汽車檢測診斷技術(shù)與設(shè)備第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論

1、Automobile Electrics學習目標n了解發(fā)動機性能指標。n掌握發(fā)動機速度特性、負荷特性曲線。n了解柴油機調(diào)速特性。n掌握發(fā)動機萬有特性。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.1 發(fā)動機性能指標第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論 建立發(fā)動機性能指標是為了便于評價其質(zhì)量。發(fā)動機性能指標有兩種：一種是以工質(zhì)對活塞作功為基礎(chǔ)的性能指標，簡稱指示指標，具體有：平均指示壓力pi、指示功率Pi、指示燃油消耗率gi和指示熱效率i。指示指標不受動力輸出過程中機械摩擦和附件消耗等各種外來因素的影響，直接反映由燃燒到熱功轉(zhuǎn)換的工作循環(huán)進行的好壞，因而在工作過程的分析研究中得到廣泛的應(yīng)用

2、。另一種是以曲軸輸出功率為基礎(chǔ)的性能指標，簡稱有效指標。有效指標被用來直接評定發(fā)動機實際工作性能的優(yōu)劣，因而在生產(chǎn)實踐中獲得廣泛的應(yīng)用。發(fā)動機有效指標包括動力性指標和經(jīng)濟性指標兩類，本節(jié)主要介紹發(fā)動機有效指標。 Automobile Electrics1.1.1發(fā)動機的動力性指標 1.有效功率 發(fā)動機曲軸上輸出的功率叫有效功率Pe，由發(fā)動機臺架試驗得出，它總是小于指示功率Pi。因為在指示功率的機內(nèi)傳輸過程中，不可避免地有機械損失，這些損失包括發(fā)動機內(nèi)部運動件的摩擦損失、驅(qū)動附屬機構(gòu)的損失及泵氣損失等，機械損失所消耗功率的總和稱為機械損失功率Pm。因此，有效功率Pe為 ， kW （1-1） 為了

3、表明由于機械損失使發(fā)動機有效功率減少的程度，引入機械效率m的概念。它等于發(fā)動機有效功率與指示功率的比值。 （1-2）機械效率值越高，則發(fā)動機性能越好。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論miePPPieimiemppPPPP1Automobile Electrics1.1.1發(fā)動機的動力性指標 2.有效轉(zhuǎn)矩 發(fā)動機曲軸輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩Me，可由測功器測得。根據(jù)所測得的有效轉(zhuǎn)矩Me（Nm）和發(fā)動機轉(zhuǎn)速n（r/min），可以得出有效功率Pe，即 ， kW (1-3)或： ，Nm (1-4)第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論9550106023nMnMPeeenPMee9550Automobile Electrics1

4、.1.1發(fā)動機的動力性指標3.平均有效壓力發(fā)動機單位氣缸工作容積輸出的有效功，稱為平均有效壓力pe。其表達式為： ， kPa （1-5）式中：Vh 氣缸工作容積，L。設(shè)一臺發(fā)動機的缸數(shù)為i，氣缸工作容積為Vh（L），轉(zhuǎn)速為n（r/min），平均有效壓力為pe（kPa）。則發(fā)動機有效功率為 ，kW （1-6）式中：發(fā)動機的沖程數(shù)，（四沖程4。二沖程2）。或 ，kPa （1-7）通過Pe與Me之間的關(guān)系，pe還可寫成 ，kPa （1-8）發(fā)動機有效功率、有效轉(zhuǎn)矩、平均有效壓力越大，動力性越好。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論heeVWp 31030niVpPhee31030niVPpheeiVMphee1

5、4. 3Automobile Electrics1.1.2發(fā)動機經(jīng)濟性指標 1.有效燃料消耗率 有效燃料消耗率ge是單位有效功的耗油量。通常以每千瓦小時有效功的耗油量表示，以g/（kWh）為單位。有效燃料消耗率按下式計算： ，g/kW h （1-9） 式中：GT 發(fā)動機每小時耗油量，kg/h。 2.有效熱效率有效熱效率e是發(fā)動機實際循環(huán)的有效功與所消耗燃料的熱量之比。 （1-10）式中：Q1為得到有效功所消耗的熱量，kJ； We發(fā)動機的有效功，kJ。1kWh的能量為3600kJ，而完成1kWh的功所需要消耗的熱量為geH/1000（kJ），H為燃料低熱值（kJ/kg），則有效熱效率為： （1-

