機的使用條件根據(jù)發(fā)動機用途，其工況大致可分為：恒速工況

(曲線1)。如帶動發(fā)電機工作；螺旋槳工況

(曲線2)。發(fā)動機功率與轉(zhuǎn)速成一定函數(shù)關(guān)系，如帶動螺旋槳工作的船用主機（Pe≈Kn3

）；面工況

(曲線3)。發(fā)動機功率和轉(zhuǎn)速都獨立地在很大范圍內(nèi)變化，它們之間沒有特定的關(guān)系。如驅(qū)動汽車等陸上運輸車輛。點工況。轉(zhuǎn)速及功率均近似不變，如內(nèi)燃機作為排灌動力10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理6二、發(fā)動機的特性發(fā)動機性能指標隨調(diào)整情況及運轉(zhuǎn)工況而變化的關(guān)系稱為發(fā)動機特性；

隨調(diào)整情況而變化的又稱調(diào)整特性，如柴油機供油提前角調(diào)整特性、汽油機點火提前角調(diào)整特性等；性能指標隨運行工況而變化的又稱性能特性；特性用曲線表示稱為特性曲線，它是評價發(fā)動機性能的一種簡單、方便、必不可少的形式。發(fā)動機特性主要有負荷特性、速度特性、萬有特性、調(diào)速特性、煙度特性、排放特性和噪聲特性等10/13/2024三、發(fā)動機性能指標與工作過程參數(shù)的關(guān)系每循環(huán)加熱量平均有效壓力：Фc——充量系數(shù)2024/10/13發(fā)動機原理710/13/2024平均有效壓力：有效功率：有效轉(zhuǎn)矩：有效燃油消耗率：每小時耗油量：2024/10/13發(fā)動機原理810/13/20246.2發(fā)動機的臺架試驗發(fā)動機試驗是考核發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和工作可靠性以及檢查整機和零部件的制造質(zhì)量、可靠性和耐磨性等不可缺少的手段，也是研究、設(shè)計、制造新型發(fā)動機的一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。發(fā)動機臺架試驗是將發(fā)動機與測功設(shè)備及各種測試儀器組成一個測試系統(tǒng)，按照規(guī)定的方法和要求（即標準）模擬發(fā)動機實際使用的各種工況所進行的試驗。發(fā)動機各項性能指標、參數(shù)以及各類特性曲線，通常都是在發(fā)動機試驗臺架上按規(guī)定的試驗方法進行測定。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理10一、臺架試驗裝置

試驗臺架輔助系統(tǒng)各種測量儀器、儀表及操縱臺測功器10/13/2024二、有效功率的測量有效功率是發(fā)動機最重要的性能參數(shù)之一，在發(fā)動機試驗參數(shù)中大都需要測量有效功率。發(fā)動機有效功率的測定屬于間接測量，即測定發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速后，由公式求出功率。通常用測功器來測量發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩。測功器是用來吸收試驗發(fā)動機發(fā)出的功，改變其負荷及轉(zhuǎn)速，模擬實際使用的各種工況。同時測定發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩；同時發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)速由各類轉(zhuǎn)速表測得；功率的計算公式為：常用測功器有水力測功器、直流電力測功器和電渦流測功器三種。2024/10/13發(fā)動機原理1110/13/2024水力測功器—構(gòu)造及原理測功器由制動器和測力機構(gòu)兩部分組成。制動器結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)子和外殼。外殼可來回擺動，并與測力機構(gòu)通過一制動臂相連。轉(zhuǎn)子和定子組成偶件，工作時發(fā)動機通過萬向節(jié)使轉(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生相對運動。有一定壓力的水通過進水管進入渦殼室，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力及轉(zhuǎn)子渦殼的作用，在側(cè)殼與轉(zhuǎn)子之間形成強烈的水渦流，通過水與外殼的摩擦，使外殼擺動?？刂婆潘y門開度可調(diào)節(jié)水層厚度，水層越厚，水與轉(zhuǎn)子和外殼的摩擦力矩越大，吸收功越多，此時外殼擺動的角度也越大，測力機構(gòu)的讀數(shù)隨之增加。發(fā)動機輸出的機械能被水吸收變?yōu)闊崮懿⑥D(zhuǎn)矩傳遞到外殼上，通過外殼上的制動臂將制動力傳遞給拉壓傳感器，經(jīng)電子顯示裝置顯示制動力的大小。在轉(zhuǎn)子軸兩端錐部安裝有萬向節(jié)4，其中一側(cè)裝有測速齒輪15，通過測速傳感器16，轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速可在數(shù)字顯示表上顯示出來。水力測功器的缺點：測量精度低，不能進行反拖試驗，試驗中能量不能回收。優(yōu)點：價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、便于維修、體積小，用途：可以用于精度要求不高的測試或發(fā)動機耐久性測試。2024/10/13發(fā)動機原理1210/13/202411—底座2—左右軸承座3—轉(zhuǎn)子軸4—萬向節(jié)5—密封組件6—骨架油封7—軸套8、9—雙金屬軸套10—左右軸承外殼11—定子12—轉(zhuǎn)子13—外殼14—封水圈15—測速齒輪16—測速傳感器2024/10/13發(fā)動機原理1310/13/2024測功器特性是指測功器吸收的功率或轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。它是選購合適的水力測功器的依據(jù)。PSI-22型水力測功器特性如右圖所示，其中幾條曲線含義如下：OA——最大功率線。AB——最大轉(zhuǎn)矩線。BC——額定功率線。CD——最大允許轉(zhuǎn)速線。DO——空載特性線。直流電力測功器—構(gòu)造直流電力測功器的工作原理和電機基本相同，其轉(zhuǎn)子和定子都是以磁通作為傳遞媒介進行工作的發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)子在定子磁場中旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流。定子外殼受到的電磁力矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，與發(fā)動機加于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩大小相等。因此，通過外殼擺動角度經(jīng)測力機構(gòu)可反映發(fā)動機輸出功率的大小。在一定轉(zhuǎn)速下，改變定子磁場強度及負載電阻即可調(diào)節(jié)負荷大小。平衡電機既可作為發(fā)電機運行，吸收發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，也可加一換向機構(gòu)作為電動機運行而拖動發(fā)動機，從而測量發(fā)動機的摩擦功率和機械損失，還可起動、磨合。電力測功器機構(gòu)較復(fù)雜，價格昂貴，但它可以回收電能，反拖發(fā)動機，工作靈敏，測量精度高。2024/10/13發(fā)動機原理1410/13/2024OA——最大激磁電流時所能吸收的功率。AB——轉(zhuǎn)子所能承受最大轉(zhuǎn)矩時的功率。BC——電樞所產(chǎn)生的電流不能超過允許限值及其對應(yīng)的最大功率。CD——轉(zhuǎn)子繞組所能承受的離心力及其對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速。DO——激磁電流為零時吸收的功率。圖6-7平衡式電機結(jié)構(gòu)

