汽车发动机原理第十章汽车发动机运行特性.ppt

第三篇 运行特性与性能调控,动力机械与配套工作机械之间，都有一个性能合理匹配的问题，即如何最佳满足工作机械各种性能要求的问题。发动机要在宽广转速和负荷范围内多工况、变工况与汽车配套工作，这就出现了汽车与发动机特性的全工况合理匹配以及发动机本身各种性能参数的调控与优化问题。发动机特性指的是一定条件下，发动机性能指标与特性参数随各种可变因素的变化规律。其中的运行特性，即主要的性能指标随工况参数转速和负荷的变化规律最为重要。由发动机运行特性转化而得的汽车的运行特性，如驱动力特性、燃油经济性、运转稳定性、安全性等等，都有一个能否全面满足汽车使用要求的问题。这就要求进行全工况的合理匹配。,机、车匹配问题：1、对动力和传动系统提出合理选型和配套要求。2、特性曲线在不能满足要求时如何进行调节和校正的问题：如柴油机设置调速装置以保证汽车运行的安全与可靠就是一个明显的例证；发动机的点火和喷油提前装置，可变配气相位系统等都是例证。近年来，电子控制技术的飞速发展，使更多的参数有了实时调控的可能，出现了多种发动机的“可变”技术，这对汽车和发动机性能的全面改善有着积极的意义。,本篇将重点阐述下述几个方面的问题：1）发动机特性，主要是运行特性速度特性，负荷特性，全特性的变化规律；2）发动机运行特性对汽车的适应性以及汽车与发动机动力、经济性的合理匹配；3）柴油机速度特性的调节与校正；4）汽、柴油机的电子控制与管理。,发动机性能与参数的调控是热能动力、电子和控制学科的交叉技术。本篇并不专门阐述控制与电子学的理论，也不专门论述各种电子与控制系统的结构特征，而是从发动机性能的角度阐述性能与参数调控的依据、基本原理和方法，并进一步说明其对汽车、发动机性能的影响。有关电子与控制的深入问题，可参阅“汽车电子学”、“控制原理”等专业书籍。,第十章 汽车发动机运行特性第一节 工况、工况平面与功率标定一发动机运行工况 汽车的运行状况是由速度和行驶时克服的总阻力来表示的。发动机的运行状况是则由转速和曲轴输出的功率表示。因此，一个确定的转速和一个确定的输出功率（负荷）就形成发动机的一个运行工况。,发动机稳定运行中，转速和输出功率保持不变，是为稳定工况。发动机变速、变负荷动态运行时，如起动、加减速以及行驶路面状态的变化等，工况随时间而变化，是为动态工况。不论什么工况，在转速确定条件下，输出功率Pe同输出转矩Ttq、平均有效压力pme成正比，也同汽油机的节气门位置、柴油机的油量调节杆位置和循环供油量有确定的单值比例关系。所以发动机的负荷，既可用输出功率Pe表示，也可用上述参数之一来表示。,二 工况平面与发动机的工作区域 以负荷和转速为座标的平面叫发动机的工况平面。发动机实际工作区域可在这个平面上表示出来。根据发动机配套工作机械运行的特点，发动机实际的工作区域有下面三种情况。1）点工况运行 发动机只在某一固定工况下工作，如图10-1工况面上的点。在水库或江河上日夜抽水的发动机，认为是按点工况运行的。2）线工况运行 发动机只在工况面上某一确定的线段上工作。常见有两种情况；一种是发电机组、粮食加工、排灌等固定作业机组，工作时都保持在转速变化不大的调速线上运行，如图10-1工况面上的线；另一种则是船舶发动机行驶的工况，由于靠螺旋浆推进，发动机输出功率与转速呈三次方关系，形成图10-1工况面上线所示的螺旋浆工况。,3）面工况运行 汽车、拖拉机、坦克及工程运输机械的工作区域涵盖了工况平面上某一确定面积，实现的是面工况运行。