6、11）發(fā)動機有效燃料消耗率越小、有效熱效率越高，經(jīng)濟性越好。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論310eTePGg1QWee6106 . 3ueeHgAutomobile Electrics1.2 發(fā)動機特性第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論 發(fā)動機的性能指標隨發(fā)動機調(diào)整情況和運轉(zhuǎn)工況而變化的關(guān)系稱為發(fā)動機特性。其中性能指標隨調(diào)整情況變化的關(guān)系稱調(diào)整特性；性能指標隨運轉(zhuǎn)工況變化的關(guān)系稱為性能特性。發(fā)動機特性通常用曲線表示,稱為發(fā)動機特性曲線。通過特性曲線可以分析在不同使用工況下，發(fā)動機特性變化的規(guī)律及影響因素，評價發(fā)動機性能，從而提出改善發(fā)動機性能的途徑。 Automobile Electrics1.2 發(fā)動機特性第1

7、章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論發(fā)動機隨使用工況的不同，它發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)矩不同。實際上，有效燃料消耗率ge、有效熱效率e、平均有效壓力pe及其它工作過程參數(shù)也將隨之變化。發(fā)動機有效指標與工作過程參數(shù)之間的關(guān)系經(jīng)推導(dǎo)為 ， kPa (1-12) , kW (1-13) , N.m (1-14) , g/kW.h (1-15)式中：K1、K2、K3、K4比例系數(shù)；過量空氣系數(shù)；i指示熱效率；m機械效率；v充氣效率。上述公式表明了發(fā)動機的有效性能指標與工作過程參數(shù)之間存在一定的比例關(guān)系。因此，通過分析、 i、m、v隨工況的變化可以了解發(fā)動機工況變化時其性能的變化規(guī)律。 vmieKp11nKPvmie12vmieK

8、M13mieKg14Automobile Electrics1.2.1發(fā)動機負荷特性 發(fā)動機負荷特性表示發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速下，燃油經(jīng)濟性指標及其它參數(shù)隨負荷（可用功率Pe、轉(zhuǎn)矩Me或平均有效壓力pe等表示）的變化關(guān)系。 1.汽油機負荷特性 點火提前角最佳、化油器調(diào)整完好的情況下，保持汽油機轉(zhuǎn)速一定，每小時耗油量GT、有效燃料消耗率ge隨負荷而變化的關(guān)系，稱為汽油機負荷特性。 汽油機的負荷調(diào)節(jié)方法稱為“量調(diào)節(jié)”。即靠改變節(jié)氣門開度，從而改變進入氣缸的混合氣數(shù)量來適應(yīng)負荷變化。 每小時耗油量GT曲線：汽油發(fā)動機每小時耗油量GT隨負荷增大而增加，大負荷時上升更快。這是因為當汽油機轉(zhuǎn)速一定時，每小時耗油

9、量GT主要取決于節(jié)氣門開度和混合氣成分。節(jié)氣門開度由小逐漸加大時，充入氣缸的混合氣量逐漸增加，GT隨之上升；當節(jié)氣門開度增大到約為全開時的80以后，混合氣加濃，GT上升速度加快，曲線變陡。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.1發(fā)動機負荷特性 有效燃料消耗率ge曲線：在怠速時為無窮大，隨負荷增大迅速下降，至某一負荷時最低，之后又回升。這是因為怠速時其指示功率全部用于克服機械損失功率，此時機械效率為零，故ge為無窮大。隨著負荷增加，進入氣缸的新鮮混合氣數(shù)量增加，殘余廢氣相對減少，發(fā)動機負荷增加使燃燒室工作溫度提高，燃料霧化條件改善，燃燒速度加快，散熱損失及泵氣損失

10、相對減少，因此指示效率i隨負荷增加而上升。當轉(zhuǎn)速一定，負荷增加時，Pm變化不大，而Pi成比例增加，由公式（1-2）可知，m迅速增加。由于i、m隨負荷增加而同時上升，故ge迅速下降，直至降到最低值。之后，負荷繼續(xù)增加，節(jié)氣門開度達到80時，混合氣加濃，燃燒不完全，i下降，結(jié)果ge又有所上升。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.1發(fā)動機負荷特性 2.柴油機負荷特性 柴油機轉(zhuǎn)速一定，每小時耗油量GT、有效燃油消耗率ge隨負荷而變化的關(guān)系稱柴油機的負荷特性。 轉(zhuǎn)速一定時，進入氣缸的空氣量不變，改變負荷相應(yīng)改變的是每循環(huán)供油量g，使混合氣成分變化。因此，柴油機是通過改

