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1、发动机理论1第1页，本讲稿共72页欢迎各位同学前来进行欢迎各位同学前来进行工程机械发动机原理与底盘理论工程机械发动机原理与底盘理论课程的学习！课程的学习！2第2页，本讲稿共72页第一篇 工程机械发动机原理 第5章 发动机特性 内容要点：内容要点：负荷特性负荷特性 速度特性速度特性 柴油机调速特性柴油机调速特性 万有特性万有特性 3第3页，本讲稿共72页第第5章章发动机的特性发动机的特性工程机械行驶时，由于车速与行驶阻力不断变化，则发动机的转速和负荷亦相应变化，以适应工程机械工况的需要。随着转速和负荷的改变，发动机工作过程也会发生变化。因此，发动机在不同使用条件下具有不同的动力性与经济性。4第4
2、页，本讲稿共72页第一节第一节发动机工况发动机工况一、工况发动机的运行情况，简称工况。工况以功率Pe和转速n来表示，此功率、转速应该与发动机所带动的工作机械要求的功率、转速相适应。只有当发动机发出的扭矩与工作机械消耗的扭矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。5第5页，本讲稿共72页二、发动机特性发动机性能指标随调整运转工况而变化的关系称为发动机特性。性能指标调整情况运转工况调整特性性能特性特性用曲线表示称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。6第6页，本讲稿共72页三、发动机性能指标与工作过程的关系发动机输出的有效指标通常用平均有效压力pe、有效扭矩Me、
3、有效功率Pe、有效燃油消耗率ge、每小时耗油量GT表示。这些指标与发动机工作过程参数的关系可以推导如下。7第7页，本讲稿共72页式中:v充量系数；o大气状态下空气密度（kg/m3）；Vs气缸工作容积（m3）；过量空气系数；hu燃料低热值（kJ/kg）；Lo理论空气量（kg/kg）。每循环放热量Q（kJ）为8第8页，本讲稿共72页根据平均有效压力pe（kPa）的定义式中:We每循环有效功（kJ）；e有效热效率。式中：it指示热效率；m机械效率。9第9页，本讲稿共72页功率扭矩（汽油机）燃油消耗率小时耗油量扭矩（柴油机）10第10页，本讲稿共72页第二节第二节发动机台架试验发动机台架试验一、试验台
4、装置基本组成、装配关系、固定、支承11第11页，本讲稿共72页二、制动测功装置二、制动测功装置测功器测功器1.水力测功器水力测功器12第12页，本讲稿共72页2.平衡式电力测功器平衡式电力测功器3.电涡流测功器电涡流测功器13第13页，本讲稿共72页三、耗油率的测量三、耗油率的测量1.容积法容积法充油14第14页，本讲稿共72页测量15第15页，本讲稿共72页测量消耗容积v的燃油所用时间t16第16页，本讲稿共72页燃油消耗量按下式计算式中:V球泡容积（mL）；Pe发动机有效功率（kW）;f燃油密度（g/mL）；t消耗容积V的燃油所用时间（s）。小时耗油量耗油率17第17页，本讲稿共72页2.
