第11章 發(fā)動(dòng)機(jī)特性
內(nèi)容提要
1.發(fā)動(dòng)機(jī)特性與特性曲線的含義、分類與意義
2.發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性的含義、分類與曲線
3.發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性
4.發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性
5. 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性
6. 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速特性
7. 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的校正 |
11.1基本概念
全面了解發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下的性能指標(biāo)的變化,對(duì)合理使用、檢查與維修發(fā)動(dòng)機(jī),都有很強(qiáng)的適用價(jià)值。
11.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)特性與特性曲線
圖11-1 發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線
(Audi 2.4L5氣門V6汽油機(jī)外特性) |
1.發(fā)動(dòng)機(jī)特性 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)隨調(diào)整情況及運(yùn)轉(zhuǎn)情況而變化的關(guān)系稱為發(fā)動(dòng)機(jī)特性。發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)主要有功率、轉(zhuǎn)矩、燃料消耗率、排氣溫度、排氣煙度等;調(diào)整情況主要指柴油機(jī)的供油提前角、汽油機(jī)的點(diǎn)火提前角、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料等可調(diào)因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響;運(yùn)轉(zhuǎn)情況一般指發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷等。
2.特性曲線 為了直觀顯示發(fā)動(dòng)機(jī)的特性,常以曲線形式表示,稱為發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線。圖11-1為Audi(奧迪) 2.4L四缸5氣門汽油機(jī)的外特性曲線。
3.發(fā)動(dòng)機(jī)特性分類
發(fā)動(dòng)機(jī)特性分調(diào)節(jié)特性和性能特性兩大類。
(1)調(diào)節(jié)特性 指發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)隨調(diào)節(jié)情況而變化的關(guān)系。如柴油機(jī)的供油提前角調(diào)節(jié)特性、汽油機(jī)的點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)特性、汽油機(jī)的燃料調(diào)節(jié)特性等。
(2)性能特性 指內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)隨運(yùn)行工況而變化的關(guān)系。如負(fù)荷特性、速度特性、調(diào)速特性、萬(wàn)有特性、螺旋槳特性等。
圖11-2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)
1-發(fā)動(dòng)機(jī) 2-數(shù)顯水溫表 3-數(shù)顯油壓表 4-數(shù)顯排溫表 5-油門執(zhí)行器 6-轉(zhuǎn)速表 7- 負(fù)荷表 8-水門執(zhí)行器 9-水溫傳感器 10-油壓傳感器 11-排溫傳感器 12-氣缸壓力傳感器 13-油壓傳感器 14-針閥升程儀 15-電荷放大器 16-電荷放大器 17-霍爾針閥傳感器 18-示波器 19-水力測(cè)功器 20-轉(zhuǎn)角信號(hào)發(fā)生器 21-電荷放大器 22-A/D轉(zhuǎn)換板 23-微機(jī) 24-打印機(jī) 25-顯示器 |
11.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)特性的制取
發(fā)動(dòng)機(jī)特性需在專門的試驗(yàn)臺(tái)(俗稱發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架)上進(jìn)行,圖11-2顯示了帶水力測(cè)功器的試驗(yàn)臺(tái)的基本組成。它可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況,使其在要求的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下工作,并可以同步測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的功率、燃料消耗、廢氣排放、氣缸壓力等性能參數(shù)。
發(fā)動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn),國(guó)家已有標(biāo)準(zhǔn),需按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在規(guī)定的條件下進(jìn)行。
11.2 發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性
發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的正確調(diào)整、使用與維修關(guān)系密切,值得重視。
11.2.1 柴油機(jī)供油提前角調(diào)節(jié)特性
圖11-3 柴油機(jī)供油提前角調(diào)節(jié)特性曲線 |
它是指在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定和油量控制機(jī)構(gòu)(如噴油泵的供油拉桿)位置一定條件下,其功率、燃料消耗率等性能指標(biāo)隨供油提前角變化而變化的關(guān)系。
圖11-3為柴油機(jī)供油提前角調(diào)節(jié)特性曲線。由曲線可見,隨著供油提前角θ的改變,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與燃料消耗率也隨著變化。對(duì)應(yīng)于**大功率和**小燃料消耗率的供油提前角即為**佳供油提前角。發(fā)動(dòng)機(jī)使用維修時(shí),應(yīng)注意按照使用說(shuō)明書要求,檢查調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)**佳供油提前角。