圖6-8電力測功器特性曲線n/(r/min)Pe/kW10/13/20241—轉(zhuǎn)子2、6—滾動軸承3、5—滑動軸承4—定子外殼7—基座電渦流測功器—構(gòu)造及原理電渦流測功器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、轉(zhuǎn)速范圍和功率范圍寬等特點；這種電渦流測功器是將被測動力機械的功率所產(chǎn)生的渦電流轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，而不能發(fā)出電力反饋電網(wǎng)。同時它也不能作為電動機來反拖動力機械；電渦流測功器的結(jié)構(gòu)簡圖：電渦流制動器工作原理簡圖如圖所示，當給勵磁線圈中通以直流電時，即產(chǎn)生通過外殼、渦流環(huán)、空氣隙和轉(zhuǎn)子盤的磁力線。發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)子盤外周渦流槽的存在，會在空氣隙處產(chǎn)生密度交變的磁力線，因而在渦流環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而形成渦電流。此電流與產(chǎn)生的磁場相互作用即形成一定的電磁力矩，從而使渦流環(huán)（擺動體）偏轉(zhuǎn)一定角度，由測力機構(gòu)可測出力矩數(shù)值。2024/10/13發(fā)動機原理1610/13/2024電渦流測功器的特性O(shè)A——達到額定吸收功率之前所能夠吸收的最大功率線。AB——所允許吸收的最大功率線（額定功率）。BC——允許的最高轉(zhuǎn)速線。CO——空轉(zhuǎn)吸收功率線，即勵磁電流為零時的吸收功率線。OD——達到額定功率前的最大轉(zhuǎn)矩曲線。DE——允許的最大轉(zhuǎn)矩曲線。n/(r/min)Pe/kW,Ttq/(N·m)曲線II發(fā)動機的選用是正確的圖6-10電渦流測功器的特性曲線10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理18三、燃油消耗率的測量燃油消耗率（簡稱耗油率）的測量可分容積法和質(zhì)量法：容積法：通過測定消耗一定容積的燃油所需的時間，通常用于汽油機的油耗測量；計算公式：質(zhì)量法：通過測量消耗一定質(zhì)量的燃油所花費的時間，通常用于柴油機的油耗測量；計算公式：10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理19

1.容積法

試驗時操作如下：

?打開油箱開關(guān)，三通閥處于位置A；

?測量前將三通閥旋至位置B，油箱同時向發(fā)動機和量瓶供油，直到量瓶油面高于選定圓球容積的刻線，將三通閥仍置于位置A等待測量；

?測量時，將三通閥旋至位置C，發(fā)動機直接由量瓶供油，量瓶油面下降，記錄燃油流過所選圓球上下部刻線間容積VT所用時間t，同時測量功率Pe

；

?將量瓶再次充滿燃油（三通閥旋至位置B）后準備下一次測量。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理202.質(zhì)量法

試驗時操作如下：

?打開油箱開關(guān)，三通閥處于位置A；

?測量前將三通閥旋至位置B，油箱同時向發(fā)動機和量杯供油，直到天平接近平衡，將三通閥仍置于位置A等待測量；

?將天平調(diào)平衡；

?測量時，拿去質(zhì)量為m的砝碼。將三通閥旋至位置C，發(fā)動機直接由量杯供油，并開始計時；

?量杯油面下降，直至天平再次平衡。記錄所用時間t，同時測量功率Pe

。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理21四、臺架試驗綜述

臺架試驗內(nèi)容十分廣泛，我國規(guī)定有統(tǒng)一的試驗標準：1984年頒布了機械工業(yè)部汽車發(fā)動機試驗方法的標準（JB3743－84）1987年制定了內(nèi)燃機臺架試驗方法（GB1105.1～1105.3－87）2008年頒布了ISO發(fā)動機功率測量標準體系，重新制定了試驗標準發(fā)動機使用中的最大功率與下列外界因素有關(guān)：

