第七章發動機的特性第一節發動機的特性概述第二節發動機的負荷特性第三節發動機的速度特性第四節發動機的轉矩適應性第五節車用柴油機的調速特性第六節發動機的萬有特性一、發動機工況指發動機運行狀態，常用轉速n和負荷表示。轉速：表征發動機的工作頻率擋位&車速；負荷：表征發動機對外做功能力加速踏板：Ttqpme

發動機輸出功率：PeTtq

n功率相同，工況不同燃燒過程不同性能不同研究發動機特性的目的：評價發動機性能，為正確選用動力源提供依據；為進一步改進發動機性能提供有效途徑。研究方法：性能指標隨發動機工況變化特性來研究第一節發動機特性概述

定義：

發動機的實際運轉情況。

實際上，發動機工況就是研究不同運轉情況下，其功率、轉矩和轉速三者間的變化關系。1、發動機工況的分類

（1）第一類工況（負荷、轉速基本不變）

（2）第二類工況（負荷變化但轉速基本不變）

（3）第三類工況（負荷、轉速在寬廣的范圍內變化）發動機運行工況(operatingcondition)：負荷Ttq,pme(Pe)vs轉速n(1)點工況：抽水機①(2)線工況：發電機組②；船舶發動機③(3)面工況：汽車；拖拉機根據工作機械不同，發動機工況分類為三種：1.恒速工況：發動機轉速始終保持不變；功率隨負荷變化。發電用發動機2.線工況：Pe=f(n)的工況，螺旋槳工況。

Pen3點工況排灌1恒速3.面工況：Pe和n都相對獨立變化，無約束關系。

如汽車：

n取決于車輛行駛速度；

Pe取決于行駛阻力阻力和道路情況。1.發動機的工況分類第—類工況，其特點是發動機的功率變化時，轉速幾乎保持不變。該工況又被稱為固定式內燃機工況。線工況。點工況第二類工況，其特點是內燃機的功率與轉速接近于冪函數關系，如圖中的曲線2示的三次冪函數()。當內燃機作為船用主機驅動螺旋槳時，內燃機所發出的功率必須與螺旋槳吸收的功率相等，而吸收功率又取決于螺旋槳轉速的高低，且與轉速成冪函數關系，這樣，內燃機功率就呈現一種十分有規律的變化。該類工況常被稱為螺旋槳工況或推進工況，也屬于線工況。

第三類工況，其特點是功率與轉速都在很大范圍內變化，它們之間沒有特定的關系。汽車及其他陸地運輸用內燃機，都居于這種工況。此時，內燃機的轉速決定于行駛速度、可以從最低穩定轉速一直變到最高轉速；負荷取決于行駛阻力，在同一轉速下，可以從零變到全負荷。內燃機可能的工作區域就是該種類型內燃機的實際工作區域，相應的上況區域稱為面工況。發動機的臺架試驗：測試發動機的主要性能指標基礎：振幅≯0.05~0.1mm測功器：測轉矩油耗儀：測油耗轉速表冷卻系統排放分析儀(3)面工況：汽車；拖拉機a—最大功率限制線b—最高轉速限制線c—最低穩定轉速限制線d—怠速線e—倒拖線2、車用發動機的工況范圍

（1）上邊界線a:

最大油門位置時，不同轉速下發動機所能發出的最大功率，是發動機功率的極限。

（2）右邊界線b:

發動機所能承受的最高轉速極限。

（3）左邊界線c:

發動機能穩定運轉的最低轉速。

（4）水平邊界d

不同油門位置的怠速特性，即發動機指示功率與機械損失功率相等（Pe=0）。

（5）下邊界e

發動機停機后倒拖特性（下坡時的制動能力）。

二、發動機功率的標定

標定功率：

制造廠根據發動機的使用要求（用途、壽命、可靠性、使用條件等），人為規定的該發動機在標況下允許輸出的最大功率。

內燃機的功率標定，是指制造企業根據內燃機的用途、壽命、可靠性、維修與使用條件等要求，人為地規定該產品在標準大氣條件下所輸出的有效功率以及所對應的轉速，即標定功率與標定轉速。世界各國對標定方法的規定有所不同。按照國家標準GBll05——87《內燃機臺架性能試驗方法》規定，我國內燃機的功率可以分為四級：發動機功率標定