5、质量法质量法油箱供油18第18页，本讲稿共72页充油19第19页，本讲稿共72页测量20第20页，本讲稿共72页燃油消耗量按下式计算式中：t消耗m（g）燃油所需时间（s）；Pe消耗m（g）燃油时测量的有效功率（kW）；GT小时耗油量（kg/h）；ge有效燃油消耗率g/（kWh）。21第21页，本讲稿共72页第第三节三节发动机的速度特性发动机的速度特性发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的速度特性。若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，车辆行驶速度也会改变，上坡时速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性工作。22第22页，本讲稿共72页一一、汽油机的速度特性汽油机的速
6、度特性 （1）速度特性：汽油机节气门开度固定不动，其有效功率Pe、扭矩Ttq、燃油消耗率b、每小时消耗油量B等随转速n变化的关系。（2）测取：发动机台架试验。测取前，应将点火提前角及化油器调整完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。23第23页，本讲稿共72页 节气门全开时速度特性称为外特性。节气门部分打开时的速度特性称为部分负荷速度特性。由于节气门的开启可以无限变化，所以部分负荷速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只能有一条。24第24页，本讲稿共72页（一）外特性曲线1扭矩曲线变化趋势:曲线呈上凸形状。25第25页，本讲稿共72页根据公式可见，Me随n的变化取决于指示热效
7、率i、机械效率m、充气效率v与过量空气系数随n的变化。26第26页，本讲稿共72页（1）在节气门开度一定时，过量空气系数可视为常数。（2）充气效率v在某一中间转速时最大。因为一定的配气相位仅对一种转速最适合，此转速下能最好地利用气流惯性。其余转速时v均降低，曲线为上凸形。27第27页，本讲稿共72页（3）指示热效率it 转速低，it较低，转速高时，it也较低。但变化比较平坦，对Ttq影响较小。28第28页，本讲稿共72页（4）机械效率 m转速增加，消耗于机械损失功增加。因此，随转速升高，机械效率m明显下降。29第29页，本讲稿共72页综合作用的结果是：当转速由低开始上升时，v，it同时增加的影
8、响大于m下降的影响，使Me增加，对应于某一转速时,Me达到最大值。转速继续增加，由于v、it、m均下降，因此，Me随转速升高而较快的下降，即Me曲线变化较陡。30第30页，本讲稿共72页2功率变化趋势功率变化趋势Pe=Men/9550 当转速由低逐渐升高时，由于Ttq、n同时增加Pe增加很快。在达到最大扭距转速ntq后，再提高转速，由于Ttq有所下降，使Pe上升缓慢。某一转速时Ttqn达最大值。此后，再增加转速，由于扭距下降超过转速上升的影响，Pe反而下降。31第31页，本讲稿共72页3燃油消耗率变化趋势燃油消耗率变化趋势ge=k3/itmge在某一中间转速当itm达到最大值时出现最低值。当转
9、速较此转速低时，由于m上升弥补不了it的下降，使ge增加。转速较此转速高时it、m均较低，ge也增加。32第32页，本讲稿共72页（二）部分负荷速度特性（二）部分负荷速度特性 随随着着节节气气门门的的关关小小，节节流流损损失失增增大大，充充气气效效率率减减小小，使使部部分分负负荷荷速速度度特特性性的的 P Pe e、T Ttqtq低低于于外外特特性性值值。且且转转速速越越高高，充充气气效效率率减减小小的的越越多多，因因此此，节节气气门门开开度度越越小小，随随转转速速增增加加，扭扭距距、功功率率曲曲线线下下降降得得越越快快，并并使使最最大大扭扭矩矩及及最最大大功功率率点点向向低低速速方方向向移动
10、。移动。33第33页，本讲稿共72页当当节节气气门门开开度度的的75%75%左左右右时时，耗耗油油率率曲曲线线位位置置最最低低。超超过过75%75%开开度度，混混合合气气较较浓浓，存存在在燃燃烧烧不不完完全全现现象象，耗耗油油率率曲曲线线位位置置较较高高，低低于于75%75%开开度度时时，残残余余废废气气相相对对增增多多，燃燃烧烧速速率率下下降降，使使itit降降低低，耗耗油油率率曲曲线线位位置置也也高高，且且开开度度越越小小，耗耗油油率率曲曲线位置越高。线位置越高。34第34页，本讲稿共72页二、柴油机速度特性二、柴油机速度特性速速度度特特性性：喷油泵油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标