图10-1剖面线所包围的面积为一般汽车发动机的工作区域，它由下述各条曲线所界定。上缘a曲线，是各转速时最大功率（转矩）的限制线，到标定点A为止。右侧b曲线，是各负荷条件下的最高转速限制线。a、b曲线都是在驾驶员最大加速踏板位置条件下获得的。对于汽油机，a、b曲线都在节气门全开时获得，称为速度外特性线；对于柴油机，a曲线为校正外特性线，b曲线则是调速器起作用的调速特性线。以上各线将在后文详细说明。左侧C曲线是发动机最低稳定工作转速限制线。低于此转速时，由于燃烧波动和运动件惯性过小的影响，发动机无法稳定工作。,横座标上的d曲线是各个加速踏板位置下的空转怠速线。此时动力输出为零，发动机的指示功率与空转的机械损失功率相平衡。输出功率为负值的e曲线是发动机灭火，外力倒拖时的工况线。此时倒拖功率与灭火后空转的机械损失功率相平衡。e曲线当然不属正常工作范围，它只是在汽车挂挡下长坡时起制动的作用，维持汽车不再加速而具有某一稳定速度。台架反拖测试机械功率损失时，也属此种工况。汽车发动机工况范围很广，常选用几个典型工况点的性能指标来近似反映全工况面的情况。常用的典型工况为图10-1上的标定工况A、最大转矩工况B、最低稳定怠速工况C和最高空转转速工况D。有时还利用速度外特性上的最低燃油消耗率点和全工况面的最低燃油消耗率点来补充说明问题。汽车发动机铬牌和说明书上一般标出的就是上述各点的指标。,三发动机的功率标定 发动机铭牌上规定的最大输出功率Pemax及其对应转速nn所确定的工况叫做标定工况。标定工况并不是发动机所能达到的极限最大功率点，而是根据发动机用途、使用特点，综合考虑其各种性能要求和使用寿命后，人为规定的一个限制使用的最大功率点。按国标GB1105.1-07的规定，标定功率可按下述四种方法之一来确定。1）15分钟功率指发动机可连续运行15分钟仍保持正常状态的最大有效功率。汽车、摩托车、摩托艇多选用此种方法进行标定以获得更大的动力性能。2）1小时功率允许发动机可正常连续运行1小时的最大有效功率。适于有较长时间重载使用的拖拉机、工程机械等发动机上。,3）12小时功率 允许发动机可正常连续运行12小时的最大有效功率。适于连续长达12小时左右重载工作的拖拉机、排灌、电站等发动机上。4）持续功率 允许发动机长期正常连续运转的有效功率。可用于远洋船舶、日夜运行的铁路机车和排灌，发电机组的发动机上。同一台发动机配套不同用途机组时，其标定功率并不一样。厂家按标定功率调好机器交付使用。所以不应把产品发动机不变动任何调正位置时台架试验测得的指标，误认为是此发动机所能发出的最高性能指标。,第二节 发动机特性及其分析方法一 特性、特性曲线及其分类 发动机特性是指一定条件下，发动机的性能指标与特性参数随各种可变因素的变化规律。此规律若以曲线表示，则叫做特性曲线。发动机特性的范围很广泛。从发动机工作特点来看，有稳态特性和动态特性之分；从可变因素的特点来看，则有调整特性与运行特性之别。下面就调整与运行特性进行介绍。1）调整特性 是指发动机在转速和油量调节位置（汽油机为节气门开度，柴油机是油量调节杆位置）不变条件下，各种性能指标随调整参数而变化的规律。汽、柴油机影响性能的调整参数很多，如汽油机点火提前角、过量空气系数a、柴油机的喷油提前角、残余废气系数r等等。其实，只要是对性能有明显影响，而又能变动（实时变动）的参数，都可归入调整参数之列，如配气相位角、气门升程、进气管长度乃至压缩比、涡轮机喷嘴环面积等等。可见调整参数是一个涉及面很广的概念。,研究调整特性的意义在于对性能进行优化。