发动机的速度特性

    7.3　发动机的速度特性

    发动机在油量调节机构(对柴油机为油门拉杆或齿条，对汽油机为节气门)位置保持不变的情况下，其性能指标随转速而变化的关系称为发动机的速度特性。这时，性能指标主要指发动机的转矩T _tq、功率P _e、燃料消耗率b _e和排气温度t _r等。

    油量调节机构的位置不同，得出不同的速度特性，速度特性包括全负荷速度特性(即外特性)和部分速度特性。其中，当柴油机的油门固定在标定位置或汽油机的节气门全开时得出的速度特性，称为发动机的外特性。油量低于标定位置时的速度特性称为部分速度特性。由于外特性反映内燃机所能达到的最高动力性能，可确定最大功率或标定功率、最大转矩及它们相应的转速，因而是十分重要的。发动机外特性是体现其工作能力即动力性的特性。

    外特性曲线中，发动机的转矩T _tq曲线很重要，因为很容易由T _tq和n计算出功率P _e、T _tq与p _me成正比，而p _me可表示为

    

    式中，g _b为每循环的供油量。

    速度特性也是在发动机试验台架上测得的。测试时，将油门或节气门位置固定不动，调节测功器的负荷，发动机的转速相应发生变化，待工况稳定后记录数据，得到一个试验点。将不同转速的试验点相连即得到速度特性曲线。在汽车行驶过程中，若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，上坡时汽车速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性运行。

    7.3.1　汽油机的速度特性

    汽油机的速度特性是指汽油机在节气门开度固定不变的情况下性能指标随转速而变化的关系。测取时，各工况均须将点火提前角调整到最佳状态，而过量空气系数则要按理想值来制备。此外，冷却水温度、机油温度等参数均应保持正常稳定的状态。

    由于节气门开度的变化可以是无限的，所以部分速度特性曲线为一个曲线族，如图7－8所示;而外特性曲线只有1条，如图7－9所示。

    

    

    图7－8　汽油机部分负荷速度特性曲线

    

    1－全负荷　2－75%负荷　3－50%负荷　4－25%负荷

    

    

    图7－9　汽油机外特性曲线

    1.外特性曲线

    (1)转矩T _tq曲线。根据式(7－1)和式(7－2)知，T _tq随转速n的变化取决于η_it、η_mη_m、。在节气门开度一定时，汽油机的过量空气系数φ_a值基本不随转速而变化，所以，T _tq的变化主要决定于η_it、η_m、φ_c的乘积随n的变化。如图7－10所示，φ_c是在某一中间转速时最大，这是因为在此转速下能最好地利用惯性进气，当转速低于或高于此转速时φ_c都将降低。指示热效率η_it的变化是在某一中间转速略为凸起，在较低转速下，因缸内气流扰动减弱，火焰传播速度减低，散热及漏气损失增加，使η_it降低;转速高时，燃烧所占的曲轴转角大，燃烧效率低，也使η_it下降。不过它的变化比较平坦，对T _tq影响较小。转速增加，消耗于机械损失的功增加，因此η_m随转速上升而下降。

    

    

    图7－10　汽油机η_it、η_m、φ_c随转速n的变化趋势

    综上所述，汽油机外特性的有效转矩T _tq随转速n的变化规律是:当转速由低速开始上升时，由于φ_c、η_it上升，T _tq有所增加，对应于某一转速时，T _tq达最大值。转速继续提高，由于φ_c、η_it同时下降，因此T _tq随转速升高而较快地下降，即T _tq曲线变化较陡。

    (2)有效功率P _e曲线。有效功率P _e可以由有效转矩和转速根据可得出。当转速从很低值增加时，由于T _tq和转速n同时增加，P _e迅速上升，直至转矩达最高点，之后再继续提高转速，则P _e上升逐渐缓慢;至某一转速后，T _tq n达最大值，P _e亦不能再增加;若转速再上升，由于T _tq的降低已超过转速上升的影响，所以功率P _e反而下降。

