第42发动机负荷特性

4-2 内燃机负荷特性内燃机负荷特性是指发动机转速不变的条件下，其他性能参数（主要是经济性指标）随负荷（油门或节气门开闭）而变化的关系。汽车在实际运行时，除超车、爬坡等运行工况下油门全开外，大部分工况是发动机在中等负荷区工作，车速基本不变，但由于道路阻力的变化，使得油门（或节气门）开度随时发生变化，以适应外界阻力的变化，因此，发发动机的负荷特性对汽车运行性能具有重大的影响。动机的负荷特性对汽车运行性能具有重大的影响。通常用发动机的负荷特性来分析汽车燃料经济性的好坏，而用发动机的外特性分析汽车的动力性能。（汽车的动力性能主要用发动机的外特性来反映）。（4）指示效率指示效率i：小负荷大，小，燃烧不完全，i低，随负荷，燃烧改善，i，供给功率混合气时（85%左右节气门开度时），混合气加浓，小，燃烧不完全，i又降低。（2）残余废气函数残余废气函数：；小负荷时，v小，m新气少，大，负荷，v，m新气，m废气有所，全负荷时达最小值。新气废气mm（1）充气系数充气系数v：汽油机量调节，负荷，节气门开度，进气节流阻力，v低，随着负荷，节气门开度，进气阻力，v，直至全开，v达到最大值。（3）过量空气系过量空气系数数：对于电控汽油机，在工作温度较低时，小负荷应加浓混合气，全负荷如果要提高功率，也要加浓混合气；工作温度正常情况下，为减少排放，过量空气系数基本不变。4-3-1 汽油机各参数随负荷变化的特性分析汽油机各参数随负荷变化的特性分析小结：1.从发动机角度，努力提高小负荷工况下的热效率。2.从经济性匹配使用角度，尽量使用中高负荷率工况工作。4-3-1 汽油机各参数随负荷变化的特性分析汽油机各参数随负荷变化的特性分析4-3-2 汽油机的负荷特性汽油机的负荷特性 汽油机的负荷调节采用的是“量调节方式”，即通过改变节气门开度以改变进入气缸的混合气量，在部分负荷范围内混合气浓度变化不大，因而汽油机的循环进气量，循环供油量以及输出功率与节气门开度几乎成比例变化（故有的负荷特性图上以节气门开度作横坐标，有的以功率作横坐标）。一般多用功率作横坐标（便于绘制万有特性曲线）。在负荷特性图中，主要描述的是经济性的指标（B、be）随负荷而变化的关系，有时根据需要还要测录排气温度Tr和排气烟度R曲线（对柴油机）等，排气温度在一定程度上反映零件的热负荷，而烟度则反映了内燃机工作过程进行的好坏，因此，负荷特性不仅能给出了内燃机在不同负荷下运转时的经济性能，而且给出内燃机功率标定提供了依据。汽油机负荷特性如图4-1所示。由于汽油机混合气浓度除怠速与全负荷时较浓以外，在大部分情况下（中等油门开度）变化不大，因此，发动机的循环供油量（小时耗油量B，或Gf）与节气门开度几乎呈线性变化，大负荷下混合气变浓，B上升更快，曲线变陡。汽油机i、m随负荷变化的关系也示于图4-1中，i是一条上凸的曲线，而m随负荷的增大而提高，由于be 因此，随度负荷的增加，i，m均 增 大，当 负 荷 增 至8590%油门开度时，混合气加浓，变小，i下降，be(ge)又有所上升。mi1 （1）充气系数充气系数v：v基本不随负荷而变。（2）残余废气系数残余废气系数：负荷对m废气影响不大，m新气基本不变，基本不变。（3）每循环供油量每循环供油量gb：负荷，gb（质调节）。高负荷后，燃烧恶化。（4）过量空气系数过量空气系数：m新气基本不变，负荷,gb,。4-3-3 柴油机各参数随负荷变化的特性分析柴油机各参数随负荷变化的特性分析 机械式供油 （5）指示效率指示效率i：高低负荷两头均有下降趋势，总体上随负荷增加而降低。随负荷，油气混合不均匀度，燃烧不完全；燃烧持续时间，后燃，i。负荷太小，缸内温度太低，燃烧反而恶化；负荷过大，混合气加浓到一定程度后混合与燃烧均不完善，因此，高低负荷两头都有下弯的趋势，尤以超负荷更为严重。小结：1.从发动机角度，努力提高小负荷和高负荷工况下的热效率。2.从经济性匹配使用角度，尽量使用中等负荷率工况工作。4-3-4 柴油机的负荷特性柴油机的负荷特性一、传统供油系统 柴油机的负荷特性与汽油机具有相似的形态，如图4-2所示。柴油机的负荷调节方式为“质调节”，即通过改变循环喷油量调节负荷。随着负荷的增加，循环供油量增加，值减小，柴油机油气混合不均匀度增加，燃烧不完全程度增大，i下降，而且大负荷时，不完全燃烧及补燃增加，i下降较快，m则随负荷的增大而增大，i、m综合作用使得柴油机的be(ge)曲线在中等负荷区变化较为平缓，负荷较低时，m小，be较大，高负荷时i下降迅速，be也会增大。柴油机的负荷特性与汽油机相比，具有下述特点。（1）柴油机的最低比油耗较汽油机低，这是由于柴油机的i比汽油机高。（a）柴油机的比汽油机大，大，燃烧完全，i大（b）柴油机的压缩比比汽油机大，大，膨胀比大，混合膨胀充分，热量利用率高，i大（2）柴油机的比油耗曲线较汽油机平坦，这是由于i曲线形状上两种机型的差别造成的（部分负荷下柴油机比汽油机更省油）。