1、学习目标,了解发动机性能指标。 掌握发动机速度特性、负荷特性曲线。 了解柴油机调速特性。 掌握发动机万有特性。,第1章 发动机基础理论,1.1 发动机性能指标,第1章 发动机基础理论,建立发动机性能指标是为了便于评价其质量。发动机性能指标有两种：一种是以工质对活塞作功为基础的性能指标，简称指示指标，具体有：平均指示压力pi、指示功率Pi、指示燃油消耗率gi和指示热效率i。指示指标不受动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等各种外来因素的影响，直接反映由燃烧到热功转换的工作循环进行的好坏，因而在工作过程的分析研究中得到广泛的应用。另一种是以曲轴输出功率为基础的性能指标，简称有效指标。有效指标被用来直接
2、评定发动机实际工作性能的优劣，因而在生产实践中获得广泛的应用。发动机有效指标包括动力性指标和经济性指标两类，本节主要介绍发动机有效指标。,1.1.1发动机的动力性指标,1.有效功率发动机曲轴上输出的功率叫有效功率Pe，由发动机台架试验得出，它总是小于指示功率Pi。因为在指示功率的机内传输过程中，不可避免地有机械损失，这些损失包括发动机内部运动件的摩擦损失、驱动附属机构的损失及泵气损失等，机械损失所消耗功率的总和称为机械损失功率Pm。因此，有效功率Pe为， kW （1-1）为了表明由于机械损失使发动机有效功率减少的程度，引入机械效率m的概念。它等于发动机有效功率与指示功率的比值。（1-2） 机械
3、效率值越高，则发动机性能越好。,第1章 发动机基础理论,1.1.1发动机的动力性指标,2.有效转矩发动机曲轴输出的转矩称为有效转矩Me，可由测功器测得。根据所测得的有效转矩Me（Nm）和发动机转速n（r/min），可以得出有效功率Pe，即kW (1-3)或： Nm (1-4),第1章 发动机基础理论,1.1.1发动机的动力性指标,3.平均有效压力 发动机单位气缸工作容积输出的有效功，称为平均有效压力pe。其表达式为：， kPa （1-5） 式中：Vh 气缸工作容积，L。 设一台发动机的缸数为i，气缸工作容积为Vh（L），转速为n（r/min），平均有效压力为pe（kPa）。则发动机有效功率为，
4、kW （1-6） 式中：发动机的冲程数，（四冲程4。二冲程2）。 或 ，kPa （1-7） 通过Pe与Me之间的关系，pe还可写成，kPa （1-8） 发动机有效功率、有效转矩、平均有效压力越大，动力性越好。,第1章 发动机基础理论,1.1.2发动机经济性指标,1.有效燃料消耗率有效燃料消耗率ge是单位有效功的耗油量。通常以每千瓦小时有效功的耗油量表示，以g/（kWh）为单位。有效燃料消耗率按下式计算：，g/kW h （1-9）式中：GT 发动机每小时耗油量，kg/h。2.有效热效率 有效热效率e是发动机实际循环的有效功与所消耗燃料的热量之比。（1-10） 式中：Q1为得到有效功所消耗的热量，
5、kJ；We发动机的有效功，kJ。 1kWh的能量为3600kJ，而完成1kWh的功所需要消耗的热量为geH/1000（kJ），H为燃料低热值（kJ/kg），则有效热效率为：（1-11） 发动机有效燃料消耗率越小、有效热效率越高，经济性越好。,第1章 发动机基础理论,1.2 发动机特性,第1章 发动机基础理论,发动机的性能指标随发动机调整情况和运转工况而变化的关系称为发动机特性。其中性能指标随调整情况变化的关系称调整特性；性能指标随运转工况变化的关系称为性能特性。发动机特性通常用曲线表示,称为发动机特性曲线。通过特性曲线可以分析在不同使用工况下，发动机特性变化的规律及影响因素，评价发动机性能，从