11、（主要是功率Pe、扭距Me、燃油消耗率ge、每小时耗油量GT）随转速n变化的关系。外外特特性性：油量调节机构固定在标定循环供油量位置时速度特性称为柴油机标定功率速度特性。部分负荷速度特性：当油量调节机构固定在小于标定循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为柴油机。35第35页，本讲稿共72页（一）外特性曲线变化趋势（一）外特性曲线变化趋势1扭扭矩矩曲曲线线变变化化趋趋势势柴油机的扭矩曲线比汽油机平坦。柴油机扭矩曲线的变化趋势，很大程度上决定于每循环供油量随转速变化的情况。36第36页，本讲稿共72页扭矩表达式可定性地写成 由式可见，柴油机扭距随转速的变化趋势决定于it、m、g随转速n变化的趋
12、势。37第37页，本讲稿共72页（1）b随转速n的提高，每循环供油量b增加。（2）v也是在某一中间转速n出现最高值。38第38页，本讲稿共72页（3）i指示热效率i某一中间n稍高i转速低空气涡流减弱，燃烧不良及散热漏气损失增加i转速高v 、b，使，不完全燃烧严重燃烧占曲轴转角，燃烧容积39第39页，本讲稿共72页2功率曲线由于扭矩Me曲线变化平坦，在一定n范围内，功率Pe几乎与转速n成正比增加。40第40页，本讲稿共72页3燃油消耗率曲线燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高，i较高，曲线比汽油机的平坦，最低耗油率值比汽油机相应值低。当i、m达到最大值时，出现gmin值。41第41页，本讲稿共72页
13、（二）部分负荷速度特性 随随油油量量调调节节机机构构位位置置向向减减小小供供油油量量方方向向移移动动时时，循循环环供供油油量量减减小小，使使部部分分负负荷荷速速度度特特性性的的P Pe e、M Me e值值低低于于外外特特性性。但但随随着着负负荷荷减减小小，循循环环供供油油量量随随转转速速的的变变化化趋趋势势基基本本不不变变，使使部部分分负负荷荷速速度度特特性性的的变变化化趋趋势势同同外外特特性性相相似似，所所以以柴柴油油机机的的部部分分负负荷荷速速度度性性的的P Pe e、T Ttqtq曲曲线线是是随随负负荷荷的的减小，大致平行下降。减小，大致平行下降。耗油率曲线的变化趋势基本同耗油率曲线的
14、变化趋势基本同外特性。当负荷为外特性。当负荷为75%75%左右时，曲左右时，曲线位置最低。线位置最低。42第42页，本讲稿共72页三三、发动机扭矩特性发动机扭矩特性要求发动机的扭矩随转速的降低而增加。如当车辆上坡时，若油量调节拉杆已达最大位置，但所发出的扭矩仍感不足，车速就要降低，此时需要发动机随车速降低而发出更大扭矩，以克服爬坡阻力。因此，为表明发动机的性能，引入扭距储备系数和转速储备系数的概念。43第43页，本讲稿共72页1.扭距储备系数扭距储备系数要充分表明发动机的动力性能，除给出标定功率及其相应的转速外，还要同时考虑发动机的扭矩特性，从而引入扭距储备系数和适应性系数K的概念。式中:Me
15、max外特性曲线上的最大扭矩（Nm）；Me标定工况下的扭矩(Nm)。44第44页，本讲稿共72页或K值大，表明两扭矩之差（Memax-Me）值大，即随转速的降低，扭矩Me 增大越快，从而在不换档的情况下，爬坡能力、克服短期超负荷的能力越强。汽油机：值在10%30%范围，K值在1.2-1.4。柴油机：若不予以校正，则值只有5%-10%范围，K值只有1.05左右，难以满足车辆使用要求。45第45页，本讲稿共72页（二）转速存储设备系数n转速存储设备系数是标定工况时的转速与最大扭距转速的比值。式中nB标定工况转速；ne最大扭矩转速最大扭矩转速ntq越低，n越大，车辆在不换挡的情况下，发动机克服阻力增
16、加的潜力越强。一般，汽油机n=1.152.0，柴油机n=1.52.0。46第46页，本讲稿共72页（三）柴油机扭矩特性的改善柴油机扭矩储备系数小的根本原因是由喷油泵速度特性决定的。因此，柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性扭矩曲线。油量校正装置的作用是：当发动机在标定工况下工作时，如果转速因外界阻力矩不断增加而下降，则喷油泵能自动增加循环供油量，以增大低速时的扭矩，提高扭矩储备系数。47第47页，本讲稿共72页校正方法：（1）出油阀式校正机构。（2）附加在调速器上的弹簧校正机构。48第48页，本讲稿共72页负荷特性：转速不变，其经济性指标随负荷（可用功率Pe、扭矩Me或平均有效压力Pe表示）
