发动机的装配与调试

发动机装配调试

第一节 发动机特性

发动机性能指标随调整情况和使用工况而变化的关系，称为发动机特性，通常用曲线表示，称为特性曲线。

调整特性：发动机性能指标随调整情况而变化的关系。

使用特性：性能指标随使用工况而变化的关系，有速度特性、负荷特性等。

一、 发动机工况

发动机的实际工作状况，简称发动机工况，通常用发动机功率与转速或发动机负荷与转速来表示。

（一）发动机的三类典型工况

第一类工况：发动机的曲轴转速近似保持不变，发出的功率可能在很大范围内变化，称为固定式发动机工况。

第二类工况：发动机在运行中，它所发出的功率和转速之间成一不定的函数关系。 第三类工况：发动机的功率和转速都独立地在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系，车用发动机即属此类工况。

（二）发动机有效性能指标与工作过程参数之间的关系

每循环吸入的燃料所放出的热量为

Q =ηv ⋅V h ⋅ρ0⋅h u

a ⋅L 0，kJ

式中：ηv ——充气效率；

ρ0——大气状态下空气的密度；

V h ——气缸工作容积；

α——过量空气系数；

h u ——燃料的低热值，kJ/kg；

L 0——理论空气量，kg/kg。

每循环指示功为

W i =Q ⋅ηi =

式中：ηi ——指示热效率。

平均指示压力为：

p i =

平均有效压力为 ηv ⋅V h ⋅ρ0⋅h u ⋅ηi a ⋅L 0，kJ W i ηv ⋅ρ0⋅h u ⋅ηi ，kPa =V h a ⋅L 0

p e =p i ⋅ηm =h u ηηρ0⋅i ⋅ηm ⋅ηv =K 1i ⋅ηm ⋅ηv ，kPa (9-1) L 0αα

式中：ηm ——机械效率；

K 1 ——比例系数。

3. 6×1063. 6×10611g e ==⋅=K 4⋅，g/(kw.h) (9-4) ηe ⋅h u h u ηi ⋅ηm ηi ⋅ηm

式中：K 4——比例系数。

每小时耗油量为

G T =g e ⋅P e ×10−3=K 5⋅ηv ⋅n ，kg/h (9-5) α

式中：K 5——比例系数。

上述公式表明了发动机的有效性能指标P e 、M e 、p e 、g e 、G T 与工作过程参数α、ηv 、ηi 、ηm 之间存在一定的比例关系。因此，通过分析α、ηv 、ηi 、ηm 随工况的变化可以了解发动机工况变化时其性能的变化规律。

二、 发动机负荷特性

发动机的负荷特性是指当发动机转速不变时，其经济性指标随负荷而变化的关系。汽油机负荷特性

将汽油机的点火提前角和化油器调整为最佳，汽油机保持在某一转速下工作时，逐渐改变节气门开度以适应外界负荷，每小时耗油量G T 和耗油率g e 随功率P e （或M e 、p e ）而变化的关系，称为汽油机在某一转速下的负荷特性。

1． G T 曲线

当汽油机的转速一定时，每小时燃料消耗量G T 主要取决于节气门开度和混合气成分。节气门开度由小逐渐加大时，充入气缸的混合气量逐渐增加，G T 随之上升；当节气门开度增大到约为全开时的80%以后，加浓装置开始工作，混合气变浓，G T 上升的速度加快，曲线变陡。

2． g e 曲线

发动机怠速运转时，其指示功率完全用来克服机械损失功率即p i =pm ，机械效率ηm =0，故g e 为无穷大。随着负荷增加，节气门开度加大，进入气缸的新鲜混合气量增加，残余废气相对减少。发动机负荷增加使燃烧室的工作温度提高，燃料雾化条件改善，燃烧速度加快，散热损失及泵气损失相对减小。因此指示效率ηi 随负荷增加而上升。当转速一定，负荷增加时，P m变化不大，而P i 成比例增加，ηm 迅速增加。由于ηi 、ηm 随负荷增加而同时上升，故g e 迅速上降，直至降到最低值。当负荷继续增加，节气门开度增大到全开的80%时，加浓

装置（或副腔）开始起作用，供给功率混合气，燃烧不完全，ηi 下降，结果g e 又有所上升。

（二）柴油机负荷特性

柴油机保持某一转速不变，改变喷油泵齿条或拉杆位置，相应改变每循环供油量时，每小时耗油量G T 、耗油率g e 随功率p e （或M e 、p e ）而变化的关系，称为柴油机的负荷特性。