?發(fā)出相應(yīng)功率的持續(xù)時間

?測定時的大氣狀況

?發(fā)動機所帶附件

?進氣管和空氣濾清器阻力、排氣背壓等各標準對上述問題都作了嚴格規(guī)定，并且對測量儀器的精度、重要參數(shù)的測量精度等也有規(guī)定。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理22功率標定

在發(fā)動機銘牌上標定的功率，均為使用中允許的最大功率。國家標準規(guī)定，按用途和使用特點，功率可分為以下三種：

?

超負荷功率：在規(guī)定的環(huán)境狀況下，在按持續(xù)功率運行后，立即根據(jù)使用情況，以一定的使用持續(xù)時間和使用頻次，按照每12h運行1h的運行條件，可以允許發(fā)動機發(fā)出的功率。

?

油量限定功率：在對應(yīng)于發(fā)動機用途的規(guī)定時期內(nèi)，在規(guī)定轉(zhuǎn)速和規(guī)定環(huán)境狀況下，限定發(fā)動機油量，使其功率不能再超出時所能發(fā)出的功率。

?

持續(xù)功率：在制造廠規(guī)定的正常維護保養(yǎng)周期內(nèi)，在規(guī)定轉(zhuǎn)速和規(guī)定環(huán)境狀況下，按照制造廠規(guī)定進行維護保養(yǎng)，發(fā)動機能夠持續(xù)發(fā)出的功率。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理23大氣修正

大氣狀況是指發(fā)動機運行地點的環(huán)境大氣壓力、大氣溫度和相對濕度；同一臺發(fā)動機由于在不同大氣狀況下使用，其性能差別很大。需要規(guī)定一種標準大氣狀況，并且還應(yīng)有一種辦法，把在不同大氣狀況下試驗所得的結(jié)果，換算成標準大氣狀況下的數(shù)值；國家標準（GB21404-2008）規(guī)定了一般用途的往復(fù)活塞式柴油機和汽油機的標準環(huán)境狀況是：

大氣壓p0=100kPa，相對濕度φ0=30％， 空氣溫度T0=298K或T0=25℃。增壓中冷介質(zhì)溫度Tc0=298K或tc0=25℃。10/13/20246.3發(fā)動機負荷特性負荷特性是指發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變，其性能指標隨負荷而變化的關(guān)系；以曲線表示，則稱為負荷特性曲線；當汽車以一定的速度沿阻力變化的道路行駛時，就是這種情況。此時必須改變發(fā)動機油門來調(diào)整有效轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)外界阻力矩的變化，保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變；當轉(zhuǎn)速不變時，有效功率Pe與有效轉(zhuǎn)矩Ttq、平均有效壓力pme互為正比，因此負荷特性橫坐標——負荷可用Pe、Ttq或pme表示；縱坐標主要是每小時燃料消耗量B或燃料消耗率be。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理25一、汽油機負荷特性

汽油機保持某一轉(zhuǎn)速不變，而逐漸改變節(jié)氣門開度（同時調(diào)節(jié)測功器負荷，以保持轉(zhuǎn)速不變），每小時耗油量B和耗油率be隨功率Pe（或轉(zhuǎn)矩Ttq、平均有效壓力pme）變化的關(guān)系稱為汽油機負荷特性；測取前應(yīng)將點火提前角、過量空氣系數(shù)按理想值調(diào)整；測取時應(yīng)按規(guī)定保持冷卻液溫度、潤滑油溫度在最佳狀態(tài)；由于汽油機負荷調(diào)節(jié)是靠改變節(jié)氣門開度來直接改變進入氣缸的混合氣量，?α變化不大，故這種負荷調(diào)節(jié)方法稱為“量調(diào)節(jié)”。10/13/2024圖6-14汽油機的ηit、ηm隨負荷的變化pmeηitηmηit

ηm2024/10/13發(fā)動機原理26汽油機負荷特性曲線

be的變化取決于ηm

和ηi的變化；隨著負荷增加，ηm

和ηi的變化如右圖；逐漸增大節(jié)氣門開度（負荷增加），be迅速下降。當節(jié)氣門開度增至全開度的80％左右，為了保證最大功率，供給α=0.8～0.9的濃混合氣，燃燒不完全，使be又重新上升；汽油機負荷特性實例如右圖：10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理27二、柴油機負荷特性

柴油機保持某一轉(zhuǎn)速不變，而移動噴油泵齒條或拉桿位置，改變每循環(huán)供油量Δb時，每小時耗油量B和耗油率be隨功率Pe（或轉(zhuǎn)矩Ttq、平均有效壓力pme）變化的關(guān)系稱為柴油機負荷特性；測取時，應(yīng)將柴油機的供油提前角、冷卻液溫度、潤滑油溫度等調(diào)整到最佳狀態(tài)；由于柴油機只是改變循環(huán)供油量（空氣量變化不大）來調(diào)節(jié)負荷，因此，也改變了缸內(nèi)混合氣的濃度，即過量空氣系數(shù)?α，這種負荷調(diào)節(jié)方法稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理28柴油機負荷特性曲線

be的變化取決于ηm

和ηi的變化；隨著負荷增加，ηm

和ηi的變化如右圖；逐漸增加供油量，由于ηm迅速上升，be下降；再繼續(xù)增加供油量時，由于過量空氣系數(shù)α的減少，燃燒惡化，不完全燃燒及補燃增加，致使be升高；柴油機負荷特性實例如右圖。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理29三、汽、柴油機負荷特性比較