    (3)有效燃油消耗率b _e曲线。由于，综合的变化如图7－10所示，b _e在某一中间转速时最低;当转速高于此转速时，因η_itη_m同时下降而上升;当转速低于此转速，因η_it的上升弥补不了η_m的下降，b _e亦增加，特别是在高速范围尤其剧烈，经济运行转速范围越来越窄。

    2.部分速度特性曲线

    汽车大部分时间是在部分负荷下工作，随着节气门开度的减小，节流损失增大，进气终点压力下降，从而引起下降;随着转速提高，下降的速度更快。因此，节气门开度越小，转矩T _tq随转速增加而下降得愈快，最大转矩点及最大功率点均向低转速方向移动。图7－8为某汽油机分别在节气门全开、75%开度、50%开度和25%开度时有效功率P _e、有效转矩T _tq、有效燃油消耗率b _e随转速n的变化规律。

    由部分速度特性b _e曲线可见，并不是节气门全开时b _e曲线最低，因为此时采用的是浓混合气，存在燃烧不完全的现象。当节气门从全开到略为关时，由于可燃混合气由浓的功率混合气逐渐变为理论混合气，b _e曲线的位置降低。当节气门开度为80%左右时，b _e曲线的位置最低。节气门开度再减小，由于残余废气相对增多，燃烧速度下降，使η_it下降，燃油消耗率增加，b _e曲线的位置又逐渐升高。

    7.3.2　柴油机的速度特性

    柴油机的速度特性是指喷油泵的油量调节机构(油门拉杆或齿条)位置固定不动，柴油机性能指标随转速n变化的关系。测取时，各工况均须将供油提前角调整到最佳状态，此外，冷却水温、机油温度等参数均应保持正常稳定的状态。

    当油量调节机构固定在标定(或称额定)功率循环供油量位置时，测得的速度特性为标定功率速度特性，习惯上亦称外特性。图7－11为车用柴油机标定功率速度特性曲线。当油量调节机构固定在小于标定功率循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为部分速度特性，图7－12所示为6135柴油机的部分速度特性。

    柴油机标定功率可以理解为使用中允许的最大功率，它是根据用途、使用负荷等情况确定的。对一具体使用的柴油机，标定功率速度特性(即外特性)也只有一条，它代表该机在使用中允许达到的最高性能，所以柴油机均须测定标定功率速度特性。

    

    

    图7－11　柴油机的外特性曲线

    

    

    图7－12　6135型柴油机部分速度特性

    

    1－90%负荷　2－75%负荷　3－55%负荷

    1.标定功率速度特性曲线(外特性)

    (1)T _tq曲线:由式(7－2)知，柴油机T _tq和p _me曲线历程取决于g _b、η_it、η_m的变化趋势，在自然吸气式柴油机的情况下，这些参数随转速的变化趋势，如图7－13所示。

    在常用的柱塞式喷油泵中，当油量调节机构位置一定而改变转速时，每循环供油量g _b由油泵速度特性决定，它将随转速的提高而增加。加装油量校正装置可使g _b随转速的增加保持基本不变或略为下降，具体视校正程度而定。

    

    

    图7－13　柴油机g _b、η_it、η_m随转速n的变化趋势

    柴油机的指示热效率η_it主要取决于换气和燃烧过程，η_it曲线呈现中间高而两头低的趋势，但曲线的变化趋势较平坦。因为在较高转速下常由于充量系数φ_c下降和g _b上升使过量空气系数φ_a下降，加上燃烧过程经历的时间缩短，混合气形成条件恶化，不完全燃烧现象增加，致使η_it有些下降。转速过低时，由于空气涡流减弱，燃烧不良及传热漏气损失增加，使η_it降低。