11、變混合氣的過量空氣系數(shù)（濃度）來適應(yīng)負荷的變化。其負荷調(diào)節(jié)方法稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。 柴油機負荷特性中的GT、ge曲線變化趨勢與汽油機一致。 每小時耗油量GT曲線：GT隨負荷增大而上升，大負荷時上升更快。 有效燃料消耗率ge曲線：ge也是一條下凹曲線，1點達最低，2點為冒煙界限。ge的變化由im決定。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.1發(fā)動機負荷特性3.負荷特性曲線的特點（1）負荷特性是發(fā)動機的基本特性。常用它評價發(fā)動機工作的經(jīng)濟性。根據(jù)需要可測定發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的負荷特性，其特點是轉(zhuǎn)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。（2）負荷特性可

12、反映發(fā)動機工作的經(jīng)濟性。由負荷特性可以看出：低負荷時，耗油率很高，經(jīng)濟性差，因此，應(yīng)注意提高發(fā)動機功率利用率。同一轉(zhuǎn)速下最低耗油率gemin愈小、曲線變化愈平坦，經(jīng)濟性愈好。柴油機gemin比汽油機低1030，而且燃料消耗率曲線比較平坦，相比之下，柴油機經(jīng)濟性較好。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.2發(fā)動機速度特性發(fā)動機性能指標隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系稱為發(fā)動機的速度特性。1.汽油機速度特性汽油機節(jié)氣門開度固定不動，點火提前角最佳及化油器調(diào)整完好（汽油噴射式發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)及進氣系統(tǒng)工作正常）情況下，有效功率Pe、扭矩Me。、燃油消耗率ge隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系稱為

13、汽油機的速度特性。節(jié)氣門全開時的速度特性稱為外特性。節(jié)氣門部分打開時的速度特性稱為部分負荷速度特性。（1）外特性有效轉(zhuǎn)矩Me曲線：汽油機外特性上Me曲線為一上凸形狀，在某一轉(zhuǎn)速下達到最大值，然后隨之下降，且下降程度隨轉(zhuǎn)速升高而加快，曲線變化較陡。有效功率Pe曲線：Pe曲線也是一上凸形狀，某一轉(zhuǎn)速下具有最大值。有效燃料消耗率ge曲線：ge為一下凹曲線，某一轉(zhuǎn)速下達最小。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.2發(fā)動機速度特性（2）部分負荷速度特性如右圖為EQ6100汽油機速度特性。由圖可知，部分負荷速度特性與外特性變化趨勢相同。部分負荷速度特性上的Me、Pe值均低

14、于外特性值，負荷越小，數(shù)值越小，且最大功率、最大轉(zhuǎn)矩點向低速方向移動。ge曲線以節(jié)氣門80左右開度時為最低。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.2發(fā)動機速度特性2.柴油機速度特性噴油泵油量調(diào)節(jié)機構(gòu)（供油拉桿或齒條）位置固定不動，柴油機性能指標（有效功率Pe、扭矩Me、燃油消耗率ge、每小時耗油量GT）隨轉(zhuǎn)速n變化的關(guān)系稱為柴油機速度特性。當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在標定循環(huán)供油量位置時的速度特性稱為柴油機外特性。當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在小于標定循環(huán)供油量位置時的速度特性稱為柴油機部分負荷速度特性。（1）外特性由圖可知，柴油機Me曲線也是一上凸形狀，但變化平坦，使得Pe曲

15、線在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)幾乎隨轉(zhuǎn)速成正比增加。ge曲線也是一條凹形線，也比汽油機平坦。有效轉(zhuǎn)矩Me曲線：對于柴油機，公式（1-14）可定性地寫成，所以柴油機Me曲線變化規(guī)律主要取決于i、m、g隨n的變化。柴油機轉(zhuǎn)矩Me隨n的變化曲線較平坦。有效功率Pe曲線：由于Me隨n的變化不大，在一定范圍內(nèi)，Pe幾乎是隨n上升成正比的增加。有效燃料消耗率ge曲線：ge曲線也是一條凹形線，由于i隨n的變化比較平坦，使ge曲線凹度比汽油機小。由于柴油機壓縮比高，其最低耗油率比汽油機低2030。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.2發(fā)動機速度特性 （2）部分負荷速度特性 隨油量調(diào)節(jié)機構(gòu)

