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正確理解發動機負荷的意義
來源:汽車維修與保養  作者:佚名  2015-05-14 09:40:17

    一、負荷率的概念
    負荷率是一個在某特定發動機轉速下扭矩的百分比相對概念,它的嚴格定義是指同發動機轉速下,部分節氣門下發出的扭矩與節氣門全開時發出的最大扭矩之比值。
    對于汽油機來講,一個通俗的表達為:某個發動機轉速下,部分節氣門開度下的進氣量與節氣門全開時的進氣量,也可以代表負荷率。原因在于汽油燃燒系統一般看作是空燃比為1的均質燃燒系統,其扭矩輸出模式為進氣充量調節。Toyota或Honda等日企更傾向于使用進氣量表達負荷率,而歐美更多采用扭矩表達負荷率。
    節氣門開度與扭矩不呈線性關系,并不能準確表達負荷率的概念。但仍有部分公司在開發試驗中沿用這個概念,比如PSA及國內一些企業。
    對于柴油機來講,其燃燒系統工作原理是質調,即在額定轉速以下,噴油量與扭矩輸出呈線性關系。因此某轉速下,部分油門開度下的噴油量與全油門時噴油量之比可以準確表達負荷率的概念。但有一個例外,如果轉速超出額定轉速,進入超轉速區域(如在高怠速時),噴入燃燒室的油全部用來克服發動機的摩律功,對外輸出扭矩為零。這個時刻,發動機就沒有負荷。
    但在實際的發動機數據流中,我們常見的發動機負荷參數,在某些情況下,與我們上面所述的負荷概念有所不同,甚至目前出現了大家錯認為負荷概念是外界阻力的情況。一旦出現發動機負荷參數數值比較大的時候,就有技術人員用發動機負荷增大,即發動機運行阻力過大來形容此時發動機的工作狀態。這主要是由于很多技術人員對負荷概念認識不清所導致的。下面筆者簡單地對發動機負荷這一概念進行分析,以增加一線技術人員對發動機負荷這一數據參數的深刻認識。
    在發動機負荷這一概念產生的初期,是用部分節氣門開度所產生的發動機扭矩與節氣門全開時發出的最大扭矩之比來進行定義的。在發動機研發階段用這個概念來進行定義應該是非常正確的。但用于實際運行一定時間后的發動機,尤其是帶有故障的發動機來說,則很容易讓我們產生迷惑,這主要是由于發動機負荷參數的數據值在較大值時,并不是有同樣大的發動機扭矩輸出,這與常規意義上的負荷的概念出現了差異。發動機負荷增大了,發動機的輸出功率、扭矩并沒有顯著增加,仍然與當時的發動機運行阻力相同。
    比如當發動機在怠速出現1缸失火故障時,由于1缸工作不良導致發動機輸出扭矩下降,導致發動機出現轉速降低的情況。此時發動機ECM會啟動怠速轉速控制,通過開大節氣門,提高進氣量、噴油量來彌補1缸失火導致的輸出扭矩下降情況,從而起到怠速轉速穩定的作用。因此,從發動機負荷的角度看,發動機的負荷數值是增大的,但發動機本身的運轉阻力并沒有發生變化。

    二、發動機輸出扭矩與負載
    我們先從發動機輸出扭矩與負載來進行解釋。發動機受力分析的參考點是曲軸,發動機輸出扭矩F與負載扭矩f在曲軸上的合扭矩決定了曲軸轉速,即發動機轉速。當輸出扭矩大于負載扭矩時,曲軸產生加速度,發動機轉速升高;反之則降低;相等時則恒定。怠速運轉時,發動機的輸出扭矩等于內部負載扭矩,而當前者小于后者時,發動機將會出現抖動甚至熄火。
    車輛能夠穩定或者加速行駛,其關鍵就在于發動機輸出的動力能夠滿足克服外界阻力,使車速保持一定或提高速度的能力。而外界阻力除發動機本身運轉的機械阻力外,還包括空氣阻力、滾動阻力、坡道阻力、加速阻力等。
1.怠速工況及負荷
    發動機怠速時,由于沒有對外的功率輸出,只需要克服本身機械運轉的阻力即可。這樣怠速時進入汽缸的混合氣,只需要滿足燃燒后輸出的F作用力與機械阻力f相同,即能保證發動機以穩定的轉速運轉(圖1)。

    如果此時增加外界的負荷,如打開空調、轉動方向盤、打開大燈,都會導致發動機的負荷增大,怠速時進入汽缸的混合氣所做的功(F驅動力)已不足以克服此f阻力。這將導致發動機的轉速降低。因此,發動機ECU會根據此外界負荷增加的情況增加進氣量,以提高作用在活塞上方的廠驅動力(圖2)。

    怠速工況下,發動機沒有對外輸出扭矩。汽缸內混合氣燃燒做功產生的扭矩只是用來維持活塞的吸氣、壓縮、做功、排氣行程,以及水泵和發電機的運轉。
    平常提到的怠速實際上是指發動機平穩運轉的最低怠速。習慣上維修人員常將不踩加速踏板或節氣門怠速觸點接通的狀態視為怠速,這偏離了怠速的外部負載扭矩為零的本質屬性。如上面提到的空調開啟、轉向助力泵工作或帶擋滑行等。
    即使未踩下加速踏板,只要外部負載扭矩不為零,仍然不能將發動機轉速視為怠速。相反,踩下加速踏板,無論發動機轉速有多高,只要外部負載扭矩為零,仍可將發動機轉速視為怠速。但此時的怠速應該稱之為“高怠速”。
    在實際維修作業中,維修人員?;岵捎眉奔鈾俚姆絞嚼垂鄄旆⒍吶ぞ厥涑瞿芰?。這實際上是利用曲軸加速所產生的額外負荷來模擬發動機的外部負載扭矩。在這種情況下發動機外部負載扭矩雖然為零,但急加速時由于氣體運動的慣性和摩擦力會通過活塞傳給曲軸,瞬間產生較大的內部負載扭矩。維修人員把這個較大的瞬間內部扭矩以外部負載扭矩來看待,這樣在某種程度上不必通過路試便可以間接地觀察到發動機扭矩增加的潛力。
      但是由于該內部扭矩增加的量有限,無法完全模擬發動機大負荷或全負荷工況下的外部負載,所以?;岢魷質導食盜炯鈾儻蘗蛭薷咚?,但原地空負荷急加速正常的情況。
      發動機的怠速,指的是在沒有對外動力輸出時的最低平穩運轉速度。實際上為了控制尾氣排放、為了車輛起步時的平穩性,通常意義上的怠速轉速已經高于了實際理論意義上的怠速值,在傳統化油器的發動機上,我們見過400~500r/min左右的怠速,發動機一樣能夠穩定的工作,但此時由于發動機轉速較低,汽缸內的混合氣量相對較少,燃燒速度較低,混合氣偏濃,尾氣排放的CO、HC化合物的生成量較高。所以常規發動機的怠速轉速一般在700±50r/min。自動擋車輛怠速轉速在750±50r/min.

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