**佳供油提前角是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化的,它一般由供油提前角自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置來(lái)控制。對(duì)于電控柴油機(jī),則由ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況精確控制。
11.2.2 汽油機(jī)點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)特性
它是指在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度一定條件下,其功率、燃料消耗率等性能指標(biāo)隨點(diǎn)火提前角變化而變化的關(guān)系。
φα-過(guò)量空氣系數(shù) α-空燃比 |
圖11-4 汽油機(jī)燃料調(diào)整特性曲線 |
點(diǎn)火提前角調(diào)整特性曲線形式與柴油機(jī)類似(圖11-3),可將θ視為點(diǎn)火提前角??梢?,隨著點(diǎn)火提前角的改變,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與燃料消耗率也隨著變化。對(duì)應(yīng)于**大功率和**小燃料消耗率的點(diǎn)火提前角即為**佳點(diǎn)火提前角。
11.2.3 汽油機(jī)的燃料調(diào)節(jié)特性
是指在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定, 節(jié)氣門開度一定條件下,其功率、燃料消耗率等性能指標(biāo)隨混合氣濃度而變化的關(guān)系。
圖11-4為汽油機(jī)燃料調(diào)節(jié)特性曲線。由圖可見,隨著混合氣濃度的改變,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與燃料消耗率也隨著變化。對(duì)應(yīng)于過(guò)量空氣系數(shù)約1.15處,燃料消耗率**低,稱此時(shí)的混合氣為經(jīng)濟(jì)混合氣;而對(duì)應(yīng)于約0.93處,發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力**大,動(dòng)力性能**高,稱此時(shí)的混合氣為功率混合氣。汽油機(jī)應(yīng)根據(jù)工況變化,自動(dòng)調(diào)整其混合氣濃度在**佳值工作?;推魇桨l(fā)動(dòng)機(jī)靠化油器進(jìn)行粗略調(diào)節(jié),現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)則靠電控燃油噴射系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)控制。
11.3 發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性
與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的性能特性主要有發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性、速度特性、萬(wàn)有特性和調(diào)速特性四種。
11.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性
圖11-5 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線 |
是指在轉(zhuǎn)速一定時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)(燃油消耗率、排氣溫度等)隨負(fù)荷(功率、平均有效壓力等)的改變而變化的關(guān)系。相應(yīng)的曲線稱為負(fù)荷特性曲線。它主要被用來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速一定下,以不同的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性,如汽車以一定的速度沿阻力變化的道路行駛。
發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線如圖11-5所示。由圖可見,隨著負(fù)荷的增加,燃料消耗率開始時(shí)急劇下降,到A點(diǎn)油耗**低。標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的該油耗值被稱為該發(fā)動(dòng)機(jī)的**低燃油消耗率。但此時(shí)并非發(fā)動(dòng)機(jī)的**大功率點(diǎn)。
A點(diǎn)后,隨著負(fù)荷的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)功率增大,燃料消耗率又回升。負(fù)荷增加到一定值,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣冒煙超標(biāo),稱為冒煙界限,發(fā)動(dòng)機(jī)工作不允許超出冒煙界限。其適宜的工作區(qū)域應(yīng)該在**低油耗點(diǎn)A附近。有的貨車超載運(yùn)行,將導(dǎo)致燃油消耗急劇上升,發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱,壽命下降,排氣冒煙嚴(yán)重,污染大氣。還會(huì)導(dǎo)致動(dòng)距離加長(zhǎng),容易出現(xiàn)交通事故,這是不可取的。
為了兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性能,標(biāo)定功率點(diǎn)一般定在冒煙界限以內(nèi)與**低燃油消耗點(diǎn)之間,可從座標(biāo)原點(diǎn)引負(fù)荷特性燃油消耗率曲線的切線,交點(diǎn)E即作為發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定工況點(diǎn)。
實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工作中,往往由于負(fù)荷不足(如汽車載貨量少等),而處于部分負(fù)荷下工作,導(dǎo)致燃料消耗率上升。有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員,就會(huì)采取加速滑行法、汽車掛高擋或帶拖車等方法使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加,從而達(dá)到節(jié)油的目的。
11.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性