負荷特性是發(fā)動機的基本特性，用以評價發(fā)動機工作的經(jīng)濟性；由負荷特性可以看出：由于柴油機ηi

較高，be

較汽油機低；汽油機在低負荷區(qū)曲線變化得更快一些，汽油機曲線變化比柴油機陡。即柴油機曲線變化較平坦，經(jīng)濟區(qū)較寬；10/13/20246.4發(fā)動機速度特性發(fā)動機在供油量調(diào)節(jié)機構(gòu)(油量調(diào)節(jié)齒條、拉桿或節(jié)氣門開度，下面簡稱油門)保持不變的情況下，性能指標隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為速度特性；以曲線表示，則稱為速度特性曲線；若駕駛員將油門踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽車行駛速度也會改變，這時發(fā)動機即沿速度特性工作；發(fā)動機轉(zhuǎn)速作為速度特性橫坐標；縱坐標主要有效功率Pe、轉(zhuǎn)矩Ttq、燃油消耗率be、每小時耗油量B等。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理31一、汽油機速度特性

汽油機節(jié)氣門（油門）開度固定不動，其有效功率Pe、轉(zhuǎn)矩Ttq、燃油消耗率be、每小時耗油量B等隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為汽油機速度特性；此時是通過調(diào)整測功器，如逐漸改變水力測功器水量，來改變汽油機的轉(zhuǎn)速；測取前，應(yīng)將點火提前角調(diào)整完好；測取時，應(yīng)按規(guī)定保持冷卻液溫度、潤滑油溫度在最佳狀態(tài)；節(jié)氣門保持全開，所測得的速度特性稱為外特性；節(jié)氣門部分開啟時所測得的速度特性稱部分速度特性。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理32汽油機外特性曲線

Ttq的變化取決于ηm、ηi和ηv/α隨n的變化；be的變化取決于ηm

和ηi的變化；Pe的的變化受Ttq和n的共同影響；隨著轉(zhuǎn)速增加，ηm

、ηi和ηv的變化如右圖；汽油機外特性實例如右圖；汽油機外特性是在節(jié)氣門全開時測得，曲線上每一點表示它在此轉(zhuǎn)速下的最大功率及轉(zhuǎn)矩，代表發(fā)動機最高動力性能。10/13/2024汽油機外特性（續(xù)）外特性因試驗條件不同而有兩種：①發(fā)動機僅帶維持運轉(zhuǎn)所必需的附件時所輸出的校正有效功率稱總功率。例如，試驗時可不裝風扇、打氣泵或空濾器以及消聲器等附件（各國標準均有規(guī)定）。我國發(fā)動機特性數(shù)據(jù)多屬這一種。②試驗時發(fā)動機帶全套附件時所輸出的校正有效功率稱凈功率或使用外特性

汽車發(fā)動機標定功率又稱為額定功率，它是制造廠根據(jù)發(fā)動機具體用途在規(guī)定的額定轉(zhuǎn)速下所規(guī)定的功率。2024/10/13發(fā)動機原理3310/13/20242024/10/13發(fā)動機原理34汽油機部分速度特性曲線

汽車大部分時間是在部分負荷下工作；隨著節(jié)氣門關(guān)小，節(jié)流損失增大，進氣終了的壓力pa下降，從而引起?a下降；隨著轉(zhuǎn)速提高，?a下降的速度更快；節(jié)氣門開度愈小，轉(zhuǎn)矩Ttq隨轉(zhuǎn)速增加而下降得愈快，最大轉(zhuǎn)矩點及最大功率點均向低轉(zhuǎn)速方向移動。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理35二、柴油機速度特性

噴油泵的油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（油門拉桿或齒條）位置固定不動，柴油機性能指標（主要是有效功率Pe、轉(zhuǎn)矩Ttq、耗油率be、每小時耗油量B等）隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為柴油機速度特性；測取時，應(yīng)將供油提前角、冷卻液溫度、潤滑油溫度等調(diào)整在最佳狀態(tài)；當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在標定（或稱額定）功率循環(huán)供油量位置時，測得的速度特性為標定功率速度特性，習慣上亦稱外特性；當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在小于標定功率循環(huán)供油量各個位置時，所測得的速度特性稱為部分速度特性。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理36柴油機標定功率速度特性曲線Ttq的變化取決于ηm、ηi和Δb隨n的變化；be的變化取決于ηm

和ηi的變化；Pe的的變化受Ttq和n的共同影響；隨著轉(zhuǎn)速增加，ηm

、ηi和ηv的變化如右圖；柴油機速度外特性實例如右圖；標定功率速度特性代表該機在使用中允許達到的最高性能。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理37柴油機部分速度特性曲線