我國四個等級的發動機功率標定：1、15分鐘功率*思考：人為規定就會存在可高可低的情況，那么汽車用發動機與工程機械用發動機標定時應如何考慮？2、1小時功率3、12小時功率4、持續功率

汽車、快艇等

工程機械、船舶等

機車、移動發電機組等

農用機械、固定發電機組等

需要注意的是：實際使用過程中，發動機功率超出標定功率或標定功率下超出規定的時間，并不意味著發動機就會損壞。(1)15min功率

這一功率為內燃機允許連續運轉15min的最大有效功率，適用于需要較大功率儲備或瞬時需要發出最大功率的轎車、中小型載貨汽車、軍用車輛、快艇等用途的內燃機。(2)1h功率這一功率為內燃機允許連續運轉1h的最大有效功率，適用于需要一定功率儲備以克服突增負荷的工程機械、船舶主機、大型載貨汽車和機車等用途的內燃機。

(3)12h功率這一功率為內燃機允許連續運轉12h的最大有效功率，適用于需要在12h內連續運轉而又需要充分發揮功率的拖拉機、移動式發電機組、鐵道牽引等用途的內燃機。

(4)持續功率這一功率為內燃機允許長期連續運轉的最大有效功率，適用于需要長期連續運轉的固定動力、排灌、電站、船舶等用途的內燃機。

根據內燃機產品的使用特點，在內燃機的銘牌上一般應標明上述四種功率的一或兩種功率及其對應的轉速。同時，內燃機的最大供油量限定在標定功率的位置上。對于同一種發動機，用于不同場合時，可以有不同的標定功率值，其中，15min功率最高，持續功率最低。車用—常用15分鐘,1小時或12小時功率中的兩種作為銘牌功率。除持續功率外，其他幾種功率均具有間歇性工作的特點，故常被稱為間歇功率。對間歇功率而言，內燃機在實際按標定功率運轉時，超出上述限定的時間并不意味著內燃機將被損壞，但無疑將使內燃機的壽命與可靠性受到影響。（1）有效功率三、發動機特性參數間的關系（2）有效輸出轉矩（3）有效燃油消耗率（4）發動機每小時耗油量有效功率有效輸出轉矩燃油消耗率小時耗油量有效功率有效輸出轉矩燃油消耗率小時耗油量

為了評價內燃機在不同工況下運行的動力性指標(如功率、轉矩、平均有效壓力等)、經濟性指標(燃油消耗率)、排放指標以及反映工作過程進行的完善程度指標(如指示熱效率、充量系數以及機械效率)等，就必須研究內燃機的特性。發動機特性有關定義所謂發動機的特性，就是指上述性能參數隨參數調整情況或運轉工況變化的規律。性能指標隨調整情況變化的特性稱為調整特性，如點火提前角調整特性、供油提前角調整特性等；性能指標隨運行工況變化的特性稱為性能特性，如負荷特性、速度特性和調速特性等。用來表示特性的曲線稱為特性曲線，它是評價內燃機的一種簡單、直觀、方便的形式。第二節發動機的負荷特性

定義：

當轉速不變時，發動機性能指標隨負荷而變化的關系（通常用負荷特性曲線表示）。

負荷特性（曲線）的測定：1、發動機穩定運轉一段時間，使水溫、油溫為正常值；2、改變測功器負荷和循環供油量，保持轉速不變；3、測量be、Pe、Tr、η等；4、重復上述操作，并繪制特性曲線。

