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1、4.1 概述根据整车动力的需求，汽车用发动机的运行状况经常在不断地变化着。负荷和转速是发动机运转过程中确定工况的两个主要运行参数。欲了解汽车在各种工况下的性能和变化规律以及在某一工况下运行的可能性和适应性，就必须研究发动机的性能随工况的变化规律同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 1第1页/共35页4.1 概述发动机的性能主要指动力性、经济性、排放性能、可靠性和耐久性。根据发动机的不同运行工况，发动机的性能可分为稳态性能和动态性能。发动机性能试验的内容包括一般性能试验、性能匹配调整试验和研究性试验。国家标准GB/T 18297-2001中规定了10项发动机一般性能试验的内容和试验方法，包括
2、：功率试验；负荷特性试验；万有特性试验；机械损失功率试验；起动试验；怠速试验；压燃机调速特性试验；各缸工作均匀性试验；机油消耗量试验；活塞漏气量试验。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 2第2页/共35页 4.2 4.2 发动机功率试验发动机功率试验的目的，首先是评价发动机在额定工况下的动力性、经济性，包括额定功率、扭矩、油耗率等；其次是确定其他工况下的最大动力性能指标，包括整机的最大扭矩、最高转速与最大功率值；此外还可了解外特性段的有害排放情况。总功率试验时，发动机仅带有能保证其工作的附件，如曲轴箱通风装置、发电机、调压器及蓄电池、发动机电控系统等，没有这些附件发动机就不能工作。它表示
3、发动机运转时能达到的最大性能指标。净功率试验时，发动机应安装整车运行时所需配备的各种附件，而且这些附件应该是原生产装备件，安装位置应尽可能与实际安装情况相同。它表示发动机装在汽车上运转时，曲轴端能输出的最大有效性能指标。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 3第3页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验试验内容及测试项目 在进行功率试验时，发动机油门开到最大位置，即油门开度设定到100位置，在发动机等于及低于额定转速范围内均匀地选择不少于8个点的稳定工况点，其中必须包括额定点和最大扭矩点。测量各稳定工况点的转速、扭矩、油耗量，并计算功率和燃料消耗率等。绘制出如图所示的性能曲线图。同济大学
4、汽车学院同济大学汽车学院Page 4第4页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验试验内容及测试项目转速、扭矩：扭矩、转速和功率决定了发动机的动力性能，从而也是决定汽车动力性能三要素车速、爬坡能力和加速能力的最重要的参数。燃料消耗量：为了解发动机在全负荷工况下的经济性。排放污染物：根据国家标准进行。排气温度、点火或喷油提前角、水温、润滑油温、油压以及燃油温度和燃油牌号等，测量目的是保证试验工况处于最佳调整和正常工作状态。进气状态：主要指大气温度、湿度、大气压力，测量目的是为了计算校正有效功率及压燃机的燃油消耗率。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 5第5页/共35页4.2 4.2 发动机
5、功率试验大气校正 为使试验数据具有可比性，各国都制定了发动机性能试验标准，严格地规定了试验条件和标准大气状态。有效功率的换算是一个比较复杂的问题。目前世界各国关于功率校正的公式尚不统一，而是根据各国的具体条件来确定的。在其有关的试验标准中，均有相应的规定。各种校正方法都有一定的前提和假设条件，适用范围也有一定的局限性。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 6第6页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验发动机功率修正同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 7点燃机压燃机式中：Peo校正有效功率，kW;Pe实测有效功率,kW;a空燃比不变的化油器式、电控式点燃机功率校正系数，该校正系数应在
6、0.931.07的范围内，如果超出，应在试验报告及试验曲线上注明实际进气状态。第7页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验发动机功率修正a的计算公式为：d循环供油量确定不变的压燃机功率校正系计算公式为：同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 8上两式中：T进气温度，K；Pd进气干空气压，kPa；其计算公式为：式中：p进气总压，kPa；pw水蒸气分压，kPa。注意：在全负荷的工况下，进气温度T在298308 K的范围内，进气干空气压Pd在80110 kPa的范围内。第8页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验发动机功率修正 fa进气因素，分以下三种情况：对于非增压及机械增压压燃机，有 对于
