发动机的负荷特性

7.2　发动机的负荷特性

负荷特性是指当发动机转速不变时其性能指标随负荷而变化的关系。这时，性能指标主要指燃料消耗率b_e，有时也加上每小时燃料消耗量B和排气温度t_r等。发动机沿负荷特性工作时，相当于汽车以等速在不同阻力的道路上行驶的情况。用图形表示负荷特性时，由于转速不变，发动机的有效功率P _e、有效转矩T _tq和平均有效压p _me之间互成比例关系，均可表示负荷的大小，即P _e、T _tq和p _me均可做负荷特性曲线的横坐标，而纵坐标为b _e、B和t _r等。

负荷特性是在发动机试验台架上测取的，主要是体现其燃料经济性的特性。测试时，改变测功器负荷的大小，并相应调整发动机油量调节机构位置(如改变节气门开度或移动油量调节杆)，以保持规定的发动机转速不变，待工况稳定后记录数据，得到一个试验点。将不同负荷的试验点相连即得到负荷特性曲线。由于每一条负荷特性曲线仅对应发动机的一个转速，为了满足全面评定性能的需要，常常要测出不同转速下的多条负荷特性曲线，其中最有代表性的是标定转速和最大转矩转速下的负荷特性曲线。

7.2.1　汽油机的负荷特性

测定汽油机的负荷特性曲线时除保持转速不变外，各工况均须调整到最佳点火提前角，并按规定保持冷却水温度、机油温度、机油压力等参数在合理范围之内。

对于预混合强制点火的汽油机来说，对应燃烧良好的过量空气系数φ_a在很小的范围内变化，负荷调节是通过改变节气门的开度，从而改变进入气缸的可燃混合气数量来实现的。图7－2为车用汽油机典型的负荷特性曲线。

图7－2　汽油机负荷特性曲线

图7－3　汽油机η_it、η_m随负荷的变化

由于b _e与指示热效率η_it和机械效率η_m的乘积成反比关系，即，因此b _e随负荷变化的规律取决于η_it和η_m随负荷变化的规律。图7－3所示为η_it、η_m随负荷的变化关系。

当汽油机负荷为零时，其有效功率P _e= 0，而为指示功率，P _m为机械损失功率)，所以机械效率η_m= 0(其指示功率完全用来克服机械损失功率)，故b _e为无穷大。

由于P _m在转速不变的条件下变化不大，所以随着负荷增加，η_m上升较快。同时，随着节气门开度加大，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少:因此，指示热效率η_it随负荷增加而上升，故b _e迅速下降，直至降到最低值。当负荷继续增加，接近全负荷时，为增加最大功率，燃料供给系供给较浓的功率混合气，导致燃料燃烧不完全，η_it下降，结果b _e又有所上升。

负荷特性中的燃料消耗量B曲线，一般作为特性测试的原始记录。B值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，B随之上升;当节气门开度接近全开时，混合气变浓，B上升的速度加快，曲线变陡。

7.2.2　柴油机的负荷特性

测定柴油机的负荷特性曲线时，除转速不变外，各工况供油提前角均须调整到最佳值，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。

对于自然吸气式柴油机来说，当它按负荷特性运行时，由于转速不变，其充量系数φ_c基本保持不变。当负荷变化时，通过油量调节机构改变循环供油量以适应负荷的变化，即负荷增大时供油量增加，反之则减少。这样，可燃混合气的过量空气系数φ_c将随负荷的增加而减小，随负荷的减小而增加。

图7－4所示为车用柴油机的典型负荷特性曲线，其变化趋势与汽油机类似。b _e同样与η_it和η_m的乘积成反比。柴油机η_it和η_m随负荷的变化关系如图7－5所示。与汽油机同理，柴油机负荷为零时，η_m=0，随着负荷增加，柴油机的机械效率η_m增大，但增大幅度逐渐减小。当负荷较大时，混合气形成和燃烧开始恶化，致使指示热效率η_it下降，且负荷越大，η_it下降速度越快。

图7－4　柴油机负荷特性曲线

图7－5　柴油机η_it、η_m随负荷变化关系

综合η_it和η_m两方面的影响，b _e曲线的变化规律是:怠速时η_m= 0，b _e趋于∞;在较小负荷范围内，随负荷增加，η_m的增大速度比η_it的减小速度快，故b _e降低，直到某一中等负荷时，η_it和η_m的乘积最大，b _e最小。

在大负荷范围内，随负荷增加，η_m的增大速度比η_it的减小速度慢，使b _e增加;如果继续增加负荷，由于混合气过浓、不完全燃烧显著增加，生成较多的不完全燃烧产物CO和碳烟，b _e上升，且排气烟度急剧上升，当排气烟度达到国家标准规定的烟度限值时称为柴油机的冒烟界限。为保证柴油机安全、可靠、环保地运行，一般不允许它超过冒烟界限工作。所以，非增压高速柴油机使用中的最大功率受到排放法规规定的烟度值限制。

由于车用柴油机工作时其转速经常变化，因此需要测定柴油机在不同转速下的负荷特性，以了解在各种不同转速下运行时最经济的负荷区。在柴油机性能调试过程中，常用负荷特性作为比较的标准。

对于增压柴油机来说，由于随负荷的增大，排气能量加大，涡轮增压器转速上升，从而增压压力提高，进气密度增大，所以在大负荷时，其φ_a和η_m的下降速率比自然吸气柴油机小，因而，在大负荷一侧b _e曲线较为平坦，如图7－6所示。与自然吸气柴油机不同的是，增压柴油机限制p _me的因素主要是最高燃烧压力和增压器的可靠性。

图7－6　增压柴油机的负荷特性

7.2.3　汽油机和柴油机负荷特性的对比分析

在负荷特性曲线上，最低燃油消耗率越小，在负荷变化较宽范围内b _e变化越小，即b _e曲线变化越平坦，发动机的经济性越好。为了便于分析，将标定功率及转速相接近的汽、柴油机的负荷特性曲线进行对比，如图7－7所示。

比较汽油机与柴油机的负荷特性可知，汽油机的有效燃油消耗率b _e都比同负荷的柴油机高，这主要是因为汽油机的压缩比ε_c比柴油机低，而且汽油机的φ_a比柴油机小，导致工质等熵指数k较小，这均导致汽油机的η_it低于柴油机。虽然一般来说汽油机的η_m高于柴油机，但这种η_m的差别不足以弥补η_it的影响。同时还可以看出，柴油机的最低燃油消耗率小且b _e曲线变化较平坦，具有较宽的经济负荷区域，部分负荷时低油耗区比汽油机宽，所以柴油机的经济性较好。

图7－7　汽油机与柴油机负荷特性曲线的对比

从负荷特性曲线上可以看出，低负荷区的有效燃料消耗率b _e较高，随负荷增加，b _e值迅速降低，在中等偏大负荷时b _e达到最小值。全负荷时，虽然内燃机功率输出最大，但燃料经济性并不是最好。因此，为了提高汽车的燃料经济性，希望发动机经常处于或接近耗油低、负荷较大的经济负荷区运行，故选配发动机时，应注意在满足动力性要求的前提下，不宜装置功率过大的发动机，以提高功率的利用率，提高燃料经济性。