一、柴油機的負荷特性

保持柴油機轉速不變，改變循環供油量b時，B、be、η等隨負荷（Pe或Te）變化的關系。

定義：

特點：

因此，柴油機負荷特性的調整過程稱為“質調節”。

轉速n不變充量系數φc基本不變循環供油量△b改變過量空氣系數φa或空燃比α改變1、有效燃油消耗率曲線

柴油機負荷特性曲線

先增大（混合氣由稀變濃，燃燒充分）；后降低（混合氣偏濃，燃燒不完全）；2）機械效率ηe：

轉速不變，摩擦損失不變，故其隨著指示功Pi（負荷）的增大而增大。當超過最大功率點后，隨著燃燒急劇惡化，Pi下降，Pm也下降。1）指示熱效率ηi：

先急劇減小（怠速時為∞，后隨ηi、ηm的增大而減小）；

后逐漸升高（到達最低油耗點后，由于燃燒惡化，油耗隨ηi降低而增大）。2.燃油消耗量曲線

最低油耗點1

冒煙界限2（限制超過）

最大功率點3

柴油機負荷特性曲線

二、汽油機的負荷特性

保持汽油機轉速不變，改變節氣門時，B、be、η等隨負荷（Pe或Te）變化的關系。

定義：

特點：節氣門開度增大充量系數φc增大循環供油量△b增大濃度基本不變而數量增大

因此，汽油機負荷特性的調整過程稱為“量調節”。測取方法：將供油系、點火提前角調整好；水溫、潤滑油溫最佳（85℃）。當汽油機保持某一穩定轉速后，逐漸改變節氣門開度（由小到大），測量功率、小時耗油量B，排氣溫度等參數。加大節氣門開度，同時調節測功機負荷保持轉速不變，穩定后測量第二點的功率小時耗油量B，排氣溫度等參數。如此依次一直作到節氣門全開，一般不少于8點。把測量數據畫在以負荷為橫坐標的坐標系內、并連成曲線即得汽油機負荷特性曲線。

汽油機負荷特性曲線1.有效燃油消耗率曲線

先增大（節氣門開度增大，殘余廢氣減少，燃燒改善）；

后降低（大負荷混合氣濃，燃燒不完全）；2）機械效率ηe：

轉速不變，摩擦損失不變，故其隨著指示功Pi（負荷）的增大而增大。1）指示熱效率ηi：

汽油機負荷特性曲線

先急劇減小（怠速時為∞，后隨ηi、ηm的增大而減小）；

后逐漸升高（隨著混合氣變濃，由于燃燒惡化，油耗隨ηi降低而增大）。2.燃油消耗量曲線

三、柴油機、汽油機負荷特性的對比分析1、柴油機燃油消耗率普遍較低，且小負荷到中負荷的油耗率下降迅速；1）柴油機不僅壓縮比大，過量空氣系數也大；

原因：2）汽油機低負荷時采用濃混合氣且殘余廢氣多，加之泵氣損失大，故油耗率高；

柴、汽油機負荷特性對比2、柴油機低油耗區較汽油機寬；3、柴油機排氣溫度較汽油機普遍較低，且隨負荷變化較大；1）柴油機壓縮比大，故膨脹比較汽油機大，熱效率高；

原因：2）柴油機充量基本不變，循環供油量增大時，放熱多，故溫度升高較快；

柴、汽油機負荷特性對比

汽油機節氣門開度增大時，雖然供油量增大，但相應進氣也多，故溫度升高較平坦；負荷特性曲線特點負荷特性是發動機的基本特性。常用它評價發動機工作的經濟性。根據需要可測定發動機不同轉速下的負荷特性。轉速變化時，各條負荷特性曲線的變化趨勢相同，只是各條曲線的路徑不同。每條曲線的最右端點表示全負荷轉速下的功率及燃油消耗率。負荷特性曲線特點由負荷特性可以看出，低負荷時，有效燃油消耗率很高，經濟性差。因此，應注意提高發動機的功率利用率。同一轉速下，最低油耗率bmin愈小，曲線變化愈平坦，經濟性愈好。柴油機bmin比汽油機低10％～30％；而且燃油消耗率曲線比較平坦。