从单一性能的角度提要求，均可找出调整的最优值，如汽油机动力、经济性的工况最佳点火提前角就是一例。但从综合性能的角度来看，单项最优未必能保证整体最优，一般要折衷选出合适数值以获得最佳的匹配。从发动机发展的历程来看，对于一些重要的调整参数，早已使用了实时调控的装置来改善某些性能指标。利用化油器调控过量空气系数a，利用汽油机的转速与真空点火提前器以及柴油机的自动供油提前器来调整点火及喷油提前角就是例证。但是传统发动机对于大多数的参数是无法实时调控的，只能在设计时选用一个折衷值而已。发动机电控技术的普及，使得更多参数有了实时自动调控的可能。这不仅全方位地改善了发动机的性能，也使调整特性的研究更具有现实的意义。在本书的前两篇中，已经对最重要的一些调整特性，即点火与供油提前特性、过量空气系数调整特性、废气再循环率等作过详细介绍，此处不再赘述。对于其它参数进行电控调整的原理和方法，将在下一章中进行适当介绍。,2）工况运行特性 是指一定条件下发动机性能指标随工况参数变化的规律。在本章中，重点讨论的是稳定运行条件下动力、经济性能的基本运行特性：速度不变，性能指标随负荷而变的负荷特性；油量调节部位不变，性能指标随转速而变的速度特性；以及转速和负荷都变化时的全特性（万有特性）等三部份内容。上述基本运行特性曲线是发动机和汽车匹配时综合评价机组动力、经济性能的直观而方便的工具。通过它们，可以直观判断发动机工作的经济区域以及输出动力大小的特点，便于确认与汽车配套的合理性。通过对特性曲线的形状，走向的成因及影响因素的分析，可以指出进一步满足汽车使用要求时特性曲线改造的方向。,二运行特性的分析方法 在第一章中，已经推导出发动机稳定运行条件下，有效输出功率Pe和有效燃油消耗率be的多因素综合解析式，见式（1-31）、（1-33）。考虑到发动机实际运行中，上述式中的很多参数都是常数，若将各常量用一个统一的常系数来表示，则上述式可简化。利用上述各式进行稳态特性曲线分析时，先要单独分析各因素随工况参数的变化规律和曲线，然后叠加在一起，再分析Pe、be、Ttq和B等指标随工况的变化规律和走向特点，并指出各单个因素影响的原因和程度，作为修正特性曲线和选择性能改进措施的依据。,三 动态特性 汽车在市内行驶时动态过程占有很大比例。在动态工况条件下，已不能应用上述稳态过程式中的各种参数值，而且在分析时还要加上时间变量，情况十分复杂。实用上，一般在底盘测功机或发动机动态试验台上，模拟实际条件进行测试分析，或者进行动态过程的模拟计算。下面以化油器式汽油机节气门由关闭到全开的加速过程的测试结果为例来分析动态过程的一般特点。图10-2是这一过程中，测出的转速n、转矩Ttqd和节气门开度等参数随时间的示意变化曲线。为进行对比，还用虚线画出对应稳态工况时，转矩Ttq的变化曲线。图上nd是加速前发动机的怠速转速，是节气门开启所需的时间。由图看出：按一定速率开启节气门后，转速n和转矩Ttqd都要延迟一段时间才开始上升；节气门全开后，仍要经历一段时间的加速和转矩上升过程，才能再次达到稳定状态；此外，加速过程的转矩（或平均有效压力）要比对应的稳态过程为低，即动力、经济性指标都有不同程度的下降。,出现这些情况的原因可以简述如下：1）加速情况下，由于有各种惯性，会出现各种延迟，也产生机件的惯性阻力，减少有效动力输出；2）加速情况下，进气系统中充量的惯性以及动态效应的变化破坏了正常的流动过程，一般会降低气缸的充量系数；3）节气门加大过程中，燃料比空气惯性大，化油器中的燃料流量的增加落后于空气流量的增加；而进气管中真空度减小，油膜蒸发条件会变差，这些都会使混合气短时变稀，严重时甚而影响正常运转。