1. GT 曲线

转速一定时，柴油机每小时燃料消耗量G T 主要取决于每循环供油量Δg 。当负荷由零增

；当负荷继续增大到90%以后，大到85%时，随Δg 增加，G T 随之增加（近似于直线上升）

随Δg 增加，混合气变浓，α值变小，燃烧条件恶化，G T 迅速增大，上升更陡。

2．g e 曲线

g e 的变化由ηi 、ηm 及ηi . ηm 决定。图9-6所示为柴油机的ηi 、ηm 随负荷的变化的关系。柴油机空转时，P i =Pm ，ηm =0，g e =∞。随着负荷增加，每循环供油量Δg 随之增加，指示功率P i 增大，因转速不变时P m 基本不变，所以机械效率ηm 增大；由于Δg 增加，α减小，燃烧

不完全，致使指示效率ηi 下降。因ηm 的增大超过了ηi 的下降，故g e 下降，当负荷增加到90%后，ηi 与ηm 的乘积ηi . ηm 达到最大值，因此g e 达到最小值，如图9-5中点1所示。再继续增大供油量Δg 时，由于α的减小，燃烧不完全，指示效率ηi 下降较快，使g e 上升。再增加负荷，供油量增加到柴油机开始冒烟（点2）时，ηi . ηm 下降，g e 上升，若继续增加供油量至点3时，柴油机发出最大功率，g e 上升。3点以后，Δg 增加时，燃烧条件极度恶化，P e 反而下降。

三、发动机速度特性

发动机节气门位置不变时，其性能指标随转速而变化的关系，称为发动机速度特性。发动机沿速度特性工作时，相当于驾驶员将加速踏板位置保持一定，汽车行驶速度随道路阻力的变化而变化。通常横座标表示转速n ，纵座标表示Pe 、Me 、g e 、G T 、 t r 等，由发动机台架试验测取一系列数据，绘制成速度特性曲线。通过分析发动机的速度特性，可找出发动机

、最在不同转速情况下工作时，其动力性和经济性的变化规律，及对应于最大功率（P emax ）

大转矩（M emax ）最小燃料消耗率（g emin ）时的转速，从而确定发动机工作时最有利的转速范围。

（一） 汽油机速度特性

当汽油机的化油器和点火提前角调整为最佳，节气门开度固定不变时，其有效功率P e 、转矩M e 、燃料消耗率g e 等随曲轴转速n 而变化的规律，称为汽油机的速度特性。

当节气门保持最大开度时，所测得的速度特性，称为发动机的外特性；节气门在部分开度下所测得的速度特性，称为部分速度特性。外特性代表了发动机所能达到的最高动力性和经济性，是发动机的重要特性。一般汽油机铭牌上标明的P e 、M e 、 及相应的n 都是以外特性为依据。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是一个曲线簇，位于外特性曲线之下。

1． 外特性曲线分析

ηi 的变化是在某一中间转速n 稍向上凸起，低于或高于此转速时，ηi 均会下降，但变化较为平坦，对M e 的影响不大。ηi 下降的原因是：转速n 较低时，气缸内气流扰动较弱，火焰传播速度慢，导致燃烧缓慢，散热损失增加，漏气也增多，使ηi 下降；n 较高时，烧所占曲轴转角大，在较大的容积内燃烧，传热损失增加，所以ηi 也下降。

在节气门全开时ηv 的变化是：在某一中间转速时最大，这是因为在此转速下能充分利用惯性进气，与配气相位直接相关；高于和低于此转速时，ηv 均下降。

ηm 的变化是随n 上升而下降，因为机械损失功率随n 上升而增加。

综合ηi 、ηm 、ηv 随n 的变化，可知转矩M e 随转速n 的变化规律：当转速由低速开始上升时，由于ηi 、ηv 上升，故M e 逐渐增加，在某一转速（n=nm ）时，M e 达到最大值M emax ；转速继续上升，由于ηm 、ηv 同时下降，且ηm 下降较快，因此，M e 较快地下降，曲线变化较陡。

2． 部分速度特性曲线

图9-12为6100Q 型汽油机，当节气门分别在全开、75%开度、50%开度和25%开度时，有效功率P e 、有效转矩M e 、有效燃料消耗率g e 随转速n 的变化规律。汽车经常处于节气门部分开度下工作，因此部分速度特性曲线对实际使用的动力性、经济性有重要意义。

节气门部分开启时，由于进气阻力增加，充所气效率下降，且随n 升高ηv 下降得更快。节气门开度愈小，节流损失愈大，Ｍe 随n 增加而下降得愈快，最大转矩点和最大功率均向低转速方向偏转。