負荷特性曲線特點柴油機部分負荷時低油耗率區比汽油機寬，因而柴油機比汽油機省油。第三節發動機的速度特性

定義：

當油量調節機構（油門位置）不變時，發動機性能指標隨轉速而變化的關系（用速度特性曲線表示）。

速度特性（曲線）的測定：1、發動機穩定運轉一段時間，使水溫、油溫為正常值；2、固定油量調節機構，改變測功器負荷；3、測量不同轉速下的be、Pe、Te等；

外特性：全負荷（處在最大油量位置）時的速度特性。

發動機速度特性曲線定義：發動機性能指標隨轉速變化的關系，稱為發動機的速度特性。部分速度特性（有無數條）外特性(只有一條)外特性是發動機所能達到的最高性能

一、柴油機的速度特性

保持柴油機油泵調節機構位置不變，測量Pe、be、Te、η等隨轉速n的變化關系。

定義：1、指示熱效率ηi：

先增大（轉速提高，霧化混合好、燃燒改善且散熱少）；

柴油機不同負荷時ηi的速度特性

后減小（轉速過高，充量降低、燃燒不全與后燃加重）；*思考：如左圖所示，柴油機小負荷時指示熱效率低，中等負荷時高，而全負荷時介于兩者之間，為什么？2、機械效率ηm

：

柴油機不同負荷時ηm的速度特性

隨n增大而逐漸減少（轉速越高，摩擦損失越大）。3、有效燃油消耗率be

：

柴油機不同負荷時be的速度特性*思考：柴油機的ηm為什么隨負荷（油門開度）的增大而增大？

先減小后增大（基本隨ηi變化，但高速轉速區由于ηm下降，其升高幅度較大）；4、循環供油量△b：

柴油機不同負荷時△b的速度特性

隨n增大而逐漸增大（轉速越高，壓油速率增大，供油壓力提高）。5、有效轉矩Te與有效功率Pe：

柴油機不同負荷時be的速度特性Te：

先減小后增大（先隨△b增大而增大，后因ηi和ηm降低而減小）。Pe：

先增大后減小（∝Te*n，最大值出現在max（Te*n）處）。

二、汽油機的速度特性

保持節氣門開度不變，測量Pe、be、Te、η等隨轉速n的變化關系。

定義：

汽油機速度特性制取方法汽油機節氣門固定在全開位置，調整測功機負荷使其穩定在標定轉速，測量有效扭矩、B，排氣溫度等參數。節氣門開度不變，加大測功機負荷，使發動機轉速降低，穩定后測量第二點的有效扭矩、B、排氣溫度等參數。如此依次一直作到發動機的最低穩定轉速，一般不少于8點。把測量數據畫在以n為橫坐標的坐標系內、并連成曲線即得汽油機的外特性曲線。柴油機與汽油機速度特性的對比汽油機速度特性1)汽油機的Ttq總體向下傾斜較大，尤其是在低負荷；柴油機的Ttq總體變化平坦，低負荷略向上揚。穩定性差異2)汽油機Pe外特性的最大值往往是標定功率點；柴油機Pe外特性無此極值點。3)汽油機be線陡峭些，尤其是低負荷；柴油機be線較平坦。柴油機速度特性

三、柴油機、汽油機的速度特性對比1、轉矩特性：

三、柴油機、汽油機的速度特性對比

汽油機轉矩的速度特性

柴油機轉矩的速度特性

柴油機轉矩曲線變化較為平坦，而汽油機變化較大，且節氣門開度越小，其峰值向低速移動，變化率也越大。*思考：試根據柴油機和汽油機轉矩的速度特性，分析它們適應路況（行駛阻力）變化的能力如何？1、轉矩特性：