4）加速情况下，各种机内条件（水温、油温、油压等）都未达到稳定状态；点火提前角等调整参数也因机构惯性和动态特点而与稳态工况不符。以上各种因素的综合效果使得加速时转矩Ttqd显著下降，转速及转矩上升的相位也明显延迟。上述例子充分反映了动态过程的复杂性和分析的难度。尽管如此，对动态过程分析的基础仍然是对稳态过程的深入理解。所以作为基本内容，本章仍以分析稳态过程为主。,第三节速度特性与配套汽车的动力性 若汽油机保持节气门开度不变或柴油机保持油量调节杆位置不变，而各工况又在最佳调整状态时，发动机的性能指标和特性参数随转速的变化规律称为发动机的速度特性。这是广义的速度特性的概念。由于本章重点是分析发动机运转特性对汽车动力、经济性能的影响，所以只讨论动力、经济性的速度特性问题。每一个油量调节位置都对应一条速度特性曲线。标定工况位置所决定的为全负荷速度特性曲线，又叫外特性线；其余的为部份负荷速度特性线，又叫部份特性线。外特性线表示了发动机各转速对应的最大功率和最大转矩。汽车的最大动力性能就是由这条特性线所决定。柴油机的速度特性，特别是外特性，除了直接影响配套汽车的动力性外，还与汽车能否安全运转密切相关；而怠速的部分特性线则又与能否稳定运转相关，这将在后一章重点讨论。前已指出，标定工况是人为确定的，也就是说，外特性线可以按照不同配套对象、不同标定工况而改变。如果这条线的形状和走向不能满足要求时，还可以进行各种“校正”。,一 汽油机的速度特性 制取汽油机速度特性曲线时，除了保持节气门开度不变之外，各工况均须调整到最佳点火提前角，而过量空气系数则要按理想值来制备。此外，水温、油温、油压等均应保持正常稳定的状态。,1）图a）指示效率曲线具有中间平坦，两头略低的特点。低转速时，缸内气流减弱，火焰传播速度降低，同时漏气及散热损失均增大，导致下降。高转速时，燃烧所占曲轴转角增大，等容度变小，有时燃烧进行不充分，致使也降低。以上影响随节气门减小而加大。2）图b)机械效率曲线的总趋势都是随转速上升而下降，这在第三章中已作了详细分析，主要是随转速上升，摩擦损失、附件消耗、泵气损失等均大幅增大的缘故。低负荷节气门关小时，也因泵气损失的加大和充量系数的急剧变化而使曲线变得更陡。3）图c）充量系数c曲线总体上随转速上升而下降。节气门减小时，更是急剧减小。以上规律在第四章中已作了充分说明。4）图d)过量空气系数a曲线变化不大，总体上随转速上升而略有增加，因为气流加强，燃烧速度加快，空燃比可以更稀之故。中低负荷时为经济混合气，中负荷约保持，低负荷要浓一些；高负荷则适当加浓为功率混合气。以上四组曲线的变化规律决定了图10-4上Ttq、Pe、bi和be等指标的速度特性曲线的变化趋势和特点。,1）由式（10-3）及图10-3可知，转矩Ttq线主要受c和m的影响，在某一较低转速处有最大值，然后随转速上升而较快下降，转速愈高，降得愈快。部份特性线则随节气门关小更急剧降低。指示效率对曲线的影响不大，仅使高、低转速处的Ttq值略为降低。2）功率Pe线按PeTtqn的关系，先随n上升而加大，到一定转速后Ttq的下降率高于n的上升率，Pe转而下降。汽油机外特性上这一转折点即Pemax点，一般就是标定功率点。节气门减小时各自的最高功率转速必然比标定转速低。3）指示燃油消耗率bi与it成反比，故其速度特性线中间平坦，两头抬高，可参看图10-3线。4）有效燃油消耗率。它在bi线基础上加上m因素，使得随转速上升上翘幅度加大，油门开度愈小，则弯曲度愈历害。