17、的变化关系。当车辆以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效扭矩，以适应外界阻力矩的变化，以保持发动机转速不变。第四节第四节 发动机的负荷特性发动机的负荷特性49第49页，本讲稿共72页一、汽油机负荷特性一、汽油机负荷特性1.负荷特性：当汽油机转速不变，而逐渐改变节气门开度，每小时耗油量GT、燃料消耗率ge随负荷（Pe、Me或pe）而变化的关系。2.测取：发动机台架试验。测取前应将化油器、点火提前角调整完好；测取时应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。3.汽油机靠改变节气门开度，改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化。其负荷的调节方法称为“量调节
18、”。50第50页，本讲稿共72页（一）燃油消耗率曲线（一）燃油消耗率曲线 由公式ge=k3/itm可知，燃油消耗率ge的变化取决于it、m的变化。it、m随负荷的变化如图所示。51第51页，本讲稿共72页（1）i转速一定，负荷增加，节气门开度加大，残余废气相对减少，热负荷增加，从而改善了燃油雾化、混合条件，使燃烧速度加快，散热损失相对减少，i增加。负荷增至大负荷，加浓装置工作，i下降。52第52页，本讲稿共72页（2）mm随负荷的增加而迅速增加。原因是转速一定而负荷增加时，机械损失功率Pm变化不大，指示功率Pi成正比增加，使m=1-（Pm/Pi）增加。53第53页，本讲稿共72页当发动机空转（
19、Pe=0）时，指标功率完全用于克服机械损失，即Pi=Pm，则m=0，耗油率b为无穷大。随负荷（节气门开度）增大，由于i、m同时上升，使耗油率曲线迅速下降。当im达到最大值出现最低耗油率bmin后，随节气门逐渐增至全开，化油器加浓装置参加工作，供给最大功率混合气，燃烧不完全现象增加，i下降，使耗油率又有所增加。54第54页，本讲稿共72页（二）每小时耗油量（二）每小时耗油量GT曲线曲线GT节气门开度：开度，量混合气成分：除怠速、全负荷时较浓外，大部分情况变化不大GT几乎随节气门开度呈线性变化。当节气门开度增大至化油器加浓装置参加工作后，GT上升得更快一些。55第55页，本讲稿共72页二、柴油机负
20、荷特性二、柴油机负荷特性1.负荷特性:柴油机转速一定，每小时耗油量GT、有效燃料消耗率b随负荷（Pe、Me或pe）而变化的关系。2.测取:台架试验。测取时，应将柴油机的供油提前角、冷却水温度、润滑油温度等调整到最佳状态。3.柴油机负荷调节方法称为“质调节”。56第56页，本讲稿共72页柴油机负荷特性曲线分析柴油机负荷特性曲线分析（一）耗油率曲线（一）耗油率曲线 根据公式 柴油机耗油率ge随负荷的变化取决于it和m。57第57页，本讲稿共72页m：随负荷增加而上升。i：随负荷增加，每循环供油量b增加，过量空气系数减小，燃烧不完全程度增大，使i减小。大负荷时，混合气过浓，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃
21、增多，使i下降更快。58第58页，本讲稿共72页综上所述，当Pe=0，m=0时，ge趋于无穷大。随负荷增加，m迅速增加，且远大于i的减少，使b下降很快。当b增加到1点位置时，b最小。此后再增加负荷，由于i下降较m上升的多，使b又有所增加。当b增加到2点时，排气冒黑烟，达到国标规定限值。当b超过2点时，燃料消耗量增大，排放污染严重，影响发动机寿命，所以，柴油机的最大循环供油量应在标定转速下调整，使烟度不超过允许值。59第59页，本讲稿共72页（二）每小时耗油量（二）每小时耗油量GT曲线曲线转速一定时，柴油机的每小时耗油量GT主要决定于g。随负荷增加，每循环供油量g增加，GT随之增加。当负荷接近冒
22、烟界限后，由于燃烧恶化，GT上升得更快一些。60第60页，本讲稿共72页由负荷特性可以看出，(1)同一转速下最低耗油率gmin越小，曲线变化越平坦，经济性越好。柴油机gmin比汽油机低gmin；而且燃油消耗率曲线比较平坦。相比之下，柴油机部分负荷时低耗油率区比汽油机宽，因而柴油机比汽油机节省。(2)耗油率ge随负荷的增加而降低，在接近全负荷（常在80%负荷率左右）时ge达到最小。61第61页，本讲稿共72页 第五节第五节 发动机的万有特性发动机的万有特性 万有特性是以转速n为横坐标，以扭矩Me或平均有效压力pe为纵坐标，在图上画出许多等耗油率曲线和等功率曲线，组成发动机万有特性。62第62页，