7、涡轮增压带或不带空/空中冷器时，有 对于涡轮增压带水/空中冷器时，有同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 9第9页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验发动机功率修正fm压燃机特性指数，计算公式为：式中：q比排量循环供油量；r增压比。在做发动机试验研究中，为有效地比较不同发动机性能，通常的办法有：将进气系统做成标准进气状态；不同种机型试验的时间都安排在试验环境接近时，如规定试验均在早上进行等，这样可减小试验结果误差。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 10第10页/共35页4.2 4.2 发动机功率试验功率特性试验的应用 功率特性试验是汽车及发动机生产中以及产品检验、维修时最常用的
8、试验方法。因为它可以直接反映该发动机产品所具有的最大动力性。功率试验，就是发动机油门全开时与动力、经济有关的速度特性试验。它是在发动机油门开度100的位置时，在发动机工作转速范围内，发动机动力、经济性能指标随转速而变化的特性试验，也称外特性试验。速度特性是发动机油门开度不变时，发动机性能指标和特性参数随转速的变化规律。因此还有油门开度小于100%的部分负荷速度特性试验，如油门开度为15%，25%和45等时的速度特性试验，其试验方法与外特性试验相同。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 11第11页/共35页4.34.3负荷特性试验负荷特性及其作用 负荷特性是在发动机转速保持不变的条件下，发
9、动机主要性能参数随发动机负荷（功率、平均有效压力或油门开度）的改变而变化的关系。负荷特性试验的目的是评定发动机在规定转速、不同负荷时的经济性和排放情况。对于额定转速，可以通过负荷特性曲线找出发动机所能达到的额定功率和额定点的耗油率，判断功率标定的合理性；其他转速下，可以通过负荷特性曲线找到发动机各工况中的最低耗油率，这是评价不同发动机经济性能的一个重要指标。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 12第12页/共35页4.34.3负荷特性试验负荷特性的试验方法 一般试验在发动机5080的额定转速（其中应含常用转速和2000 r/min)下进行，需要时，转速范围可上、下扩展，直至其额定转速。试
10、验从小负荷开始，逐步开大油门进行测量，直至油门全开为止，但转速始终保持不变。适当分布8个以上的测量点。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 13第13页/共35页4.34.3负荷特性试验测量参数 在对发动机进行负荷特性试验时，其测量参数的数量和方法与功率试验时测量的参数基本相同，即在每一个工况下，测量发动机进气状态、转速、扭矩、燃油消耗量、燃油消耗率、点火或喷油提前角、空燃比和燃料牌号等。按需要测量CO,HC,NOx及烟度和颗粒排放量等。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 14第14页/共35页4.34.3负荷特性试验负荷特性曲线图及其应用 负荷特性曲线的横坐标可以是功率、平均有效压
11、力或者油门开度。多个转速的负荷特性曲线画在同一张坐标图上时，以功率为横坐标则各条曲线按转速由低到高的顺序，从左到右分开，分析、观察比较方便。若以平均有效压力或油门开度为横坐标时，则各曲线处于同一区段，上下略有差别。后一种曲线族图，便于万有特性曲线图的制取，也便于比较各转速负荷特性曲线的差异。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 15第15页/共35页4.4 4.4 万有特性试验万有特性及其作用 发动机负荷特性和速度特性分别反映了发动机主要性能参数随负荷和转速变化的规律，从而可以从不同的角度评价发动机的性能。汽车发动机在实际工作中，转速、负荷都在不断地变化，要全面评价发动机的性能，单凭负荷特
12、性或速度特性就有一定的局限性，因此需要一种能同时展示上述两种特性的图形来进行评价。在工况面的二维坐标图上，表示为各种参数的等值线，这就是万有特性曲线图，万有特性曲线实质上是所有负荷特性和速度特性线的合成。它可以表示发动机在整个工作范围内主要参数的变化关系，用 它可以确定发动机最经济的工作区域，当然也可以确定某一排放污染物的最小值区域，等等。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 16第16页/共35页4.4 4.4 万有特性试验万有特性曲线的制取方法1.直接绘图法（以绘等油耗率线为例）同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 17第17页/共35页4.4 4.4 万有特性试验万有特性曲线的制