,二柴油机的速度特性 制取柴油机速度特性线时，除保持油量调节杆位置不变外，各工况均须调整到各自的最佳供油提前角，此外，水温、油温等参数均应保持正常稳定的状态。前文已提到，油量调节杆位置和驾驶员控制的加速踏板位置并不一定成正比。所以保持加速踏板位置不变得到的速度特性线和保持油量调节杆位置不变得到的速度特性线有区别。加速踏板位置不变时，各转速对应的油量调节杆位置往往已经过“校正”或“调速”而有变动。关于这一点，后文将详细说明。由式（10-5）到（10-7）可知，柴油机的速度特性取决于gb、it、m各值随转速n的变化规律。图10-5上分别作出全、中、小三个不同油量调节杆位置下上述各参数随转速的变化曲线，然后再叠加合成图10-6的速度特性线。下面先分析图10-5中各参数的变化规律。,1）gb为燃油喷射系统循环喷油量的速度特性线。根据传统柱塞喷油泵的供油原理，在油量调节杆位置不变时，由于进、回油孔节流和燃油漏泄的影响，gb随转速上升而增加，只有在很高转速时，由于喷孔节流加强的影响，曲线才会转平或稍许下降。小负荷时gb上升的斜率有所加大。2）指示效率曲线与汽油机相似呈两头低中间略凸的形状。主要因为低速时喷射压力减小，缸内气流减弱，对混合气形成及燃烧不利，再加上传热损失增多等因素的影响而使下降；高速则因喷油及燃烧持续角加大，以及c下降gb上升致使a加浓而使降低。3）机械效率曲线仍保持随转速上升而下降的特点。但因无节气门损失，各负荷条件下的变化趋势都大致相同，数值则有差别。,以上三组曲线所叠加合成的图10-6速度特性线的特点如下。1）Ttq的转矩速度特性线因gb及m线有相反变化的趋势而使总体上变化较平坦。it的影响虽不大，但可使两端加大一些下垂量。总体上看，低速有上升趋势，小负荷时上升加剧；而高速均略为下降，大负荷时下降多一些。2）Pe功率线总的是随n上升而增大。由于Ttq线较平坦，所以可达到的最大功率点远离最高使用转速，图上看不出来。3)bi指示燃油消耗率线为it线的倒数，变化平坦。4)be线则是在bi基础上作了m的修正，随n上升而上翘度加大。,三 汽、柴油机速度特性曲线的对比 对比图10-4和图10-6，可以看出汽、柴油机速度特性的主要区别是，1）汽油机Ttq转矩线总体上向下倾斜较大，低负荷时倾斜更大；而柴油机Ttq线总体变化平坦，低负荷时甚而上扬。这一下一上的差别，引起了这两种机型配套汽车时动力和运行稳定性的巨大差异。这一点正是后一章讨论的重点。2）汽油机Pe外特性线的最大值点，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be燃油消耗率曲线要比汽油机线平坦，低负荷时更是如此。,四发动机速度外特性对汽车动力性能的影响 发动机的外特性曲线是发动机对整车动力性能最主要的影响因素。1.汽车动力性能的评价指标汽车动力性能由下述三方面指标加以评定。1）汽车的最高稳定行驶速度。是指在良好水平的标准路面上汽车能达到的最高行驶速度。2）汽车在上述路面上满载时的最大爬坡能力，也就是克服阻力保持稳速的最大能力。3）汽车在上述路面上原地起步换到最高挡，加速到一定距离或速度所需的时间，以及按一定要求的超车加速时间。,（1）最高车速与最大行驶坡度的确定（2）加速时间的确定 2、外特性曲线的动力适应性与特性校正（自学）,五提高汽车动力性能的措施 从总体上看，提高汽车的动力性能无非从三方面着手，即：提高发动机的动力性能；降低整车的行驶阻力；完善发动机与汽车及其传动系统的匹配。