发动机外特性曲线(工况图)疑惑
今天研究了一下发动机理论,本着程序员精神,仔细分析了一下发动机工况图,头脑中出现了一个难以解释的疑惑,还请大家来帮忙答疑解惑。
1 发动机外特性理论
当汽油机的节气门开度一定,其有效功率、有效转矩、耗油率等性能指标随转速变化而变化的关系成为发动机的速度特性。
节气门全开时的速度特性成为外特性。
测取方法:节气门保持不变,改变发动机的外部负荷,在不同转速下测出各稳定工况的有效功率、有效转矩、耗油率,并绘制出曲线。
2 测量过程
首先把节气门固定到最大开度,并在整个测量过程中保持不变,同时让发动机空载运行。假设稳定后发动机的转速为7000转/分。
此时得到数数据:
负荷 发动机转速
0 7000
然后开始一点点增加发动机的负荷,增加负荷必然会导致发动机转速降低,假设现在负荷是100Nm,此时发动机稳定运转的转速为6000转/分,于是我们得到数据:
负荷 发动机转速
100 6000
显然发动机稳定运转时,负荷=发动机的有效扭矩。继续增加负荷,转速一定也会继续下降,然后我们得到如下数据:
负荷 发动机转速
200 5000
300 3000
400 2000
500 1000
当负荷加到600时,发动机被迫停止了。
把上述数据绘制成曲线:
节气门不变的情况下,随着负载的增大,必然导致转速下降,上述曲线体现了这个过程。
3 大大的疑问
然而实际的外特性曲线却不是这样的,例如下图是一个实际发动机的外特性曲线图。
可以看出输出扭矩和转速的关系曲线并不是一条平顺的曲线,而是出现了拐点。上图中转速800-1000这段曲线中,输出转矩增加的同时,发动机转速也在增加。也可以这么说:节气门开度不变的前提下,负荷增加却导致了转速也在增加。这显然有悖常理!!
同样的,也会出现这样的疑问:
上图中的A、B两点处的输出扭矩相同,但是发动机却稳定在不同的转速上。
也许有人说工况图上的输出转矩不等同于给发动机加的负荷,那么图上的纵坐标究竟是什么?有一点可以肯定:只有外部负荷造成的阻力转矩等于发动机的输出转矩时,发动机才能稳定运转的转速上。
还请大神们为我答疑解惑,不胜感激!
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想了一下午突然顿悟了。
问题出在假想的测量过程是不符合实际的。
负荷 发动机转速
0 7000
100 6000
200 5000
300 3000
400 2000 (不可能出现)
500 1000 (不可能出现)
实际情况是:
假设当负荷增加到300后,发动机稳定到转速3000上。此时,如果把负荷继续增大,会导致转速降低,这没问题。关键是,此时转速的降低恶化燃烧效率,会进一步减小发动机的输出转矩,又加速了转速的降低,这是一个恶性循环的过程,最终会导致发动机停止转动。为了保持发动机能稳定转动而不是停掉,此时必须减少负荷了。比如减少到200,此时发动机又稳定运行到了2000转/分的转速上了。
负荷 发动机转速
0 7000
100 6000
200 5000
300 3000(再增加负荷,就会导致停机)
200 2000
2000转/分这个点也是比较特殊
(1)此时如果继续减小负载,当然发动机转速就会增加,增加了转速会导致燃烧充分,进而增加了输出转矩。这是一个良性的循环过程。
(2)此时如果增大负载,当然发动机转速就会降低,那个恶性循环就会开始,最终导致停机。
所以此时的测量比较有意思,有两个选择:
(1)先稍稍增大负荷比如210,然后发动机转速降低,恶性循环开始。然后为避免停机,再大幅降低负荷,比如100。然后就会稳定转动到一个低于2000的转速上,比如1000.
于是得到:
负荷 发动机转速
100 1000
(2) 降低负荷,比如100,此时发动机必然加速,加速后燃烧更充分,输出转矩更大,又继续加速。如果此时负荷不再变化,那么发动机会一直加速到6000转/分,此时发动机内部阻力平衡了燃烧的正面影响,发动机稳定到6000转运行。
于是得到。
负荷 发动机转速
100 6000
由于6000转时的负荷已经测过一次了,所以(2)这种方式不会在实际测量中采用。
汇总我们的数据如下:
负荷 发动机转速
0 7000
100 6000
200 5000
300 3000(再增加负荷,就会导致停机)
200 2000
100 1000
看到没有,确实会出现:节气门、负荷都相同的情况下,发动机可以稳定运转到不同的转速下。以负荷100为例:
发动机可以稳定运行到1000转/分,也可以稳定运行到6000转/分。在1000转/分时,主要是燃烧不好导致输出转矩小,而在6000转/分的时候,主要是发动机内部阻力导致输出的转矩变小。
前面分析中的良性循环和恶性循环阶段就是发动机不稳定的阶段。下图是速腾1.8T发动机外特性曲线。
下面来看看它的实际运用,假设汽车要爬一个坡。
按照不同情况分析:
(1)车子距离坡入口20米,此时踩死油门,发动机加速来到入口处,但是发动机此时尚未到达2000转/分。坡度导致发动机负载增大,转速降低,输出转矩进一步降低,转速急剧降低,恶性循环开始。最后发动机熄火,汽车没有成功越过坡。
(2)车子距离坡入口50米,此时踩死油门,发动机加速来到入口处,此时发动机转速已经达到3500转/分。坡度导致发动机负载增大,转速降低,此时转速的降低并没有导致输出转矩的降低,转速降低的并不是很快,车子成功越坡。
(3)车子距离坡入口100米,此时踩死油门,发动机加速来到入口处,此时发动机转速已经达到4500转/分。坡度导致发动机负载增大,转速降低,但是转速的降低却导致了发动机输出转矩的增加,所以转速会降低的很慢,能顺利越过坡路。
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