6、而提出改善发动机性能的途径。,1.2 发动机特性,第1章 发动机基础理论,发动机随使用工况的不同，它发出的功率和转矩不同。实际上，有效燃料消耗率ge、有效热效率e、平均有效压力pe及其它工作过程参数也将随之变化。,1.2.1发动机负荷特性,发动机负荷特性表示发动机在某一转速下，燃油经济性指标及其它参数随负荷（可用功率Pe、转矩Me或平均有效压力pe等表示）的变化关系。1.汽油机负荷特性点火提前角最佳、化油器调整完好的情况下，保持汽油机转速一定，每小时耗油量GT、有效燃料消耗率ge随负荷而变化的关系，称为汽油机负荷特性。汽油机的负荷调节方法称为“量调节”。即靠改变节气门开度，从而改变进入气缸的混
7、合气数量来适应负荷变化。,第1章 发动机基础理论,1.2.1发动机负荷特性,由图可知，每小时耗油量GT随发动机负荷增大而增加，大负荷时由于混合气加浓上升更快。而有效燃料消耗率ge随负荷增大逐渐减小，在小负荷区域减小得快（曲线陡），在大负荷区域减小得缓慢（曲线平缓），在接近全负荷时，有效燃料消耗率ge又有所增大。,第1章 发动机基础理论,1.2.1发动机负荷特性,2.柴油机负荷特性柴油机转速一定，每小时耗油量GT、有效燃油消耗率ge随负荷而变化的关系称柴油机的负荷特性。转速一定时，进入气缸的空气量不变，改变负荷相应改变的是每循环供油量g，使混合气成分变化。因此，柴油机是通过改变混合气的过量空气系
8、数（浓度）来适应负荷的变化。其负荷调节方法称为“质调节”。柴油机负荷特性中的GT、ge曲线变化趋势与汽油机一致。 有效燃料消耗率ge曲线中,1点达最低，2点为冒烟界限。,第1章 发动机基础理论,1.2.1发动机负荷特性,3.负荷特性曲线的特点 （1）负荷特性是发动机的基本特性。常用它评价发动机工作的经济性。根据需要可测定发动机不同转速下的负荷特性，其特点是转速变化时各条负荷特性曲线的变化趋势相同，只是各条曲线的路径不同。 （2）负荷特性可反映发动机工作的经济性。希望发动机经常处于或接近耗油率低、负荷较大的经济区域运行，因此应注意提高发动机的功率利用率。如在选配发动机时，应注意在满足发动机要求的
9、前提下，不宜装功率过大的发动机。 （3）由负荷特性可以看出：低负荷时，耗油率很高，经济性差，同一转速下最低耗油率gemin愈小、曲线变化愈平坦，经济性愈好。柴油机gemin比汽油机低1030，而且燃料消耗率曲线比较平坦。相比之下，柴油机经济性较好。,第1章 发动机基础理论,1.2.2发动机速度特性,发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的速度特性。 1.汽油机速度特性 汽油机节气门开度固定不动，点火提前角最佳及化油器调整完好（汽油喷射式发动机燃料供给系统及进气系统工作正常）情况下，有效功率Pe、扭矩Me。、燃油消耗率ge随转速n变化的关系称为汽油机的速度特性。节气门全开时的速度特性称为外特性
10、。节气门部分打开时的速度特性称为部分负荷速度特性。 （1）外特性 有效转矩Me曲线：汽油机外特性上Me曲线为一上凸形状，在某一转速下达到最大值，然后随之下降，且下降程度随转速升高而加快，曲线变化较陡。 有效功率Pe曲线：Pe曲线也是一上凸形状，某一转速下具有最大值。 有效燃料消耗率ge曲线：ge为一下凹曲线，某一转速下达最小。,第1章 发动机基础理论,1.2.2发动机速度特性,（2）部分负荷速度特性 如右图为EQ6100汽油机速度特性。 由图可知，部分负荷速度特性与外特性变化趋势相同。部分负荷速度特性上的Me、Pe值均低于外特性值，负荷越小，数值越小，且最大功率、最大转矩点向低速方向移动。 g
11、e曲线以节气门80左右开度时为最低。,第1章 发动机基础理论,1.2.2发动机速度特性,2.柴油机速度特性 喷油泵油量调节机构（供油拉杆或齿条）位置固定不动，柴油机性能指标（有效功率Pe、扭矩Me、燃油消耗率ge、每小时耗油量GT）随转速n变化的关系称为柴油机速度特性。当油量调节机构固定在标定循环供油量位置时的速度特性称为柴油机外特性。当油量调节机构固定在小于标定循环供油量位置时的速度特性称为柴油机部分负荷速度特性。 （1）外特性 由图可知，柴油机Me曲线也是一上凸形状，但变化平坦，使得Pe曲线在一定转速范围内几乎随转速成正比增加。ge曲线也是一条凹形线，也比汽油机平坦。,第1章 发动机基础理