隨著油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定位置的減小，循環(huán)供油量Δb減小，但Δb隨n的變化趨勢基本相似；柴油機部分特性Ttq的變化基本與外特性上Ttq平行，即Ttq隨轉(zhuǎn)速變化不大；對于經(jīng)常在部分負荷下工作的汽車發(fā)動機，還應(yīng)作負荷為90％、75％、50％、25％的部分負荷速度特性或作萬有特性。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理38三、轉(zhuǎn)矩特性

汽車拖拉機經(jīng)常會遇到像爬坡這樣阻力突然增大的情況，為減少換檔次數(shù)，要求發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的降低而增加；要求發(fā)動機轉(zhuǎn)矩有適應(yīng)這種變化的能力，衡量指標包括：轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)

轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)

由于油泵速度特性，柴油機轉(zhuǎn)矩曲線平坦，難以滿足汽車拖拉機的工作需要，應(yīng)予以校正。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理391.轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)充分表明發(fā)動機的動力性能，引入轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)μ和適應(yīng)性系數(shù)K的概念：Ttqmax—外特性曲線上的最大轉(zhuǎn)矩（N·m）；Ttq—標定工況（或最大功率）時的轉(zhuǎn)矩（N·m）；

μ或K值大，表明兩轉(zhuǎn)矩之差值大，即隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)矩Ttq增加較快，從而在不換檔的情況下，爬坡能力、克服短期超載能力強；汽油機的μ值在10％～30％范圍，K值達1.2～1.4，可以滿足汽車的使用要求；柴油機轉(zhuǎn)矩曲線平坦，若不予以校正，則μ值在5％～10％范圍，K值只有1.05左右，難以滿足汽車拖拉機的工作需要。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理402.轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)標定工況（或最大功率）時的轉(zhuǎn)速n1與最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速n2之比稱轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)；轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)的大小也影響到克服阻力的潛力；例如，有A、B兩臺發(fā)動機，它們的轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)μ和最大功率時的轉(zhuǎn)速n1相同，但最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)速n2不等，如右圖所示；