速度特性是指當(dāng)燃料供給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(汽油機(jī)的節(jié)氣門或柴油機(jī)噴油泵的油量控制拉桿)位置不變時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)(轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率等)隨轉(zhuǎn)速的改變而變化的關(guān)系。對(duì)應(yīng)的曲線稱為速度特性曲線。
當(dāng)燃料供給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在全負(fù)荷位置(汽油機(jī)節(jié)氣門全開位置或柴油機(jī)的油量控制拉桿在額定供油量位置)時(shí),所測(cè)得的速度特性稱外特性或全負(fù)荷速度特性。當(dāng)燃料供給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定在全負(fù)荷以內(nèi)各位置時(shí),所測(cè)得的速度特性就稱為部分負(fù)荷速度特性。
圖11-6 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線(YC6108ZQ柴油機(jī)) |
汽車的節(jié)氣門不變,上坡或下坡時(shí),由于外界負(fù)荷的變化,車速將產(chǎn)生相應(yīng)變化就是屬于速度特性工況。
圖11-6為YC6108ZQ柴油機(jī)外特性曲線。從外特性曲線可以看出該發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的**大功率、**大轉(zhuǎn)矩、**低燃料消耗率及其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速,還可以看出在任一轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的功率和轉(zhuǎn)矩,若要發(fā)揮**大轉(zhuǎn)矩,則應(yīng)該適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在圖上還可以看出排氣溫度及煙度隨轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩變化而變化的關(guān)系。
從外特性曲線還可以計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)φtq、轉(zhuǎn)速儲(chǔ)備系數(shù)φn和適應(yīng)性系數(shù)φntq
式中 Temax——外特性曲線上**大轉(zhuǎn)矩(N·m);
Teb——標(biāo)定工況轉(zhuǎn)矩(N·m);
n1——標(biāo)定轉(zhuǎn)速(r/min);
n2——**大轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速(r/min)。
圖11-7 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性(汽油機(jī)) |
φtq、
φn和
φntq表征了發(fā)動(dòng)機(jī)的短期超載能力。當(dāng)汽車爬坡,如不換擋,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)下降,從外特性曲線上看,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)增加,以克服外界阻力。
φtq、
φn和
φntq越大,不換擋克服外界阻力的能力就越強(qiáng)。
汽油機(jī)φtq、φn和φntq值較大,分別可達(dá)1.2~1.4、1.5~3.8和1.8~5.3;而柴油機(jī)(非增壓)外特性的轉(zhuǎn)矩曲線較為平坦,φtq、φn和φntq值較小,只有1.05、1.5~2.0和1.6~2.1,不能適應(yīng)實(shí)際工作需要,所以柴油機(jī)都安裝有調(diào)速器來(lái)進(jìn)行校正。
發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷速度特性曲線隨著汽油機(jī)的節(jié)氣門開度或柴油機(jī)的油量控制拉桿位置的減小,功率和轉(zhuǎn)矩曲線幾乎從外特性平行下移。對(duì)汽油機(jī),負(fù)荷越小,節(jié)氣門開度越小,進(jìn)氣阻力越大,充氣效率下降,使其功率、轉(zhuǎn)矩下降越快,所以部分負(fù)荷速度特性曲線也變得越陡(圖11-7)。
11.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性
圖11-8 萬(wàn)有特性曲線(YC6108ZQ柴油機(jī)) |
負(fù)荷特性只能分析某一轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)各性能參數(shù)隨負(fù)荷的變化,而速度特性只能分析在某一油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置下的內(nèi)燃機(jī)各性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化。實(shí)際上內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷均在很大范圍內(nèi)變化,要分析各工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能就需要許多張圖形,很不方便,亦不清晰。能在一張圖上表示發(fā)動(dòng)機(jī)各性能參數(shù)與轉(zhuǎn)速、負(fù)荷之間的相互關(guān)系就稱為萬(wàn)有特性,也稱為多參數(shù)特性,相應(yīng)的曲線稱為萬(wàn)有特性曲線。
萬(wàn)有特性曲線可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)各種轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性曲線來(lái)轉(zhuǎn)換作圖。圖11-8為YC6108ZQ四氣門柴油機(jī)萬(wàn)有特性曲線。圖中虛線為等功率曲線,位于上層的等功率曲線的功率大。實(shí)線為等油耗線,**內(nèi)層的等油耗曲線耗油率**低,為**經(jīng)濟(jì)區(qū),越往外層,經(jīng)濟(jì)性越差;若等油耗線呈橫向拉長(zhǎng),說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速變化較大情況下工作,燃料消耗率變化小,較經(jīng)濟(jì);若等油耗線呈縱向拉長(zhǎng),說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷變化較大情況下工作,燃料消耗率變化小,較經(jīng)濟(jì)。不同用途的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)萬(wàn)有特性曲線有不同的要求。
