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    发动机的动力特性

    作者:  来源:   更新时间:2015-01-19  阅读数:1428

     引言发动机的动力特性,系指发动机本身在最大扭矩转速和最大功率转速区间内克服负荷阻力和适应负荷变化的能力以及这两种能力的合理分配关系。它与可靠性和经济性一样,亦是评定和选择发动机的重要依据。


      发动机的动力特性是以其功率(扭矩)与转速的关系式来表达的。为实现发动机的程序控制,建立动力装置动力性能的计算方法,都必须掌握发动机的动力特性。在试验数据完整的情况下,这个关系式可用拟合的方法得到。在只知最大功率等少数参数的情况下,可以采用本文导出的一套较为精确实用的公式计算。发动机的动力特性,不仅以其动力性能(加速能力)和适应能力的高低来评价,而且还以这两方面的分配合理性来评价。


      作为适应性,虽早已给定了评价指标,但其计算公式却未能达意。作为动力性,不仅没有给以明确的定义,而且更没有建立其评价指标。升功率和升扭矩的高低只能反映发动机的强化程度,说明其设计和制造水平的高低。它们根本不能体现动力性能的好坏。相反,个别过份强化的发动机,在技术不过关的情况下,不仅可靠性差,而且加速性能和适应能力都很差。作为分配合理性,必须看到动力性和适应性这二者是相互联系而又相互制约的。加强某一方面,必然削弱另一方面。一个动力特性较好的发动机不仅两大指标要高,而且必须分配合理。


      1动力特性表达式1.1参数因子发动机的转速n(r/min)、扭矩T和功率这3个参数之间有着T的内在关系。而三参数各自在最大扭矩点和最大功率点的6个数值却有着更为深刻的内涵。它们既可用作动力特性计算的参数,也可用作动力性指标和适应性指标的构成因子。


      1.1.1转速因子转速因子e(亦称转速适应性系数)在一定程度上决定着发动机的适应性能。其数值越大,适应性就越好。它可用式(1)计算:n为最大功率转速,r/min;n为最大扭矩转速,的数值一般在1.2~2.5之间。其平均值柴油机约为1.6,汽油机约为1.65,n内燃机学报汽油机仅为1.46.


      1.1.2功率因子功率因子是决定发动机动力性能的重要因素。其数值越大,动力性能就越好。它可用式式中:P为最大功率,kW;P为最大扭矩点的功率,的数值一般在0.47~0.90之间。其平均值,柴油机约为0.75,汽油机约为0.72,高速汽油机则约为1.1.3扭矩因子扭矩因子e(亦称扭矩适应性系数)是发动机动力特性的标志。它既影响发动机的动力性能,又影响发动机的适应性能。在P和均相同的两种发动机中,e大者,必然是T转速区间内的功率总量和扭矩总量都较大者。因此,一般说来,e值大,动力特性就好。它可用式(3)计算:式中:T为最大扭矩,N?m;T为最大功率点的扭一般在1.00~1.38之间。其平均值,柴油机约为1.18,汽油机约为1.16,高速汽油机则仅为和e三因子之间还存在式(4)的内在关系:式(4)暗含着动力特性在动力性和适应性两个方面的分配关系。参见下文。


      1.2动力特性计算式发动机动力外特性的计算式,就是功率(扭矩)与转速的关系式。根据经验,这一关系可用一个多次方程来表达。在已知最大功率P、最大扭矩T、最大功率转速n和最大扭矩转速n等参数的情况下,可以利用以下仅有的5个已知条件,导出一个四次方程来。


      这5个条件任去其一,则可组合出5种情况,并导出5个三次方程来。这5个三次方程,在不同的转速区间,将有着不同的计算精度。本文除取四次方程外,还取由前4个条件决定的一个三次方程。按上述假设导出的并以和作参数的方程列于式(5)之中:当时,注意,上述方程系数之和等于1,即=1.四次式由于利用的已知条件较多,因此适应范围较广,总体计算精度较高,特别适于动力特性较好的发动机。三次式更加贴近于动力特性较差的发动机,而且利用它进行公式推导时,一般能得到显式函数。具体计算时,可根据扭矩因子e的大小按表1规定选取。


      判定条件采用公式三次式三或四次式四次式式(5)的计算精度,可用较为直观的相对误差X来判断。如果功率测试值为Pt,计算值为Pt.其相对误差的均值X|/n.根据数十型发动机的计算统计,式(5)在(n)区间内总的X值不大于1%.