从部分特性的g e 曲线可见，并不是节气门全开的g e 曲线最低，因为此时采用的是浓混合气，存在着燃烧不完全的现象。当节气门开度从100%逐渐减小时，由于混合气的浓度逐渐变稀，g e 曲线的位置降低。节气门开度为80%左右时，g e 曲线的位置最低，此时加浓装置停

止工作。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ηi 下降，燃料消耗率增加，g e 曲线的位置又逐渐升高。

3． 汽油机的工作范围

一般汽油机的工作范围应在最大功率时的转速n p 与最大转矩时的转速n M 之间，如图9-11所示。当工作转速n>np 时，汽油机的动力性、经济性和可靠性均大大下降，因而不能使用；当工作转速n

从经济性来考虑，汽油机的工作的最有利转速范围应介于n p 和n g 之间，此转速范围可以作为选择汽油机常用转速范围的参考依据。

4． 转矩储备系数

在图9-11中，设外界阻力为M B ，此时发动机节气门全开以转速n B 运行。如果阻力矩增加，发动机转速将自动下降，发出的转矩增大至阻力矩平衡时，又可在另一较低转速下稳定运转。若发动机标定工况的转矩为M B ，则节气门全开时发动机可工作的范围为n M 到n B 。为了评定发动机适应外界阻力矩变化的能力，常用转矩储备系数u 或适应系数k 作为指标。

由于汽油机的外特性转矩曲线随转速增加而较快向下倾斜，弯曲度较大，外特性转矩储备系数在10%~30%之间，k 值为1.2~1.4，适应性好，能满足汽车的使用要求。当汽车行驶阻力增加（如上坡）而迫使车速降低时，发动机能自动提高转矩，汽车能在不换档的情况下克服较大的行驶阻力。

5. 发动机的标定工况

标定工况是发动机铭牌上标出的功率及相应的转速。由图9-11可见，当转速增大到接近n p 时，功率提高缓慢。在n p 之后，转速增加功率反而下降。而转速经常过高，会使发动机的寿命下降。因此，载货汽车发动机常限制其转速为n B , nB 称为限制转速或标定转速，与相应节气门全开的功率称为标定功率。一般n B ≤n p 。

用两种方法来控制发动机不超过标定转速运转：一是汽油机装限速器，当转速超过n B 时，它自动控制节气门，使其关小；二是在汽车说明书上规定最高档上的最高车速，只要车速不超过最高车速，发动机转速就不会超过标定转速n B 。

这样外特性曲线的转速范围，从最低稳定转速n min 起，到标定转速n B 为止。即发动机外特性曲线不象图9-11那样完整，它在标定转速n B 处中断。

6．使用外特性

外特性曲线因试验条件不同有两种：仅安装维持发动机运转所必需的附件时，测取的曲线为总功率和总转矩曲线；若发动机装上全套附件（如空气滤清器、风扇、散热器等）运行时输出的，称为净功率和净转矩曲线，其变化关系称为使用外特性。在汽车发动机样本或说明书中，有的同时将这两种功率列出，若只列出一种时，一般对于轿车发动机是指净功率，对于载货汽车发动机是指其总功率。

（二） 柴油机速度特性

当喷油泵油量调节机构中的供油拉杆（或齿条）位置一定时，柴油机的性能指标P e 、M e 、g e 、G T 随转速n 变化的关系，称为柴油机的速度特性。当供油拉杆（或齿条）限定在标定功率的循环供油量位置时测得的速度特性，称为柴油机的外特性（或全负荷速度特性），它表示柴油机可能达到的最高性能。当供油拉杆限定在小于标定功率循环供油量的各个位置时，所测得的速度特性称为部分速度特性。测定速度特性时，喷油提前角、冷却水温、机油温度先调至最佳状态。

1．外特性曲线分析

柴油机转矩Me 随n 的变化曲线较平坦，这样的转矩特性若不进行校正，转矩储备系数μ比汽油机的小，只在5~10%的范围内，不能满足工作需要。例如汽车上坡时，加速踏板踩到最大位置，当外界阻力矩突然增大而使转速下降时，柴油机发出的转矩Me 增加不多，

有可能使柴油机因克服不了阻力而停止运行，出现危险。因此，必须采用油量校正装置来改造柴油机的外特性转矩曲线。

功率Pe 曲线：由于Me 随n 的变化不大，在一定范围内，Pe 几乎是随n 上升成正比地增加。

柴油机的最高转速由调速器限制，如果调速器失灵，功率随转速增加仍然继续增大。但当增大到某一数值时，由于循环供油量增加，燃烧恶化，使ηi 降低很多，同时ηm 随n 增加而降低，使发动机冒黑烟，功率下降。因此，车用柴油机的标定功率受冒烟界限的限制。