發(fā)動機的轉(zhuǎn)速由于外界阻力的增加而下降；發(fā)動機B可以克服外部阻力矩TR2；發(fā)動機A可以克服外部阻力矩TR3；發(fā)動機A比B克服障礙的潛力大；轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)（n1/n2）愈大，在不換檔情況下，發(fā)動機克服阻力的潛力愈強；汽油機轉(zhuǎn)速儲備系數(shù)為1.15～2.O，柴油機在1.5－2.0范圍。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理413.非電控柴油機轉(zhuǎn)矩校正為了防止柴油機的負荷超過冒煙限值，在噴油泵的油量調(diào)節(jié)機構(gòu)上均有一觸止裝置，限制每循環(huán)的最大供油量；最大供油量的調(diào)整必須在最大工作轉(zhuǎn)速工況下進行。如右圖的A點，以避免在其它轉(zhuǎn)速下超過冒煙界限供油量；曲線1為不同轉(zhuǎn)速下冒煙極限時Δb隨n變化的關(guān)系。曲線2是未經(jīng)校正的標定功率供油量曲線。由于油泵速度特性的影響，未校正的柴油機在轉(zhuǎn)速降低時空氣得不到充分利用。曲線3和曲線4為不同油量校正裝置下的循環(huán)供油量Δb隨n變化的關(guān)系。10/13/2024油量校正油量校正裝置的作用是：當發(fā)動機在標定工況下工作時，如果轉(zhuǎn)速因外界阻力矩不斷增加而下降，則噴油泵能自動增加循環(huán)供油量，以增大低速時的轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)。常用的轉(zhuǎn)矩校正方法有兩種：①出油閥式校正機構(gòu)。②附加在調(diào)速器上的彈簧校正機構(gòu)。柴油機中都采用油量校正裝置來改造外特性轉(zhuǎn)矩曲線。10/13/20246.5發(fā)動機排放特性發(fā)動機試驗中，排氣中有害氣體含量首先需要分析的通常是CO、HC和NOx等，對于柴油機還要分析顆粒物（碳煙）的含量和排氣煙度。隨著排放法規(guī)限值越來越嚴格，對汽油機的顆粒物（PM）排放也要分析。發(fā)動機的排放性能不是以特性曲線形式進行評估，而是按規(guī)定的測試工況加權(quán)計算的比排放量或按規(guī)定的行駛循環(huán)累計的整車單位里程的排放量評估的。10/13/2024一、汽油機排放特性1.CO排放特性圖示為汽油機CO比排放量的變化趨勢。圖示表明，在現(xiàn)代車用汽油機常用的部分負荷區(qū)，CO排放較低，這是由于過量空氣系數(shù)φa控制在1.0左右，三效催化轉(zhuǎn)化器可以高效工作，有效降低CO排放。在負荷很低(Pme<0.2MPa)時，為保證燃燒穩(wěn)定，混合氣適當加濃，導(dǎo)致CO排放略有上升。當負荷超過全負荷的95％左右時，由于混合氣顯著加濃，CO的比排放量開始急劇上升(絕對排放濃度和質(zhì)量則上升更快)。10/13/2024一、汽油機排放特性2.HC排放特性圖示為汽油機HC比排放量的變化趨勢。中等負荷比排放量較小，大負荷和小負荷時相對增加。與CO不同之處有兩點：一是全負荷時HC排放增加不如CO嚴重；二是小負荷時HC比排放隨負荷的減小增加得比CO更快。排放規(guī)律不同的原因可用CO和HC生成機理不同來解釋。大負荷時混合氣過濃，主要生成CO，碳氫燃料完全不氧化是不大可能的。HC排放主要來自淬熄等多項因素，每循環(huán)絕對排放量變化不大，它的比排放在負荷增大時應(yīng)下降。在達到全負荷時HC比排放增大，可能是因為排氣中嚴重缺氧，使未燃HC的后期氧化受阻所致；在負荷很小時HC比排放急劇增加。除了因輸出功率減小外，還在于排氣溫度過低，未燃HC后期氧化減弱。10/13/2024一、汽油機排放特性3.NOx排放特性圖為汽油機NOx比排放量的變化趨勢。由圖可見，汽油機NOx的排放特性與CO、HC截然不同。在中等轉(zhuǎn)速以上當轉(zhuǎn)速一定時，NOx比排放隨負荷增大而下降，而且當接近全負荷時下降更快。實際上，在中等負荷區(qū)域，由于燃燒溫度提高，NOx的絕對排放量隨負荷增大而增加，但NOx的增加未與負荷成正比，所以比排放逐漸下降。此外，當負荷一定時，NOx的比排放隨轉(zhuǎn)速升高而增大，而絕對排放量增加更快。由此可知，轉(zhuǎn)速上升造成的燃燒溫度提高，促進NOx的生成，這一影響要超過反應(yīng)時間下降的影響。10/13/2024一、汽油機排放特性4.PM排放特性汽車尾氣中的顆粒物按照粒徑一般可以分為兩類：核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物。一般認為粒徑小于30nm的顆粒物稱為核態(tài)顆粒物，而粒徑≥30nm的顆粒物稱為積聚態(tài)顆粒物。對發(fā)動機排氣顆粒物的濃度和粒徑分布的測量分析主要是采用一些成套的分析儀器，如顆粒物快速采樣分析儀（DMS500）、掃描遷移顆粒粒徑分析儀（SMPS）、靜電低壓沖擊儀（ELPI）、懸浮粒子電子分析儀（EAA）和冷凝核計數(shù)儀（CNC）等。歐洲顆粒物測量程序提出了一套汽車顆粒物測試的方法和規(guī)范，并運用于歐洲汽車排放法規(guī)中。影響GDI發(fā)動機顆粒物排放的因素很多，如噴油時刻、噴油壓力、點火提前角、空燃比、冷卻液和機油溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷等。10/13/2024一、汽油機排放特性圖為采用DMS500顆粒物快速采樣分析儀得到的進氣道噴射（PFI）汽油機和缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機在1500r/min，不同負荷下的顆粒物數(shù)量及粒徑分布特性。如圖所示，在不同負荷下，PFI汽油機的顆粒物排放呈現(xiàn)明顯的核態(tài)和積聚態(tài)顆粒物共存的雙峰分布特性，而且核態(tài)顆粒物數(shù)量所占總顆粒物數(shù)量的比重較大。與PFI汽油機相比，GDI汽油機的顆粒物排放也表現(xiàn)出類似的雙峰分布特性，但核態(tài)顆粒物所占的比例有所下降。10/13/2024PFI汽油機PM排放特性