      四转速功率测试值计算值三次式四次式次式的X值仅为0.22%,就是不适合计算的三次式也式(5)只在低速区间的偏差较大,且不适合具有多进气道等的特殊发动机。有关这些问题尚需进一步研究。


      2动力特性的评价指标发动机的动力特性可用动力性系数、适应性系数和分配系数3个指标来评价。现分述如下。


      2.1动力性系数动力性系数是发动机动力性能的标志,它也是从最大扭矩点加速到最大功率点的加速能力的象征。若要具有较高的加速强度,就必须具有较高的平均功率P值的高低,就代表着该发动机动力性能的好坏。然而,P值是随最大功率的变化而变化的,不同的发动机很难说清谁大谁小。为具有可比性,P值尚需除以Pm.所以,发动机的动力性系数就是在(n)区间内的功率均值与其最大功率的比值。据此,发动机的动力性系数可用式(6)表示:代入式(5),并经积分整理后可得:系数c在有试验数据时,可用同次数的回归方程的系数取代。为简化计算,也可忽略功率曲线的上凸部分,而粗略地采用式(8)估算:由式(8)可知,D的理论数值范围为0.5~1.0.根据计算统计,汽油机的D值在0.78~0.94之间变化,其平均值约为0.89;柴油机的D值在0.85~0.95之间变化,其平均值约为0.91.


      2.2适应性系数适应性系数是发动机适应性能的标志,也就是当外界负荷变化时,发动机抵抗转速从n下降到n的能力。


      发动机的适应性系数A是以式A来表达的。该式的理论根据是:e值大,扭矩曲线的总体斜率就可能大,外界负荷增大时,转速就不易下落;e值大,转速由n下降到的过程就长。这从粗略的定性意义上讲是有道理的。然而,这里面存在2个问题:一是没有考虑扭矩曲线上凸部分的作用,二是从理论上讲,尚有不妥之处。例如,当e=1时(扭矩曲线平直),发动机本不具有任何适应能力,可此时Ar.又如,当e趋近n,发动机也不具有任何适应能力,而此时A=eT.因此,很有必要给出一个更为准确的定义,建立一个更为贴切的计算公式。


      根据图2b的几何关系,发动机的适应性系数应是区间(n)内的扭矩总量(这个总量决定于区间的宽度和扭矩曲线的总体斜率)对于最大扭矩T和最大功率转速n的相对比值,即式(9)中乘以100是为适应习惯上的可视性。式(9)经积分整理后可得:系数c在有试验数据时,可用同次数的回归方程的系数取代。为简化计算,也可忽略扭矩曲线的上凸部分而粗略地采用式(11)估算:由式(11)可知,当n与相互趋近时,或扭矩曲线平直时,e根据计算统计,汽油机的A值一般在1.5~6.0之间变化,其平均值约为3.3;柴油机的A值在1.22~6.23之间变化,其平均值约为3.70.


      2.3分配系数扭矩因子e是发动机动力特性的标志,它既影响动力性系数D,又影响适应性系数A.总地来说,e大者动力特性就好,e小者动力特性就差。在e一定的情况下,由于D增大,A必减小;反之,A增大,D必减小。因此,就存在如何将e合理地分配于动力性和适应性这两个方面的问题。偏向分配难于充分发挥e的潜能。由于在扭矩因子e一定的情况下,功率因子e决定着转速因子决定着因此影响在和A两个方面的分配问题,实质上就是e在e和e两2000年10月宫春峰等:内燃机的动力特性个方面的分配问题。由于eP,所以只要找到了和的合理关系,就能合理地进行动力特性分配。


      正因为如此,故把e和的比值λ定义为动力特性分配系数:由计算统计,汽油机的λ值在1.65~5.33之间变化,其平均值约为2.4;柴油机的λ值在1.5~3.0之间变化,其平均值约为2.15.高速汽油机λ值在1.35~4.00之间变化,平均值约为1.9.


      在发动机的设计和评价中,建议以表3所列数值作为参考。λ值增大,适应性则增强,但动力性却降低。λ值的正负号,可以根据使用环境和转速高低酌情选取。外界负荷变化不大和n值高者可以采用负号,反之采用正号。但作为一般情况,均不宜超过10%.


      发动机类型柴油机一般汽油机在发动机的设计中,当e和λ均确定之后,便可利用式(13)和式(14)计算转速因子e和功率因子e当e和n确定后,最大扭矩转速n就被确定。当和被确定后,最大扭矩功率P和最大扭矩亦被确定。


      值得注意的是,现代高速汽油机的e值普遍较低,动力特性较差。但它们往往被用在负荷变化不大的动力装置上,例如常驶于良好路面的小轿车。因此,可以减小λ值,以降低适应性来增强动力性。特别是采取“大马拉小车”的办法来弥补动力性和适应性的不足。


      也就是以大功率作后盾,以较大的平均功率(扭矩)的绝对值来补偿相对值的不足。然而,这仅是一些使用措施,丝毫改变不了发动机自身动力特性的本质。

     
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