    综上所述，自然吸气式柴油机的T _tq－n曲线变化平坦，在某一中等转速有一很不显著的峰值，其曲线形状主要取决于供油系统的速度特性。

    (2)P _e曲线:由于T _tq变化平坦，在一定转速范围内，功率P _e几乎与转速成正比增加。

    (3)b _e曲线:综合η_it、η_m的变化趋势，b _e的速度特性是在某一中间转速时最低，两端略有上翘，但整条曲线变化并不很大。

    2.部分速度特性

    随着油门开度减小，循环供油量减少，但g _b随内n的变化趋势亦随n的增加而上升，所以柴油机部分特性T _tq的变化基本与外特性上的T _tq平行，即T _tq随转速变化比较平坦。柴油机最高转速越高，高速端的η_it、η_m恶化越严重，b _e曲线上翘越多。当油门关小时，由于φ_a增大，燃烧过程改善，b _e曲线可能有所下降，但当油门进一步关小时，由于η_m下降占优势，b _e曲线可能变得较高。对于经常在部分负荷下工作的汽车发动机，还应测量负荷为90%、75%、50%、25%的部分速度特性或作万有特性。

    柴油机采用涡轮增压后，T _tq和P _e均显著增加，而b _e略有下降。T _tq和P _e的增加程度主要取决于增压比。此外，T _tq－n的变化趋势取决于涡轮增压器的性能及其与柴油机的匹配，还与柴油机供油系统调整及其增压补偿系统有关。

    7.3.3　转矩特性

    发动机的转矩随转速而变化的特性，反映了发动机工作时对外界阻力变化的适应能力，是判断发动机的工作转速范围和工作稳定性的依据。因此，为了充分表明发动机的动力性能，除给出标定功率及其相应转速外，还要考虑发动机的转矩特性。

    1.发动机工作转速范围和工作稳定性

    如图7－14所示的曲线I和曲线Ⅱ表示典型发动机的两条外特性转矩曲线，而曲线T _c和T'_c表示汽车行驶阻力换算到发动机飞轮上的两条阻力矩曲线。

    当内燃机以曲线I和阻力矩T _c工作时，发动机将在与这两曲线的交点a和对应的转速n _a稳定工作。如遇汽车上坡等阻力突然增加，阻力矩曲线从T _c变为T'_c，如发动机保持节气门或油门最大开度不变，则发动机工作点将从a点过渡到1点，转速从n _a降到n₁。这时，驾驶员不用加以干预，发动机自动调整，转速降低Δn₁而转矩增大ΔT _tq1，以适应外界阻力矩的变化。

    对于另一发动机，其转矩外特性如图7－14中曲线Ⅱ，由于其转矩曲线较平坦，则在汽车阻力同样从T _c变为T'_c时，工况点将从a点过渡到2点，转速降低较多(Δn₂＞Δn₁)，而转矩增加较少(ΔT _tq2＜ΔT _tq1)。一旦汽车阻力从T'_c恢复到T _c，发动机n₁从恢复到n _a的速度显然要比从n₂恢复到n _a快，因为ΔT _tq1＜ΔT _tq2。这说明，外特性曲线越陡，发动机工作稳定性越好。

    

    

    图7－14　发动机工作阻力变化时其工作点的过渡情况

    进一步分析可知，当阻力特性曲线的斜率大于动力特性曲线的斜率时，系统工作是稳定的，且两者差距越大，稳定性越好。由于发动机外特性T _tq曲线在峰值T _tqmax点右边具有负斜率，左边具有正斜率，所以，一般认为它的稳定使用范围在最大转矩转速n _tq与最大功率转速n _p或标定转速n _n之间。当转速超过n _p或n _n时，发动机的燃料经济性和工作可靠性恶化，因而不能使用;当转速低于n _tq时，发动机工作易陷入不稳定，性能也不好，一般也不使用。为了评定发动机适应外界阻力矩变化的能力，常用适应性系数φ_tqn作为评价指标。

    2.适应性系数φ_tqn

    

    式中，φ_tq为转矩储备系数，为外特性曲线上的最大转矩;T _tqn为标定功率点的转矩);φ_n为转速储备系数，分别表示最大转矩点和标定功率点对应的转速)。

    转矩之比越大，表明发动机对外界阻力矩的适应能力越强，即随转速的降低，有效转矩T _tq增加较快，在不换挡的情况下，爬坡能力及克服短期超载能力强。因此，也常用转矩储备系数φ_tq来说明克服超载的能力。

    一般汽油机φ_tq=1.25～1.35，φ_n=1.6～2.5;柴油机φ_tq= 1.05～1.25，φ_n= 1.4～2.0。所以汽油机的适应性优于柴油机。