GDI汽油機PM排放特性

一、汽油機排放特性不同負荷下的顆粒物數(shù)量及粒徑分布特性PFI和GDI車用汽油機的顆粒物總數(shù)量對比外特性和速度特性下總顆粒物數(shù)濃度二、柴油機排放特性1.CO排放特性柴油機在整個工況范圍內(nèi)排放的CO均很少，在絕大多數(shù)工況下CO比排放量小于5g/(kW·h)，而汽油機CO比排放量一般為20～100g/(kW·h)，比柴油機大10～20倍。對于柴油機，CO比排放也是中速中負荷工況最少。接近全負荷時，部分燃油因與空氣混合不足而缺氧，造成CO排放急劇增大。當柴油機轉(zhuǎn)速很低，由于燃燒室內(nèi)氣流運動過弱，混合氣形成不均，不完全燃燒產(chǎn)物CO較多。柴油機負荷很小時，單位功率的CO排放量增大。10/13/2024二、柴油機排放特性2.HC排放特性柴油機的HC排放比汽油機低得多，平均來說，后者約為前者的2～4倍。柴油機的HC比排放基本上隨負荷的增大而下降，而絕對排放量大致不變。這是由于柴油機HC排放有很大一部分決定于噴嘴的后滴，絕對量與負荷無關(guān)。當負荷不變而轉(zhuǎn)速變化時，HC比排放變化不大。10/13/2024二、柴油機排放特性3.NOx排放特性柴油機在中等偏大負荷時NOx比排放最大，因為這時燃燒溫度高，而且燃氣中含氧很多。負荷再加大，則含氧相對減少，NOx排放量不再增加甚至略有減少。在中等負荷區(qū)，當負荷不變而轉(zhuǎn)速提高到中高轉(zhuǎn)速時，NOx比排放不斷增大，說明NOx絕對排放量增加更快。在小負荷區(qū)域，NOx比排放大致不隨轉(zhuǎn)速變化，絕對排放量基本上與轉(zhuǎn)速成正比。10/13/2024二、柴油機排放特性4.PM排放特性對柴油機顆粒物的排放有重要影響的因素很多，如噴油壓力、噴油時刻及次數(shù)、外部EGR、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷等。燃料中的硫含量是影響發(fā)動機顆粒物排放的重要原因。10/13/2024二、柴油機排放特性對于不同的燃油，顆粒物最小比排放率均出現(xiàn)在中等負荷條件。在低負荷條件下，低的缸內(nèi)溫度導(dǎo)致發(fā)動機較低的燃油熱效率，進而導(dǎo)致較高的顆粒物比排放率。在較高負荷條件下，顆粒物比排放率迅速上升，這是由于顆粒物主要由干碳煙、可溶性有機物和硫酸鹽組成，其中干碳粒是排氣顆粒最主要的成分，并且大部分的干碳煙是在擴散燃燒階段產(chǎn)生的。發(fā)動機高負荷所增加的燃油消耗主要用于擴散燃燒，故比排放率在高負荷條件下顯著上升。10/13/2024二、柴油機排放特性采用DMS500顆粒物快速采樣分析儀得到的某高壓共軌柴油機在1500r/min，不同負荷下的顆粒物數(shù)量及粒徑分布特性AVL498顆粒計數(shù)器對某柴油機進行ESC試驗13工況的PN排放試驗結(jié)果6.6發(fā)動機調(diào)整特性發(fā)動機的調(diào)整特性一般包括汽油機點火提前角調(diào)整特性、柴油機噴油提前角調(diào)整持性和柴油機調(diào)速特性，其中，汽油機點火提前角調(diào)整特性在第四章已介紹,本章不再贅述。10/13/2024一、柴油機噴油提前角調(diào)整持性在柴油機轉(zhuǎn)速和噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置不變的條件下，柴油機有效功率和有效燃油消耗率隨噴油提前角的變化關(guān)系，稱為噴油提前角調(diào)整特性

10/13/2024一、柴油機噴油提前角調(diào)整持性

對應(yīng)每一種工況，均有一最佳的噴油提前角θ0，此時，有效功率最大，有效燃油消耗率最低。增加噴油提前角過大時，由于燃料將噴入壓力和溫度都不高的空氣中，著火延遲期增長，導(dǎo)致速燃期的壓力升高率過大，造成柴油機工作粗暴，使Pe下降和be增加。噴油提前角過小時，燃燒推遲到膨脹過程中進行，因而使壓力升高率降低，最高壓力大大降低，同時排氣溫度升高，熱損失增加，熱效率顯著下降，也使Pe下降和be增加。10/13/2024一、柴油機噴油提前角調(diào)整持性

柴油機在一定負荷下以不同轉(zhuǎn)速工作時，其最佳噴油提前角也是不同的，一般應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的提高，適當增大噴油提前角。為滿足上述要求，在傳統(tǒng)的柴油機燃料供給系中，通常裝有離心式噴油角提前器。采用柴油機電控技術(shù)，能根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速和負荷的變化，及時并準確地控制噴油提前角，從而使柴油機的性能達到最佳。10/13/2024二、柴油機裝置調(diào)速器的必要性

發(fā)動機穩(wěn)定工作的條件是其發(fā)出的轉(zhuǎn)矩與外界阻力矩相等，如左圖中的A點。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線能隨轉(zhuǎn)速增加而迅速下降，則當外界阻力矩有暫時變化時，這種曲線便具有自動保持穩(wěn)定工作的能力，如果轉(zhuǎn)矩曲線變化平緩，甚至微微上傾，則在阻力變化急劇時，理論上雖可恢復(fù)穩(wěn)定工作，實際上轉(zhuǎn)速變化很大，恢復(fù)穩(wěn)定也慢，難以滿足正常工作的需要（右圖）。這樣曲線實際上不具備自動保持穩(wěn)定工作的能力。由速度特性曲線可知，汽油機工作穩(wěn)定性好，而柴油機頗差。10/13/2024二、柴油機裝置調(diào)速器的必要性汽車發(fā)動機還經(jīng)常遇到負荷突變的情況，就可能引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速很快上升，甚至超過允許的限度，即所謂飛車。對柴油機來說，超速很危險，因轉(zhuǎn)矩曲線平坦，使轉(zhuǎn)速大幅度上升，循環(huán)供油量又隨轉(zhuǎn)速增高而加大，混合氣變濃，工作過程惡化，排氣冒黑煙，零件過熱，同時由于運動機件較重，超速時產(chǎn)生很大的慣性力，可能引起零件損壞。因此，柴油機上必須有防止超速的裝置。汽車低速空轉(zhuǎn)時，噴油泵只供給很少的燃油，這些燃油發(fā)出的能量只能克服發(fā)動機本身運轉(zhuǎn)的機械損失，這時發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性主要取決于發(fā)動機機械損失與氣缸內(nèi)發(fā)出指示功之間的相互配合關(guān)系。柴油機由于每循環(huán)供油量是隨轉(zhuǎn)速增加而略有增加，因而pmi也隨之稍有增加。不難看出，如果pm稍有變化，會引起轉(zhuǎn)速很大的波動，柴油機極易熄火或過速，因此必須有保證怠速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的裝置。總之，為了怠速穩(wěn)定和高速不飛車，在柴油機上必須裝置調(diào)速器。調(diào)速器可以根據(jù)外界負荷的變化，通過轉(zhuǎn)速感應(yīng)元件，自動調(diào)節(jié)噴油泵供油量，使柴油機轉(zhuǎn)速保持在極小的變化范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。10/13/2024三、全程式調(diào)速器的調(diào)速特性