汽油機最大功率點通常在標定功率處，而柴油機最大功率點對應的轉速很高，因而其標定功率點通常較最大功率點低很多。

汽油機功率的速度特性

柴油機功率的速度特性2、功率特性：

柴油機不同負荷下油耗率曲線變化平坦，且低油耗區寬廣；汽油機油耗率曲線隨節氣門開度減小而變化劇烈，且低油耗區窄。

汽油機油耗率的速度特性

柴油機油耗率的速度特性3、油耗特性：第四節發動機的轉矩適應性

定義：

當行駛阻力變化時，在不換檔和加油門的情況下，發動機自動降速增矩的特性（常用轉矩適應性系數KT和轉速適應性系數Kn來表示）。

一、KT與Kn：

發動機轉矩的速度特性

式中：Temax、nm為外特性上最大轉矩和對應的轉速；

Tn、nn為標定轉矩和轉速；

二、轉矩儲備系數μ：KT、μ值越大，表明轉速降低后轉矩增加快，發動機適應道路阻力變化的能力就越強。汽油機、柴油機轉矩特性對比

汽油機：μ=10%-30%

柴油機：μ=5%-10%

柴油機轉矩特性較汽油機差，常需要配專門的調速器來改善轉矩特性。柴油機與汽油機外特性的對比相同標定點條件下，汽、柴油機動力適應性對比結論：同一檔位，汽油機的加速和克服阻力能力優于柴油機柴油機最高轉速更遠偏離標定轉速，造成“飛車”柴油機需要低速“校正”；高速“調速”外特性的動力適應性1）轉矩適應系數與轉矩儲備系數2）轉速適應系數Question:三條轉矩外特性線，哪一條線的動力適應性最好？結論：KT和Kn越大，發動機克服阻力的能力越強。汽油機:1.6~2.5柴油機:1.4~2.0汽油機:1.25~1.35柴油機:<1.052>1,Kn1=Kn23=2,Kn3>Kn2柴油機外特性的校正虛線——煙度限制線剖面線——可以讓外特性進行校正而不使煙度超標的空間校正方法：機械校正:加速踏板位置不變，油量調節桿位置隨轉速下降而自動增大校正外特性曲線——機械校正法得到的速度特性已不符合油量調節桿位置不變的定義，故稱之為校正外特性曲線第五節車用柴油機的調速特性調速器的必要性

柴油機工作時的最大特點：

隨著轉速的升高，其循環供油量增加；轉速降低時，供油量減少。

柴油機使用中需要解決的兩個問題：1、控制怠速穩定、防止易熄火2、防止高速“飛車”

調速器的功用

調速器的工作原理：

讓循環供油量的變化符合充量的變化，即轉速降低時增加供油量，反之則減少供油量。

調速器種類

（按功能）

兩極調速

全程調速汽油機與柴油機的自調節性能對比（a）汽油機不同節氣門位置（b）柴油機不同節氣門位置實線：發動機轉矩；點畫線：阻力矩；虛線：調速特性曲線兩級調速器工作原理發動機怠速運轉時，調速器的飛球5的離心力，與軟的怠速彈簧10的推力相平衡。當偶然原因使n高于或低于怠速轉速時，調速器起作用。

由于飛球的離心力增大或減小，使調節推桿6帶動調節杠桿8，以A為支點右移或左移，減少或增加循環供油量，使轉速不至于增加或降低得過多，從而保持了怠速運轉的穩定。兩級調速器的柴油機調速特性由于調速器的作用，使速度特性的兩端得到調整,轉速變化時，轉矩曲線急劇變化。中間部分按速度特性變化。

定義：

調速器手柄位置固定（油門位置不變），在調速器起作用時，柴油機性能指標隨轉速的變化關系。

一、調速特性：

兩極調速特性1、調速率：

二、調速器的工作指標：

突然卸負荷的調速過程

調速器調速過程中應具備以下基本性能：1）轉速波動應收斂，避免長時間不穩定工作而“游車”；

2）轉速波動不能太大，以免影響動力系統正常工作；

3）過渡時間不能太長。

調速率越小，轉速波動越小，柴油機工作就越穩定（通常要求調速率在10%以下）。2、過渡時間tn：

過渡時間越小，調速器反應越迅速（通常要求過渡時間＜5s）。3、不靈敏度ε：

由于調速機構存在摩擦等阻力，當負荷（轉速）在一定范圍內發生變化時，調速器不一定起反應。

式中：n2

、n1為調速器起作用的上、下限轉速轉速；

R為調速機構的摩擦阻力，E調速器產生的推力。

ε越大，柴油機工作越不穩定（通常低速時ε要大），當ε＞1時，調速器將失去作用，易“飛車”。第六節發動機的萬有特性

定義：

與轉速n為橫坐標，平均有效壓力pme為縱坐標，在圖上畫出許多等油耗線和等功率線。

一、萬有特性曲線：特點：在pme~n的平面坐標上，同時表示多種性能萬右特性的制取方法：負荷特性法1）制取負荷特性2）萬有特性坐標3）將負荷特性上的等油耗線移到萬有特性坐標上。2、萬有特性的分析AB經濟區：橫向疏密程度：對轉速的敏感性縱向疏密程度：對負荷的敏感性比較A、B兩點性能：汽油機：負荷特性

節氣門開度：A>B

c：A>B

m：A>B余廢氣系數r：A<B

i：A>B柴油機：

c：A=Bm：A>Br：A<B

i：A<B

a：A<BAB柴油機：

c：A>B