二、柴油机各参数随负荷变化的特性分析、柴油机各参数随负荷变化的特性分析 高压电控供油 010203040506070800501001502002503001.5e+0032e+0032.5e+0033e+0033.5e+003转 速/rpm转矩/N.m负 荷 特 性油门开度%二、柴油机各参数随负荷变化的特性分析、柴油机各参数随负荷变化的特性分析 高压电控供油 010203040506070802003004005006007008001.5e+0032e+0032.5e+0033e+0033.5e+003油 门/%耗油率/(g/kW.h)负 荷 特 性小结：1.从发动机角度，采用高压供油系统可以改善发动机高负荷区域的经济性。2.从经济性匹配使用角度，尽量使用中高负荷率工况，对小负荷工况，在中低转速工况工作。010203040506070802003004005006007008001.5e+0032e+0032.5e+0033e+0033.5e+003油 门/%耗油率/(g/kW.h)负 荷 特 性1000150020002500300035004000200250300350400450500550600101020304050607080转 速/rpm耗油率/(g/kW.h)速 度 特 性4-3-5 发动机负荷特性与汽车燃料经济性能发动机负荷特性与汽车燃料经济性能的关系的关系 车用发动机的工作负荷变化很大，可以在零到最大值之间变化。汽车在平直路面上行驶，车速基本不变，对应地发动机的转速n基本不变，而其负荷要随路面阻力的变化而变化，另外，汽车的行驶车速，档位也随路面状况、交通情况的不同而不同，所以发动机的转速也是时刻变化着的，这就使得汽车整车的性能分析变得十分复杂。评价汽车运行经济性能的指标是汽车的Q100。它与发动机功率Pe，比油耗be以及车速Va之间具有下述关系。Q100=100Pebe/Va 因此，汽车的燃料经济性能不仅取决于发动机的比油耗be的高低，而且与汽车的行驶车速Va以及该车速对应的发动机功率Pe有关。这里顺便指出，汽车的百公里油耗Q100与发动机的最低比油耗bemin是两个概念。1）经济性良好的发动机不但要求它的最低比值油耗bemin值小，更重要的是要求在一个较广的范围内be都较低。2）发动机的有效比油耗指标并不能完全代表汽车的经济性能指标Q100，它们之间还有一个最佳的匹配问题（与汽车底盘参数的匹配）。通过对发动机进行改进，大幅度地降低发动机各负荷特性上的比油耗，汽车的整车燃料经济性能也将得到相应的改善，另一方面，在发动机现有性能条件下，通过对汽车传动系参数与发动机特性之间的合理匹配（即根据关系式Q100=100Pebe/Va，改变汽车车速Va与所对应的汽车发动机功率Pe和be之间的关系），也会达到汽车节能的目标。汽车使用油耗在很大程度上取决于发动机最经常使用的汽车使用油耗在很大程度上取决于发动机最经常使用的负荷范围的特性，发动机性能的改进应设法使此区域内油负荷范围的特性，发动机性能的改进应设法使此区域内油耗得以改善耗得以改善。图4-3为一台汽油机改进前后的负荷特性的对比曲线，由图可以看出，在绝大部分负荷下，改进后的be曲线均低于改进前，因而就发动机本身而言，经济性能得到了明显的改善，但汽车的整车经济性能是否得到改善，则取决于它的常用工况范围所对应的发动机负荷范围，如果是a、b段，则改进后的整车性能反而变差。因而发动机性能的改进并不能确切地反映汽车使用性能的改善，还与汽车的使用条件有关。汽车行驶中档位是经常变化的，因而所对应的发动机转速和功率也时刻在发生变化。一般地，在同一发动机功率下，发动机转速越低，其负荷率越大（因为外特性上Ne随ne的增大而增大，ne低对应的Nemax小，则Ne/Nemax大，即负荷率大），相应的比油耗也就越低，图4-4给出了比油耗与负荷的关系。因此，在发动机的动力性在发动机的动力性能允许的条件下，尽可能地提能允许的条件下，尽可能地提高发动机的负荷率，高发动机的负荷率，即使汽车运行中所对应的发动机工况点尽可能向发动机的低转速方向移动，是改善汽车燃料经济性是改善汽车燃料经济性能的一项重要措施能的一项重要措施。将图4-4所示各负荷特性上的比油耗最低点，用一条光滑的曲线连接起来，就得到了负荷特性上最低油耗点的经济线bemin，发动机功率沿此线变化时的比油耗最低。可以证明，此曲线是汽车的整车最佳性能曲线，即，如果能设计出一种无级变速器，使汽车的车速对应的发动机转速按照此曲线而随负荷变化，那么汽车就具有最佳的燃油经济性能。实际上，还不能设计出如此理想的无级变速器。汽车采用的是分级变速，挡位分配也受使用方便性的限制，在这种情况下，降低汽车降低汽车的传动比以降低同一汽车车速所的传动比以降低同一汽车车速所对应的发动机转速来提高负荷率对应的发动机转速来提高负荷率是提高汽车整车经济性能的措施是提高汽车整车经济性能的措施之一之一。但是速比改变（减小）以后将会产生两个问题：（1）当速比减小时，同一车速所对应的转速下降，Nemax也要下降（按外特性变化），因此功率储备下降（发动机功率与行驶阻力功率之差），汽车的动力性能恶化；（2）减速比越小，对汽车的经济性能越有利，那么在维持动力性能符合要求的前提下，减速比的限度如何？要回答这两个问题需要了解汽车运动动力学，这些内容将在后续的有关章节详细介绍。