柴油機裝置全程式調(diào)速器后，在所有的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，調(diào)速器都能根據(jù)外界負荷的變化，通過轉(zhuǎn)速感應(yīng)元件，自動調(diào)節(jié)噴油泵供油量，保證在駕駛員選定的任何轉(zhuǎn)速下，使柴油機在極小的轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。在礦區(qū)、林區(qū)、大型建筑工地使用的車輛，所遇到的行駛阻力變化很大，這類車輛宜采用全程式調(diào)速器。調(diào)速特性一般有兩種表達形式，一種以負荷作為橫坐標，相當于負荷特性的形式；另一種方式是以轉(zhuǎn)速為橫坐標的調(diào)速特性，相當于速度特性的形式。10/13/2024三、兩極調(diào)速器的調(diào)速特性

兩極調(diào)速器只在柴油機最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速時起作用，以防止怠速熄火和高速飛車。調(diào)速器在中間轉(zhuǎn)速不起作用，由駕駛員根據(jù)需要直接操縱油量調(diào)節(jié)機構(gòu)來控制。只有在最低轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速附近兩個很小的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在調(diào)速器的作用下，使柴油機的轉(zhuǎn)矩曲線產(chǎn)生急劇變化；在中間轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，調(diào)速器不起作用，轉(zhuǎn)矩曲線按速度特性變化。對于兩極式調(diào)速器，駕駛員直接操縱油泵齒條，達到新平衡點的加速度小，反應(yīng)快，加速性能好，操縱方便，所以除重型汽車外，一般汽車上常用兩極式調(diào)速器。10/13/2024四、調(diào)速器的工作指標

（1）調(diào)速率調(diào)速器的工作好壞，通常用調(diào)速率來評定。根據(jù)測定條件不同，調(diào)速率可分穩(wěn)定調(diào)速率和瞬時調(diào)速率兩種。1）穩(wěn)定調(diào)速率δ2穩(wěn)定調(diào)速率表明柴油機實際運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速波動相對于全負荷轉(zhuǎn)速的變化范圍。2）瞬時調(diào)速率δ1。它是評定調(diào)速器過渡過程的指標。（2）不靈敏度調(diào)速器工作時，調(diào)速系統(tǒng)中有摩擦存在，需要有一定的力來克服摩擦，才能移動調(diào)整油量機構(gòu)。10/13/20246.7發(fā)動機萬有特性負荷特性和速度特性只能表示某一轉(zhuǎn)速或某一齒條位置（或節(jié)氣門開度）時發(fā)動機參數(shù)間的變化規(guī)律；汽車、拖拉機的工況變化范圍很廣，要分析各種工況下的性能就需要許多張負荷特性或速度特性圖，這樣做極不方便；為了能在一張圖上較全面地表示發(fā)動機的性能，經(jīng)常應(yīng)用多參數(shù)的特性曲線，稱為萬有特性；萬有特性是以轉(zhuǎn)速為橫坐標，以平均有效壓力（或轉(zhuǎn)矩）為縱坐標，在圖上畫出許多等耗油率曲線和等功率曲線，根據(jù)需要還可以畫出等過量空氣系數(shù)曲線、等進氣管真空度曲線、冒煙極限等。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理66汽油機萬有特性10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理67萬有特性等耗油率曲線的制取

將不同轉(zhuǎn)速的負荷特性以pme為縱坐標，be為橫坐標，用同一比例尺畫在一張坐標圖上；在萬有特性圖的橫坐標軸上，以一定比例標出轉(zhuǎn)速數(shù)值。縱坐標pme的比例應(yīng)與負荷特性pme的比例相同；將負荷特性圖橫放在萬有特性圖左方，并將與負荷特性曲線上耗油率be相等的各點移至萬有特性圖中，標上記號，再將be值相等的各點連成光滑曲線，即等耗油率線；各條等燃油消耗率曲線是不能相交的。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理68汽、柴油機萬有特性(經(jīng)濟性)比較

柴油機的最低油耗值較小，而且經(jīng)濟區(qū)范圍較寬（負荷特性）；汽油機經(jīng)濟區(qū)偏上，處于較高負荷區(qū)；經(jīng)濟區(qū)在萬有特性圖的移動。10/13/20242024/10/13發(fā)動機原理69萬有特性的對比首先，汽油機的燃油消耗率比柴油機高；其次，汽油機的最經(jīng)濟區(qū)域處在偏上的位置，即高負荷區(qū)，隨負荷降低，油耗增加較快，而柴油機的最經(jīng)濟區(qū)則比較適中，負荷改變時經(jīng)濟性能變化不大。由于車用汽油機常在較低負荷下工作，燃油消耗率較大，故其使用經(jīng)濟性能不佳。