23、本讲稿共72页一、万有特性的制取 根据各种转速下的负荷特性曲线，用作图法可以得到万有特性。根据各种转速下的负荷特性曲线，用作图法可以得到万有特性。（一）等燃油消耗率曲线（一）等燃油消耗率曲线1.1.将将不不同同转转速速的的负负荷荷特特性性转转换换为为以以平平均均有有效效压压力力P PMEME或或T Ttqtq为为横横坐坐标标、燃燃油油消耗率消耗率b b为纵坐标的负荷特性，并逆时针旋转为纵坐标的负荷特性，并逆时针旋转9090。2.2.在在万万有有特特性性图图的的横横坐坐标标上上，以以一一定定比比例例标标出出转转速速数数值值。纵纵坐坐标标P Pmeme的比例应与负荷特性的比例应与负荷特性P Pme
24、me的比例相同。的比例相同。从从g ge e=230g/=230g/（kWkWh h）处引一垂线，与各种转）处引一垂线，与各种转速的速的g ge e曲线有两个（或一个）交点。再从交曲线有两个（或一个）交点。再从交点处引水平线，与从万有特性横坐标相应转点处引水平线，与从万有特性横坐标相应转速处引出的垂线相交，将交点连成圆滑的曲速处引出的垂线相交，将交点连成圆滑的曲线，即得到一定燃油消耗率时的等燃油消耗线，即得到一定燃油消耗率时的等燃油消耗率曲线，其余率曲线，其余g ge e时的等燃油消耗率曲线作法时的等燃油消耗率曲线作法相同。相同。63第63页，本讲稿共72页（二）等功率曲线（二）等功率曲线根据
25、公式Pe=kpen，可画出等功率曲线，是一组双曲线。（三）边界线（三）边界线将外特性中的Men画在万有特性上，构成边界线。64第64页，本讲稿共72页二、万有特性的应用分析二、万有特性的应用分析1.由万有特性可以方便地查到发动机在任何点（Me、n）工作时的Pe、ge、pe，发动机在任何点（Pe、n）工作时的Me、ge、pe以及发动机最经济负荷和转速。2.等燃油消耗率曲线的形状及分布情况对发动机使用经济性有很大影响。65第65页，本讲稿共72页（1）等燃油消耗率曲线最内层为最经济区，曲线越向外，经济性越差。（2）如果等燃油消耗率曲线横向较长，表示发动机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小
26、。常用中等负荷，中等转速工况的车用发动机，希望其最经济区处于万有特性中部，等燃油消耗率曲线曲线横向较长。（3）等燃油消耗率曲线纵向较长，则发动机在负荷变化较大而转速变化较小的情况下的燃油消耗率较小。工程机械用发动机，希望最经济区在标定转速附近，等燃油消耗率曲线纵向较长些。66第66页，本讲稿共72页第六节第六节发动机的调整特性发动机的调整特性发动机性能指标随调整情况而变化的关系称调整特性。一、柴油机装调速器的必要性一、柴油机装调速器的必要性保证发动机工作稳定67第67页，本讲稿共72页二、全程式调速器及调速特性二、全程式调速器及调速特性柴油机由最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用，这
27、种调速器即全程式调速器。（一）调速器工作原理68第68页，本讲稿共72页各组成件的作用可概括如下。各组成件的作用可概括如下。（1）转速给定元件 驾驶员根据所需转速，通过转动调速手柄1（实际即油门）可将调速弹簧2压缩到不同位置，以调整弹簧预紧力，在弹簧作用下，托板6向右移动。（2）转速变化的感受元件 根据转速的变化，由喷油泵凸轮轴带动的旋转飞球就产生不同的离心力，离心力轴向分力抵抗弹簧弹力而作用于执行机构上。（3）执行机构 它是用来执行感受元件所发生的变化，从而加油或减油。图中的推力盘5在离心力的作用下，要向左移动，而其移动又受到弹簧预紧力的抵制，因此推力盘的位置决定于弹簧弹力与离心力的平衡。推力盘5与油量调节拉杆4连在一起，所以盘5的位置也决定了油量调节拉杆的位置，从而控制油量。69第69页，本讲稿共72页（二）调速特性70第70页，本讲稿共72页三、两级式调速器及调速特性两级式调速器是在最低转速与最高转速时起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车，调速器在中间转速不起作用，由驾驶员通过油门控制供油量。车用柴油机一般采用两级式调速器。（一）调速器工作原理71第71页，本讲稿共72页（二）调速特性72第72页，本讲稿共72页