16、位置向減少供油量方向移動時，循環(huán)供油量減少，使部分負荷速度特性的功率Pe、轉(zhuǎn)矩Me值均低于外特性。但隨著負荷減小，循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本不變，使部分負荷速度特性的變化趨勢同外特性相似。所以柴油機的部分負荷速度特性的Pe、Me曲線是隨著負荷的減小，大致平行下移。 耗油率曲線的變化趨勢基本同外特性。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.2發(fā)動機速度特性 3.轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù) 轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)是評定發(fā)動機適應(yīng)外界阻力矩變化能力的指標，其值為： （1-16） 式中：Memax 全負荷速度特性上的最大轉(zhuǎn)矩，Nm；MB 標定工況下的轉(zhuǎn)矩，Nm。 值愈大，隨轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩增

17、長愈快，發(fā)動機克服短期超負荷的能力愈強，能適應(yīng)阻力波動較大的工作情況，且最大轉(zhuǎn)矩Memax對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nM愈低，汽車在不換檔的情況下，發(fā)動機克服阻力的潛力愈強。 汽油機Me曲線陡，在1030之間，當外界阻力變化（增或降）引起發(fā)動機轉(zhuǎn)速改變（降或增）時，能自動使輸出轉(zhuǎn)矩改變（增或降）以適應(yīng)這種變化，保證發(fā)動機穩(wěn)定工作。 柴油機Me曲線變化平坦，只有510的范圍，當遇到負荷突變時，不能穩(wěn)定工作。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論%100maxBBeMMMAutomobile Electrics1.2.2發(fā)動機速度特性 4.汽、柴油機速度特性曲線的對比 經(jīng)對汽油機和柴油機外特性比圖可以看出汽、柴油機速度特性的主

18、要區(qū)別是： （1）汽油機Me線總體上向下傾斜較大，低負荷時傾斜更大；而柴油機Me線總體變化平坦，這種差別引起了兩種機型在負荷急劇變化時工作穩(wěn)定性的巨大差異。 （2）汽油機Pe外特性曲線的最大值點，一般就是標定功率點；而柴油機可達到的最大值點的轉(zhuǎn)速很高，所以標定點并非該特性線的極值點。 （3）柴油機燃料消耗率ge曲線比汽油機平坦，低負荷時更是如此。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.3柴油機的調(diào)速特性1.柴油機裝調(diào)速器的必要性理論上柴油機噴油泵每個工作循環(huán)的供油量主要取決于供油拉桿的位置，當供油拉桿位置一定時，每一循環(huán)的供油量應(yīng)不變，但實際上，供油量還受到發(fā)動

19、機轉(zhuǎn)速的影響。柱塞式噴油泵即使在供油拉桿位置不變時，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，供油量也略有增加，這一特性稱為噴油泵速度特性，由此使得柴油機轉(zhuǎn)矩曲線的形狀與汽油機不同。發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線的形狀決定了發(fā)動機工作的穩(wěn)定性。汽油機由于轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)大，適應(yīng)能力強，能保證汽油機穩(wěn)定工作。而柴油機的轉(zhuǎn)矩曲線變化平坦，轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)小，一旦卸去負荷，轉(zhuǎn)速會大大超過標定轉(zhuǎn)速。同時循環(huán)供油量也隨之增加，導(dǎo)致排氣冒煙嚴重，零件過熱。又由于柴油機機件笨重，超速時的慣性力較大，容易造成零件損壞。因此柴油機要裝調(diào)速器以防高速飛車，保證工作的穩(wěn)定。汽車發(fā)動機經(jīng)常在怠速工況下運轉(zhuǎn)，如果此工況不穩(wěn)，發(fā)動機將經(jīng)常熄火或轉(zhuǎn)速不斷增加。汽油機