從圖中可以清楚看到發(fā)動(dòng)機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性,發(fā)動(dòng)機(jī)要想獲得**低燃料消耗,可以通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)。
11.3.4 調(diào)速特性
調(diào)速特性是指柴油機(jī)噴油泵調(diào)速手柄位置一定時(shí),柴油機(jī)性能參數(shù)(轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速、燃油消耗率等)隨負(fù)荷而變化的關(guān)系。對(duì)應(yīng)的曲線稱為調(diào)速特性曲線。它被用來(lái)評(píng)價(jià)柴油機(jī)帶調(diào)速器以后的實(shí)際工作性能指標(biāo),還可以用來(lái)評(píng)價(jià)調(diào)速器的工作性能。
圖11-9所示為橫坐標(biāo)是功率的調(diào)速特性曲線。根據(jù)分析需要,調(diào)速特性曲線也可以采用轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩為橫坐標(biāo)。
曲線分析可以看到,從標(biāo)定轉(zhuǎn)速(曲線拐彎點(diǎn))到**高空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速這一段的曲線,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化很大,但轉(zhuǎn)速變化很小,這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)噴油泵調(diào)速器起調(diào)速作用的結(jié)果,隨著負(fù)荷增大,自動(dòng)增加供油量,以維持轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定,所以該段是調(diào)速器的調(diào)速區(qū)段。也有稱特殊的負(fù)荷特性段,因?yàn)樗茴愃朴诎l(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性,只是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速略有變化??梢詮倪@一段曲線進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析及調(diào)速器工作性能(如穩(wěn)定調(diào)速率等)分析。
從標(biāo)定工況到**大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的曲線,隨著外界負(fù)荷增加,噴油泵調(diào)速器依靠校正功能而變動(dòng)供油拉桿,少量增加供油量,以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)短時(shí)間超負(fù)荷的需要。所以該段是調(diào)速器的校正區(qū)段。也有稱特殊的速度特性段,因?yàn)樗茴愃朴诎l(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性,只是噴油泵供油拉桿略有移動(dòng)。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到**大,如再增加外界負(fù)荷,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速便急劇下降,噴油泵供油拉桿已經(jīng)無(wú)法再移動(dòng)增加供油量,所以發(fā)動(dòng)機(jī)按速度特性曲線規(guī)律變化。隨負(fù)荷的增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降,功率、轉(zhuǎn)矩下降,耗油率增大。
從調(diào)速特性曲線上可以方便地找到標(biāo)定工況和任一工況下的轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率等各種動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系。用以比較不同柴油機(jī)的性能優(yōu)劣,指導(dǎo)人們正確地使用和維修柴油機(jī)。還可以計(jì)算柴油機(jī)的扭矩儲(chǔ)備,以判定發(fā)動(dòng)機(jī)的短時(shí)超負(fù)荷能力;計(jì)算出穩(wěn)定調(diào)速率,以判斷調(diào)速器的工作性能。
11.4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的校正
11.4.1 性能指標(biāo)校正的必要性
由于大氣狀態(tài)的不同,同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),在不同地區(qū)測(cè)得的性能指標(biāo)就會(huì)產(chǎn)生差異。如天津測(cè)得某發(fā)動(dòng)機(jī)功率為68kW,油耗為321g/kW.h。而到拉薩測(cè)得的功率變?yōu)?2kW,下降了38%;油耗為429g/kW.h ,上升了34%。
大氣狀態(tài)(大氣壓力、溫度、相對(duì)濕度)變化,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)產(chǎn)生變化。當(dāng)大氣壓力下降、溫度升高或相對(duì)濕度增大,會(huì)導(dǎo)致空氣密度變小,使實(shí)際進(jìn)入氣缸的氧氣量減少,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降,油耗升高。
試驗(yàn)表明,在海拔150m以上地區(qū),每升高300m,發(fā)動(dòng)機(jī)(非增壓)功率下降3.5%;當(dāng)進(jìn)氣溫度在29.4℃以上,每增5.5℃,功率下降2%。
11.4.2 校正方法
根據(jù)GB/T 17692-1999規(guī)定,車用發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率采用以下公式修正
P0=α×P
式中 P0——-校正功率(即標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的功率);
α——-校正系數(shù)(汽油機(jī)用αa,柴油機(jī)用αd);
P——-實(shí)測(cè)功率(試驗(yàn)功率)。
標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)是指大氣溫度25℃、大氣壓100kPa、相對(duì)濕度60%。
對(duì)于汽油機(jī),可用下式求得校正系數(shù)αa
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