13、取方法2.软件辅助绘图法 用软件辅助绘图的方法很多，可以用Excel,Matlab，Origin以及各种数据处理软件进行绘图。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 18第18页/共35页4.54.5机械损失功率试验 发动机的机械损失功率指的是发动机运行中的机械摩擦功率、附件功率和泵气损失功率之和，它是发动机发展研究中的一个非常重要的领域。机械效率在大功率输出时可以超过80，中低负荷时较低，怠速时则为零。乘用车在混合工况下，发动机指示功率的三分之一到一半是消耗在发动机机械损失上的。由此可知，提高机械效率是提高发动机性能指标不可忽视的因素。评价发动机机械损失大小的指标有机械损失功率及机械效率。
14、用公式表示如下：式中：mo机械效率；Peo校正有效功率，kW；Pm机械损失功率，kW。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 19第19页/共35页4.54.5机械损失功率试验测量机械损失功率的常用方法1.示功图法 通过示功图测算出发动机的工作过程功（指示功），再根据台架上测算得出的发动机有效功率，可计算出发动机机械损失功和机械效率。存在问题：(1)在多缸发动机中，所有气缸都需要绘制示功图，且应同时进行。这是因为所有气缸产生的功率不应简单假设为相同，这在生产上，乃至科研上都很难做到。(2)缸内压力测量误差很难精确控制。(3)精确确定真实的上止点位置极为困难同济大学汽车学院同济大学汽车学院Pa
15、ge 20第20页/共35页4.54.5机械损失功率试验测量机械损失功率的常用方法2.倒拖法 倒拖法在具有电力测功机的试验条件下方可进行。电力测功机拖动发动机运转，测功机所测出的功率即为发动机的机械损失功率。这种测试方法的误差来源主要包括：(1)在未点火的情况下，缸内压力显著下降，活塞、活塞环与气缸套之间以及转动的齿轮之间的摩擦损失也随之下降。(2)缸壁温度比不着火时显著下降，黏性阻力的上升会对上述效应产生一定的补偿。(3)不着火条件下，排气温度下降，工质密度上升，使排气的泵气损失功加大同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 21保证润滑油的温度和水温是非常重要的第21页/共35页4.54.
16、5机械损失功率试验测量机械损失功率的常用方法3.灭缸法 灭缸法是发动机在稳定工况下运转，且各缸点火或喷射装置被轮流关断的情况下进行，该技术只适合多缸发动机。灭缸法本质上仍然是倒拖法，因此，此方法具有与倒拖法相同的误差来源，但由于发动机基本处于正常工作状态，所以理论上误差应比倒拖法小。不过由于多缸机灭一缸后，进、排气压力波动态效应会影响各缸分配均匀性，以及通过灭一缸计算单缸指示功率时是两个大数（不灭缸与灭缸的总功率）相减，其相对误差会加大，所以其精度的高低仍是难以定量说明的问题。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 22第22页/共35页4.54.5机械损失功率试验测量机械损失功率的常用方法
17、4.油耗线法 油耗线法仅适用于没有节气门的压燃式发动机。柴油发动机在某一恒定转速下，在75总功率以下部分近似为直线。在特性曲线的直线部分，任意增量的燃料都将产生相同增量的功率。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 23 严格来说，此方法只适严格来说，此方法只适用于空载条件下的摩擦损失用于空载条件下的摩擦损失测评。因此加载测试时，功测评。因此加载测试时，功率损失无疑会加大。此外，率损失无疑会加大。此外，中低负荷段直线性的假设也中低负荷段直线性的假设也存在一定的误差。存在一定的误差。第23页/共35页4.54.5机械损失功率试验存在问题 上述4种测量发动机机械损失的方法，均存在一定的误差，如果
18、运用尽可能多的方法测量，并进行结果对比将更具有意义 虽然无法得出机械损失的精确绝对值，但是这些方法能够非常有效地监控各种结构和参数的改变对发动机性能的影响。增压发动机在反拖或灭缸时，增压器的工作状况会有很大变化，所以不能用此二法测定其机械损失功率。油耗线法也只在低增压机型中应用，且误差难于估算。目前除示功图法外，尚别无良策。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 24第24页/共35页4.6 4.6 起动试验 发动机的起动是指从曲轴在外力作用下开始转动到发动机能维持自动运转的全过程。发动机在低温条件下，由于机油黏度增高会使起动阻力矩增大，蓄电池的工作能力也会降低而使拖动发动机的起动转速下降。
19、而且低温时汽油机燃油雾化不好，柴油机压缩终了时的温度降低，所以会造成起动困难。对于汽车用发动机来说，起动性能是一个非常重要的性能指标，因为汽车必须保证在规定的各种使用环境条件下顺利起动，才能正常的工作。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 25第25页/共35页4.6 4.6 起动试验 在GB/T 18297-2001汽车发动机性能试验方法中规定：对于定型的发动机，汽油机在低温环境温度255 K、柴油机在263K的条件下，不采用特殊的低温起动措施，应能起动运转，在中温及热机（温度均在361 K5 K)及规定的条件下，能顺利起动。起动试验要特别注意起动时间的测量，即试验是从按动起动电门接通起