12、论,1.2.2发动机速度特性,（2）部分负荷速度特性随油量调节机构位置向减少供油量方向移动时，循环供油量减少，使部分负荷速度特性的功率Pe、转矩Me值均低于外特性。但随着负荷减小，循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特性的Pe、Me曲线是随着负荷的减小，大致平行下移。耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。,第1章 发动机基础理论,1.2.2发动机速度特性,3.转矩储备系数转矩储备系数是评定发动机适应外界阻力矩变化能力的指标，其值为：（1-12）式中：Memax 全负荷速度特性上的最大转矩，Nm；MB 标定工况下的转矩，Nm。值愈大，
13、随转速降低，转矩增长愈快，发动机克服短期超负荷的能力愈强，能适应阻力波动较大的工作情况，且最大转矩Memax对应的转速nM愈低，汽车在不换档的情况下，发动机克服阻力的潜力愈强。汽油机Me曲线陡，在1030之间，当外界阻力变化（增或降）引起发动机转速改变（降或增）时，能自动使输出转矩改变（增或降）以适应这种变化，保证发动机稳定工作。柴油机Me曲线变化平坦，只有510的范围，当遇到负荷突变时，不能稳定工作。,第1章 发动机基础理论,1.2.2发动机速度特性,4.汽、柴油机速度特性曲线的对比经对汽油机和柴油机外特性比图可以看出汽、柴油机速度特性的主要区别是：（1）汽油机Me线总体上向下倾斜较大，低负
14、荷时倾斜更大；而柴油机Me线总体变化平坦，这种差别引起了两种机型在负荷急剧变化时工作稳定性的巨大差异。（2）汽油机Pe外特性曲线的最大值点，一般就是标定功率点；而柴油机可达到的最大值点的转速很高，所以标定点并非该特性线的极值点。（3）柴油机燃料消耗率ge曲线比汽油机平坦，低负荷时更是如此。,第1章 发动机基础理论,1.2.3柴油机的调速特性,1.柴油机装调速器的必要性 理论上柴油机喷油泵每个工作循环的供油量主要取决于供油拉杆的位置，当供油拉杆位置一定时，每一循环的供油量应不变，但实际上，供油量还受到发动机转速的影响。柱塞式喷油泵即使在供油拉杆位置不变时，随着发动机转速的增加，供油量也略有增加，
15、这一特性称为喷油泵速度特性，由此使得柴油机转矩曲线的形状与汽油机不同。 发动机转矩曲线的形状决定了发动机工作的稳定性。汽油机由于转矩储备系数大，适应能力强，能保证汽油机稳定工作。而柴油机的转矩曲线变化平坦，转矩储备系数小，一旦卸去负荷，转速会大大超过标定转速。同时循环供油量也随之增加，导致排气冒烟严重，零件过热。又由于柴油机机件笨重，超速时的惯性力较大，容易造成零件损坏。因此柴油机要装调速器以防高速飞车，保证工作的稳定。 汽车发动机经常在怠速工况下运转，如果此工况不稳，发动机将经常熄火或转速不断增加。汽油机怠速运转稳定的主要原因是：假如发动机pm下降，汽油机由于节气门开度很小，节流损失大，使p
16、i随n增加而迅速下降。而柴油机的情况则不同，即使供油拉杆在最小供油量位置，由于喷油泵的速度特性，也使每循环供油量随转速的增加而增加，使pi增加。所以，pm稍有变化，转速波动很大，很容易使柴油机熄火。因此，柴油机需装调速器，以保证怠速运转的稳定。,第1章 发动机基础理论,1.2.3柴油机的调速特性,2.柴油机调速特性 柴油机可根据需要装用两级式或全程式调速器。在调速器起作用时，柴油机主要性能指标随转速或负荷变化的关系，称为柴油机调速特性。 （1）柴油机带两级式调速器的调速特性 车用柴油机一般采用两级式调速器。调速器在怠速与标定转速附近起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车。中间转速调速器不起作用