提高发动机动力性能就是本书前两篇所讲述的主要内容；降低整车的行驶阻力则是汽车理论教材第一章的主要内容，包括降低自重、选用低滚动阻力的子午线轮胎、汽车外形流线型化以及降低风阻等。从完善机、车配套和选择的角度看，要重视下面几个问题。（1）选择合适的发动机（2）配套合适的发动机外特性曲线（3）汽车传动系统的合理匹配（自学）（,第四节负荷特性、全特性与配套汽车的燃油经济性 当发动机保持转速不变时，稳态性能指标随负荷而变化的规律叫做发动机的负荷特性。汽车在阻力变化的路面上保持等速行驶，以及发电、排风、排灌等发动机组运行时，转速均在很小范围内变动（调速器起作用），可认为近似按负荷特性运行。负荷特性曲线的横座标是负荷，一般用来分析发动机的燃油经济性（燃油消耗率be）在分析发动机燃油经济性时，由于实际使用工况范围很广，不是一个点、一条线就能概括清楚的，所以宜在燃油消耗率be的全特性（万有特性）上进行加权分析。全特性是指负荷和转速都变化时性能参数的变化规律。若在以转速和负荷为自变量的三元座标上来表示，此规律就是性能指标的特性曲面。全特性实质上是全工况面内，速度特性与负荷特性的综合，用以分析多工况的性能最为合适。,一汽油机的负荷特性 制取汽油机负荷特性曲线时除保持转速不变外，各工况均须调到最佳点火提前角和保持理想的过量空气系数，并按规定保持水温、机油温度、机油压力等参数为最佳数值。,二柴油机的负荷特性 制取柴油机负荷特性曲线时，转速不变，各工况供油提前角均调为最佳值，油温、油压、水温均保持最佳状态。由于柴油机是负荷质调节，负荷变化也就是平均过量空气系数a变化，所以负荷特性也就是a的调整特性。,三汽、柴油机负荷特性曲线的对比1）汽油机燃油消耗率be都比同负荷的柴油机高，这是两种机型的混合气形成、着火燃烧以及负荷调节方式的不同造成的。2）中、低负荷处be的差值明显比最低油耗点和标定功率处大，。这是因为汽油机be线过于陡尖，而柴油机有较宽的平坦段的缘故。统计资料表明，汽、柴油机bemin的差值约15%-30%，而综合使用油耗的差值可达25%-45%，就是由于汽车大多在中、低负荷条件下运行所致。由上两点可以得知，若单纯从燃油经济性出发进行汽车动力的选择，自然是柴油机优于汽油机，这是柴油机最明显的优势。实际选用时不可能只考虑这一因素。另外一点则是，无论汽、柴油机都希望尽可能提高负荷利用率，使其经常接近最经济的80%-90%负荷率处工作。这一点对汽油机尤为重要。它已成为改善发动机燃油经济性，降低实际使用油耗的一个极为重要的原则。,四发动机的全特性（万有特性）运行工况的全特性是指负荷及转速都变化时的性能指标或特性参数的变化规律。在三元座标图上可以表示为以工况面为自变量域的特性曲面。在工况面的二元座标图上，则表示为各种指标或参数的等值线，如等燃油消耗率线，等功率线等等，这种表示法最常用，图10-17为汽、柴油机全特性图的实例。图上细实线及数字表示等燃油消耗率be线。,五提高汽车燃油经济性的措施 从技术上讲，提高汽车的燃油经济性，应该从提高发动机的燃油经济性、降低整车运行阻力和完善发动机和汽车传动系统的匹配三方面着手。但是，汽车的使用油耗还与政府法规、道路交通状况、营运管理和维修驾驶等诸方面因素有密切关系，是一个涉及面很广的复杂的问题。改善发动机经济性能和降低整车运行阻力是发动机和汽车理论已系统讲述过的内容，此处不再重复。下面就政府法规、机、车匹配和使用管理三方面问题进行简要解说。1、政府的能源法规 2、发动机与汽车传动系统的合理匹配 3、汽车的使用与管理对燃油经济性的影响,