耗油率ge 曲线：柴油机外特性的ge 变化趋势与汽油机相似，也是一凹形曲线，由于ηi 随n 的变化比较平坦，使ge 曲线凹度较小。由于柴油机的压缩比高，其最低耗油率经比汽油机要低20~30%。

2． 部分速度特性

3． 柱塞式喷油泵的速度特性及校正

四、柴油机调速特性

（三）调速器的工作指标

1．调速率

调速率用来评价调速器工作的好坏。分为稳定调速率和瞬时调速率两种。

（1）稳定调速率δ2

由于突变负荷引起转速变化的状况，称为稳定调速率。柴油机实际运转时转速波动相对于全负荷转速的变化范围大，工作稳定性差。

（2）瞬时调速率δ1

由于突变负荷引起转速变化瞬时幅度的状况，称为瞬时调速率。

2．不灵敏度ε

调速器工作时，由于需要一定的力来克服调速系统的摩擦阻力，因此，在一定转速变化范围内调速器不会立即起作用来改变供油量。当柴油机负荷减小时调速器开始起作用的转速与负荷增大时开始起作用的转速之差与发动机平均转速之比，称为调速器的不灵敏度。

若不灵敏度过大，会引起柴油机运转不稳。严重时导致调速器工作失灵，产生飞车的危险。

五、发动机的万有特性

汽车发动机工作时，其转速和负荷的变化范围很广。要全面评价发动机性能，用速度特性和负荷特性很不方便。通常可根据负荷特性曲线簇经过转换画出多参数特性——万有特性。通过万有特性可以方便地查出发动机各种工况下的性能指标。

万有特性就是在一张图上用多参数的特性曲线较全面地表示发动机的性能。通常以转速n 为横坐标，以转矩Me 或平均有效压力为纵坐标，在图上画出许多等耗油率ge 曲线和等功率曲线。

（一）万有特性的制取

（二）万有特性的比较分析

1．汽油机与柴油机的比较

比较图9-27与图9-28可以看出，汽油机的最低油耗比柴油机高，且经济区偏小，故汽油机的燃油经济性不如柴油机好。且等燃油消耗率线在低速区向大负荷收敛，说明汽油机低速低负荷工作时燃油消耗率较高。柴油机的最低油耗率较低，经济区较宽；等耗油率线在高低速均不收敛，变化较平坦；等功率线向高速延伸时，耗油率变化不大。

2．电子喷射式汽油机与化油器式比较

3．增压发动机与非增压的比较

（三）万有特性的应用

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 或发动机在任何点（Pe 、n ）工作时的Me 、ge 、pe ，以及发动机最经济的负荷和转速。

2．由等燃油消耗率曲线的形状及分布情况可以用来分析发动机的使用经济性。

3．某些改进与研究性试验时，为保证发动机与传动系的合理匹配，将常用档位下常用阻力曲线（折算成pe 值）绘于万有特性上，可以一目了然地看出汽车的常用工作区是否与发动机的经济油耗区接近，以判断改进的效果。

4．可以用万有特性评价发动机排放污染情况。将发动机有害排放物随负荷和转速变化的关系画在万有特性上，从而反映发动机在某一工况下的燃烧与混合气。

5．可以结合传动系参数绘制整车万有特性，由此可以确定各档位、各种坡度、不同车速下的经济性和动力性。

六．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为发动机的调整特性。

（一）汽油机的点火调整特性

当汽油机节气门开度、转速及混合气浓度一定时，汽油机功率和燃油消耗率随点火提前角变化的关系，称为点火提前角调整特性。

分析点火提前角调整特性的目的是研究汽油机性能指标随点火提前角变化的规律，确定汽油机不同工况时的最佳点火提前角。

点火调整特性曲线可由发动机台架试验制取。

（二）汽油机的燃料调整特性

汽油机转速及节气门开度一定，点火提前角最佳，有效功率Pe ，燃油消耗率ge 随混合气成分变化的关系，称为该转速和节气门开度的燃料调整特性。

（三）柴油机的供油提前调整特性

测试时，将供油量调节机构固定在标定功率的循环供油量时，做不同转速下Pe 随θfs 而

。变化趋势是随n的升高，θfs 增大。对变化的曲线，则每种转速均有不同的最佳θfs （θ佳）

于由离心式供油提前装置所控制的供油提前角，应满足上述供油提前调整特性。

七、发动机的功率标定及进气修正

（一） 发动机的功率标定

1．15min 功率

2．1h 功率

3．12h 功率

4．24h 持续功率

（二）进气修正

把实际进气状态下试验的结果，换算为标准进气状态下的数值，这就叫进气修正。