17、，由驾驶员通过加速踏板控制供油量。其调速特性如图所示。 假如柴油机沿部分特性3工作，外界阻力矩增加时，发动机转速将会降低，发动机转矩沿曲线3变化，略有增加。若发动机转矩仍小于外界阻力矩，发动机转速会继续降低，若转速降至略低于怠速转速，调速器的怠速弹簧起作用，使循环供油量增加，转矩曲线上升，与外界阻力矩达到一个新的平衡，发动机转速略低于负荷增加前的转速，避免了柴油机熄火。 沿部分特性3工作时，若外界阻力矩减小，柴油机转速超过标定转速时，调速器自动起作用，使循环供油量减少，发动机转矩曲线迅速降低，和外界阻力矩达到一个新的平衡，柴油机转速略高于外界阻力减小前的转速，防止了超速。,第1章 发动机基础理
18、论,1.2.3柴油机的调速特性,（2）柴油机带全程式调速器的调速特性 工程机械、矿山机械等用柴油机一般装用全程式调速器。柴油机由最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用。柴油机带全程式调速器的调速特性如图所示。调速手柄的位置一定，调速弹簧便具有一定的预紧力。负荷变化时，调速器起作用，保证柴油机在转速近乎不变的情况下稳定运转。例如，柴油机在某一工况下稳定运转。如果外界阻力矩增加，则转速下降，调速器使循环供油量增加，柴油机转矩沿某一条调速特性曲线迅速增加，直至与外界阻力矩平衡，而转速变化不大。如果外界阻力矩减小，则使循环供油量减少，柴油机转矩沿某一调速特性曲线迅速减小，直至与外界阻力矩达到新
19、的平衡为止。 综上所述，由于调速器的作用，柴油机的转矩曲经形状得到改善，在转速微小的变化范围内，转矩曲线可以急剧地变化，由零到最大，或由最大到零，对外界阻力矩的较大变化，有较好的适应性。保证柴油机在任一选定的转速下稳定运转，如果需要改变柴油机的转速，只要改变加速踏板的位置，从而改变调速弹簧的预紧力即可实现。,第1章 发动机基础理论,1.2.4发动机万有特性,由于发动机的负荷特性和速度特性只能表示在某一确定转速或某一确定节气门开度（或油门拉杆位置）下运行时发动机的性能变化规律。而汽车发动机经常在变速变负荷下工作，工况范围比较宽广，为了全面评价发动机在所有使用工况内的性能，还需作多参数的特性试验即
20、万有特性试验。通过万有特性曲线，可以查出发动机任何工况下的性能指标。1.定义万有特性就是在一张图上用多参数的特性曲线较全面地表示发动机的性能，通常以转速n为横座标，以转矩Me或平均有效压力pe为纵座标，在图上画出许多等油耗ge曲线和等功率Pe曲线。,第1章 发动机基础理论,1.2.4发动机万有特性,根据万有特性，可以看出发动机在任何转速与负荷运行时的经济性。最内层的等油耗曲线相当于最经济的区域，曲线越向外，经济性越差。等油耗曲线的形状及分布情况对发动机的使用经济性有重要影响，若等油耗曲线在横座标方向较长，则表示发动机在转速变化较大而负荷变化较小的情况下工作时，经济性较好；若在纵座标方向较长，则
21、表示发动机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，燃料消耗率较小。对于车用发动机，希望最经济区域最好位于万有特性的中间位置，ge曲线沿横座标方向长一些，使常用转速和负荷落在最经济区域内。,第1章 发动机基础理论,1.2.4发动机万有特性,2.万有特性的应用 （1）由万有特性可以方便地查到发动机在任何点（Me、n）工作时的Pe、ge、pe或发动机在任何点（Pe、n）工作时的Me、ge、pe，以及发动机最经济的负荷和转速。 （2）由等燃料消耗率曲线的形状及分布情况可以分析发动机的使用经济性。 （3）某些改进与研究性试验时，为保证发动机与传动系的合理匹配，将常用档位下常用阻力曲线（折算成pe值）绘于万有特性上，可以一目了然地看出汽车的常用工作区是否与发动机的经济油耗区接近，以判断改进效果。 （4）可以用万有特性评价发动机排放污染情况。将发动机有害排放物随负荷和转速变化的关系画在万有特性上，从而反映发动机在某一工况下的燃烧与混合气形成情况。图1.10为柴油机有害排放物的万有特性。 （5）可以结合传动系参数绘制整车万有特性，由此可以确定各档位、各种坡度、不同车速下的经济性和动力性。,第1章 发动机基础理论,
