發動機外特性曲線(工況圖)疑惑


今天研究了一下發動機理論,本着程序員精神,仔細分析了一下發動機工況圖,頭腦中出現了一個難以解釋的疑惑,還請大家來幫忙答疑解惑。


1 發動機外特性理論
 
當汽油機的節氣門開度一定,其有效功率、有效轉矩、耗油率等性能指標隨轉速變化而變化的關系成為發動機的速度特性
節氣門全開時的速度特性成為外特性。 

測取方法:節氣門保持不變,改變發動機的外部負荷,在不同轉速下測出各穩定工況的有效功率、有效轉矩、耗油率,並繪制出曲線。

2 測量過程
 首先把節氣門固定到最大開度,並在整個測量過程中保持不變,同時讓發動機空載運行。假設穩定后發動機的轉速為7000轉/分。
此時得到數數據:
負荷            發動機轉速
0                 7000

然后開始一點點增加發動機的負荷,增加負荷必然會導致發動機轉速降低,假設現在負荷是100Nm,此時發動機穩定運轉的轉速為6000轉/分,於是我們得到數據:

負荷            發動機轉速
100                 6000
顯然發動機穩定運轉時,負荷=發動機的有效扭矩。繼續增加負荷,轉速一定也會繼續下降,然后我們得到如下數據:

 
負荷            發動機轉速
200                 5000
300                 3000
400                 2000
500                 1000

當負荷加到600時,發動機被迫停止了。

把上述數據繪制成曲線:

 圖片

節氣門不變的情況下,隨着負載的增大,必然導致轉速下降,上述曲線體現了這個過程。


 3 大大的疑問

 然而實際的外特性曲線卻不是這樣的,例如下圖是一個實際發動機的外特性曲線圖。

圖片 

可以看出輸出扭矩和轉速的關系曲線並不是一條平順的曲線,而是出現了拐點。上圖中轉速800-1000這段曲線中,輸出轉矩增加的同時,發動機轉速也在增加。也可以這么說:節氣門開度不變的前提下,負荷增加卻導致了轉速也在增加。這顯然有悖常理!!

同樣的,也會出現這樣的疑問:

圖片 
上圖中的A、B兩點處的輸出扭矩相同,但是發動機卻穩定在不同的轉速上。 

也許有人說工況圖上的輸出轉矩不等同於給發動機加的負荷,那么圖上的縱坐標究竟是什么?有一點可以肯定:只有外部負荷造成的阻力轉矩等於發動機的輸出轉矩時,發動機才能穩定運轉的轉速上。

還請大神們為我答疑解惑,不勝感激! 


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想了一下午突然頓悟了。

問題出在假想的測量過程是不符合實際的。
負荷            發動機轉速
0                     7000

100                 6000
200                 5000
300                 3000
400                 2000 (不可能出現)
500                 1000
 (不可能出現)

實際情況是:
假設當負荷增加到300后,發動機穩定到轉速3000上。此時,如果把負荷繼續增大,會導致轉速降低,這沒問題。關鍵是,此時轉速的降低惡化燃燒效率,會進一步減小發動機的輸出轉矩,又加速了轉速的降低,這是一個惡性循環的過程,最終會導致發動機停止轉動。為了保持發動機能穩定轉動而不是停掉,此時必須減少負荷了。比如減少到200,此時發動機又穩定運行到了2000轉/分的轉速上了。
負荷            發動機轉速
0                     7000

100                 6000
200                 5000
300                 3000(再增加負荷,就會導致停機)
200                 2000 


2000轉/分這個點也是比較特殊
(1)此時如果繼續減小負載,當然發動機轉速就會增加,增加了轉速會導致燃燒充分,進而增加了輸出轉矩。是一個良性的循環過程
(2)此時如果增大負載,當然發動機轉速就會降低,那個惡性循環就會開始,最終導致停機。

所以此時的測量比較有意思,有兩個選擇:
(1)先稍稍增大負荷比如210,然后發動機轉速降低,惡性循環開始。然后為避免停機,再大幅降低負荷,比如100。然后就會穩定轉動到一個低於2000的轉速上,比如1000.
於是得到:
負荷            發動機轉速
100                 1000

(2) 降低負荷,比如100,此時發動機必然加速,加速后燃燒更充分,輸出轉矩更大,又繼續加速。如果此時負荷不再變化,那么發動機會一直加速到6000轉/分,此時發動機內部阻力平衡了燃燒的正面影響,發動機穩定到6000轉運行。
於是得到。
負荷            發動機轉速
100                 6000


由於6000轉時的負荷已經測過一次了,所以(2)這種方式不會在實際測量中采用。

匯總我們的數據如下:

負荷            發動機轉速
0                     7000

100                 6000
200                 5000
300                 3000(再增加負荷,就會導致停機)
200                 2000 
100                 1000

看到沒有,確實會出現:節氣門、負荷都相同的情況下,發動機可以穩定運轉到不同的轉速下。以負荷100為例:

發動機可以穩定運行到1000轉/分,也可以穩定運行到6000轉/分。在1000轉/分時,主要是燃燒不好導致輸出轉矩小,而在6000轉/分的時候,主要是發動機內部阻力導致輸出的轉矩變小。
 

 前面分析中的良性循環和惡性循環階段就是發動機不穩定的階段。下圖是速騰1.8T發動機外特性曲線。

圖片

下面來看看它的實際運用,假設汽車要爬一個坡。
按照不同情況分析:
(1)車子距離坡入口20米,此時踩死油門,發動機加速來到入口處,但是發動機此時尚未到達2000轉/分。坡度導致發動機負載增大,轉速降低,輸出轉矩進一步降低,轉速急劇降低,惡性循環開始。最后發動機熄火,汽車沒有成功越過坡。

(2)
車子距離坡入口50米,此時踩死油門,發動機加速來到入口處,此時發動機轉速已經達到3500轉/分。坡度導致發動機負載增大,轉速降低,此時轉速的降低並沒有導致輸出轉矩的降低,轉速降低的並不是很快,車子成功越坡。
 

(3)車子距離坡入口100米,此時踩死油門,發動機加速來到入口處,此時發動機轉速已經達到4500轉/分。坡度導致發動機負載增大,轉速降低,但是轉速的降低卻導致了發動機輸出轉矩的增加,所以轉速會降低的很慢,能順利越過坡路。


注意!

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