20、动机开始计时，起动机拖动发动机15 s以内若能自行运转，并且运转10 s以上不熄火，则认为起动成功。若起动失败，按制造厂使用说明书的规定程序再次进行设置和操作，在3 min内继续进行下一次起动；低温起动时须待冷却液、润滑油及电解液达到规定的环境温度，方可进行下一次起动。若3次起动失败，则终止该项试验。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 26第26页/共35页4.7 4.7 怠速试验 汽车在行驶过程中，需要经常用到发动机的怠速工况（此处所指均为最小油门开度时的低速怠速），例如汽车起步前及短时间内的停车等，都要求发动机处于怠速转速且转速平稳，并能非常圆滑地过渡到汽车的起步、行驶工况。因此在该
21、工况下的发动机性能、排放及整车的驾驶性就显得尤其重要。考核和评价发动机怠速质量的标准是：发动机处在低温冷机及热机状态下，无负荷时，发动机怠速运转的平顺性（如转速波动量）、运转持续性（不熄火）及排放污染物等。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 27第27页/共35页4.7 4.7 怠速试验怠速工况 怠速工况指发动机无负荷运转状态，即离合器处于接合位置，变速器处于空挡位置（对于自动变速箱的车应处于“停车”位置或“P挡位），采用化油器供油系统的车，其阻风门处于全开位置，油门踏板处于完全松开位置时的稳定运转工况。怠速试验分低温冷机怠速试验及热机怠速试验两项内容。同济大学汽车学院同济大学汽车学院P
22、age 28第28页/共35页试验方法1.低温冷机怠速试验 在标准规定的试验条件及规定的低温下，起动机停止拖动，发动机能自行运转时，即开始低温冷机怠速试验。手动变速器先在空挡离合器接合位置，运行20 s,终了时记录数据；随后在空挡离合器分开位置，运行20 s,终了时记录数据。若是自动变速器，则在“停车”挡位置，运转20 s,终了时记录所需测量项目数据。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 29第29页/共35页4.7 4.7 怠速试验试验方法2.热机怠速试验 发动机在40%80的额定转速下运行，待冷却液出口温度达到361 K5K时，油门回到怠速工况的位置，环境温度不限，即可开始怠速热机试验
23、。手动变速器在空挡离合器接合位置，运行20 s,终了时进行数据测量。若是自动变速器，在“停车”挡位置，运转20 s,终了时进行数据测量。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 30第30页/共35页4.7 4.7 怠速试验测量项目及数据整理 试验测量项目主要包括：进气管绝对压力或真空度、怠速（或高怠速）燃料消耗量、点火提前角、喷油（或供油）提前角、瞬时怠速的最高、最低及平均转速、熄火次数、怠速质量的分数（怠速质量评定见表4-2）。根据上述测量数据，按发动机怠速质量（即运转的平顺性及怠速持续能力）给出评分及评语。怠速转速波动率2计算公式为：式中：nmax怠速的最高转速，r/min;nmin怠速
24、的最低转速，r/min;nim怠速的平均转速，r/mine同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 31第31页/共35页4.8 4.8 发动机其他性能试验项目1.压燃机调速特性试验 目的是用稳定调速率来评定压燃机的调速性能，适用于非电控的汽车柴油机。由于调速时，转速变化范围小，所以调速特性试验曲线近似于负荷特性曲线，试验方法也大致相同。2.机油消耗量试验 目的是评定发动机在规定工况下的机油消耗量。3.活塞漏气量试验 目的是评定活塞组与气缸套的气体密封性，亦可用来监护这对摩擦副的工作情况。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 32第32页/共35页4.8 4.8 发动机其他性能试验项目4.
25、各缸工作均匀性试验 多缸机各缸工作均匀性包括进气均匀性、燃料供给均匀性和燃烧均匀性，它与发动机的燃料经济性、爆震强弱、功率输出大小及排气污染都有关联。为此点燃机需进行压缩压力试验及各缸排气中CO或空燃比测量，压燃机需进行单缸熄火功率试验。压缩压力试验的目的是评定点燃机各缸进气的分配均匀性；各缸排气中CO测量或空燃比测量试验，目的是评定汽油机各缸混合气空燃比的均匀性；单缸熄火功率试验，则是评定非增压压燃机的各缸指示功率的均匀性。同济大学汽车学院同济大学汽车学院Page 33第33页/共35页同济大学汽车学院同济大学汽车学院谢 谢结束Page 34第34页/共35页同济大学汽车学院Page 35/36感谢您的观看。第35页/共35页