20、怠速運轉(zhuǎn)穩(wěn)定的主要原因是：假如發(fā)動機pm下降，汽油機由于節(jié)氣門開度很小，節(jié)流損失大，使pi隨n增加而迅速下降。而柴油機的情況則不同，即使供油拉桿在最小供油量位置，由于噴油泵的速度特性，也使每循環(huán)供油量隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，使pi增加。所以，pm稍有變化，轉(zhuǎn)速波動很大，很容易使柴油機熄火。因此，柴油機需裝調(diào)速器，以保證怠速運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.3柴油機的調(diào)速特性2.柴油機調(diào)速特性柴油機可根據(jù)需要裝用兩級式或全程式調(diào)速器。在調(diào)速器起作用時，柴油機主要性能指標隨轉(zhuǎn)速或負荷變化的關(guān)系，稱為柴油機調(diào)速特性。（1）柴油機帶兩級式調(diào)速器的調(diào)速特性車用

21、柴油機一般采用兩級式調(diào)速器。調(diào)速器在怠速與標定轉(zhuǎn)速附近起作用，以防止發(fā)動機怠速不穩(wěn)和高速飛車。中間轉(zhuǎn)速調(diào)速器不起作用，由駕駛員通過加速踏板控制供油量。其調(diào)速特性如圖所示。假如柴油機沿部分特性3工作，外界阻力矩增加時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速將會降低，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩沿曲線3變化，略有增加。若發(fā)動機轉(zhuǎn)矩仍小于外界阻力矩，發(fā)動機轉(zhuǎn)速會繼續(xù)降低，若轉(zhuǎn)速降至略低于怠速轉(zhuǎn)速，調(diào)速器的怠速彈簧起作用，使循環(huán)供油量增加，轉(zhuǎn)矩曲線上升，與外界阻力矩達到一個新的平衡，發(fā)動機轉(zhuǎn)速略低于負荷增加前的轉(zhuǎn)速，避免了柴油機熄火。沿部分特性3工作時，若外界阻力矩減小，柴油機轉(zhuǎn)速超過標定轉(zhuǎn)速時，調(diào)速器自動起作用，使循環(huán)供油量減少，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩曲線

22、迅速降低，和外界阻力矩達到一個新的平衡，柴油機轉(zhuǎn)速略高于外界阻力減小前的轉(zhuǎn)速，防止了超速。第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.3柴油機的調(diào)速特性（2）柴油機帶全程式調(diào)速器的調(diào)速特性工程機械、礦山機械等用柴油機一般裝用全程式調(diào)速器。柴油機由最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的寬廣范圍內(nèi)，調(diào)速器都起作用。柴油機帶全程式調(diào)速器的調(diào)速特性如圖所示。 調(diào)速手柄的位置一定，調(diào)速彈簧便具有一定的預(yù)緊力。負荷變化時，調(diào)速器起作用，保證柴油機在轉(zhuǎn)速近乎不變的情況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。例如，柴油機在某一工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。如果外界阻力矩增加，則轉(zhuǎn)速下降，調(diào)速器使循環(huán)供油量增加，柴油機轉(zhuǎn)矩沿某一條調(diào)速特性曲線迅

23、速增加，直至與外界阻力矩平衡，而轉(zhuǎn)速變化不大。如果外界阻力矩減小，則使循環(huán)供油量減少，柴油機轉(zhuǎn)矩沿某一調(diào)速特性曲線迅速減小，直至與外界阻力矩達到新的平衡為止。綜上所述，由于調(diào)速器的作用，柴油機的轉(zhuǎn)矩曲經(jīng)形狀得到改善，在轉(zhuǎn)速微小的變化范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩曲線可以急劇地變化，由零到最大，或由最大到零，對外界阻力矩的較大變化，有較好的適應(yīng)性。保證柴油機在任一選定的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，如果需要改變柴油機的轉(zhuǎn)速，只要改變加速踏板的位置，從而改變調(diào)速彈簧的預(yù)緊力即可實現(xiàn)。 第1章 發(fā)動機基礎(chǔ)理論Automobile Electrics1.2.4發(fā)動機萬有特性 由于發(fā)動機的負荷特性和速度特性只能表示在某一確定轉(zhuǎn)速或某一確定節(jié)氣門開度（或油門拉桿位置）下運行時發(fā)動機的性能變化規(guī)律。而汽車發(fā)動機經(jīng)常在變速變負荷下工作，工況范圍比較寬廣，為了全面評價發(fā)動機在所有使用工況內(nèi)的性能，還需作多參數(shù)的特性試驗即萬有特性試驗。通過萬有特性曲線，可以查出發(fā)動機任何工況下的性能指標。 1.定義 萬有特性就是在一張圖上用多參數(shù)的特性