内燃机特性与匹配.ppt

第八章内燃机的特性与匹配 内燃机的特性是内燃机性能的综合反映 特性的形式有很多 除了前几章已经介绍的内燃机调速特性与调整特性 如点火提前角调整特性 供油提前角调整特性 外 本章将重点介绍内燃饥的基本特性 如负荷特性 速度特性 万有特性等 由于内燃机是为其他动力装置或工作机械提供动力的 相互之间的配合特性不仅涉及到工作机械的性能 也与内燃机本身的特性密切相关 为此 本章将介绍内燃机与工作机械的匹配方法 对内燃机的特性及其匹配进行研究 不仅是为了评价内燃机的性能 为正确 合理地选用内燃机提供依据 同时 还可以通过对影响内燃机特性各种因素的分析 提出改进特性以适应匹配要求的各种技术措施 以优化整个动力装置的性能 主要内容 第一节内燃机的特性第二节内燃机与工作机械的匹配 第一节内燃机的特性 一 内燃机的工况二 内燃机的负荷特性三 内燃机的速度特性四 万有特性五 内燃机的功率标定及大气修正 一 内燃机的工况 内燃机工况就是指内燃机实际运行的工作状况 表征内燃机运行工况的参数可由下式给出 8 1 式中 Pe为有效功率 Ttq为内燃机的转矩 n为内燃机的工作转速 式 8 1 中的三个参数中 只有两个是独立变量 换句话说 当任意两个参数固定后 第三个参数就可以通过该式求出 比较常用的是用Ttq与n或者Pe与n两组参数来表征内燃机稳定运行的工况点 原因在于转速n表示内燃机工作过程进行的速度快慢 而Ttq或Pe说明内燃机发出功率或承受负荷能力的大小 内燃机的负荷 通常是指内燃机所遇到的阻力矩的大小 由于平均有效压力pme正比于转矩 故有时也用pme来表示负荷的高低 内燃机的工作区域 上边界线3为内燃机油量控制机构处于最大位置时 不同转速下内燃机所能发出的最大功率 左侧边界线为内燃机最低稳定工作转速nmin限制线 低于此转速时 由于曲轴飞轮等运动部件储存能量较小 导致转速波动大 内燃机无法稳定工作 右侧边界线为最高转速nmax限制线 受到转速过高所导致的惯性力增大 机械摩擦损失加剧 充量系数下降 工作过程恶化等各种不利因素的限制 内燃机的工况分类 第 类工况 其特点是内燃机的功率变化时 转速几乎保持不变 该工况又被称为固定式内燃机工况 例如 发电用内燃机 其负荷呈阶跃式突变 并没有一定的规律 然而内燃机的转速必须保持稳定 以保证输送电压和频率的恒定 反映在工况图上就是 条垂直线 图8 1中的曲线1 称为线工况 灌溉用内燃机 除了起动和过渡工况外 在运行过程中负荷与转速均保持不变 称为点工况 图8 1中的A点 第二类工况 其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系 如图8 1中的曲线2示的三次幂函数 当内燃机作为船用主机驱动螺旋桨时 内燃机所发出的功率必须与螺旋桨吸收的功率相等 而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低 且与转速成幂函数关系 这样 内燃机功率就呈现一种十分有规律的变化 该类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况 也属于线工况 第三类工况 其特点是功率与转速都在很大范围内变化 它们之间没有特定的关系 汽车及其他陆地运输用内燃机 都居于这种工况 此时 内燃机的转速决定于行驶速度 可以从最低稳定转速一直变到最高转速 负荷取决于行驶阻力 在同一转速下 可以从零变到全负荷 内燃机可能的工作区域就是该种类型内燃机的实际工作区域 相应的上况区域称为面工况 研究内燃机特性的必要性 为了评价内燃机在不同工况下运行的动力性指标 如功率 转矩 平均有效压力等 经济性指标 燃油消耗率 排放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标 如指示热效率 充量系数以及机械效率 等 就必须研究内燃机的特性 有关定义 所谓内燃机的特性 就是指上述性能参数随参数调整情况或运转工况变化的规律 性能指标随调整情况变化的特性称为调整特性 如点火提前角调整特性 供油提前角调整特性等 性能指标随运行工况变化的特性称为性能特性 如负荷特性 速度特性和调速特性等 用来表示特性的曲线称为特性曲线 它是评价内燃机的一种简单 直观 方便的形式 二 内燃机的负荷特性 定义测试方法作用曲线及说明 定义 负荷特性是指当转速不变时 内燃机的性能指标随负荷而变化的关系 用曲线的形式表示出来 就称为负荷特性曲线 驱动发电机 压缩机 风机 水泵等动力装置的内燃机 就是按负荷特性运行的 测试方法 负荷特性曲线是在发动机试验台架上测取的 试验时 调整测功器负荷的大小 并相应调整油量调节机构位置 以保持发动机的转速不变 待工况稳定后 依次记录不同负荷下的有关数据 并整理得到性能曲线 作用 由了负荷特性可以直观地显示发动机在不同负荷下运转的经济性以及排温等参数 且比较容易测定 因而在内燃机的调试过程中 经常用来作为性能比较的依据 由于每一条负荷特性仅对应内燃机的一种转速 为了满足实际应用的要求 需要侧出不同转速下的多个负荷特性曲线 同时 根据这些特性曲线 可以得到发动机的另外一个重要的特性 万有特性 对于一条特定的负荷特性曲线而言 转速是固定不变的 这样有效功率Pe 有效转矩Ttq与平均有效压力pme互成比例关系 均可用来表示负荷的大小 负荷特性的横坐标通常是上述三个参数之一 较为常用的是有效功率Pe或平均有效压力pme 纵坐标主要是燃油消耗量B 燃油消耗率be以及排温 烟度 机械效率 m等 图8 2所示的就是典型的负荷特性曲线 一 柴油机的负荷特性 燃油消耗率曲线的变化趋势 通过燃油消耗率曲线的定义式分析如下 8 2 对于非增压柴油机而吉 当柴油机按负荷特性运行时 由于转速不变 其充量系数基本保持不变 当负荷变化时 通过燃料调节机构调整循环供油量以适应负荷的变化 负荷增大时油量增加 反之则减少 这样 过量空气系数随负荷的增加而减小 这一负荷调节过程被称为 变质调节 柴油机的负荷特性走势分析 当负荷为零 空载 时 因无动力输出 平均有效压力pme为零 故机械效率 m为零 意味着内燃机所发出的功率完全用于自身消耗 这样从式 8 2 可知燃油消耗率be为无穷大 当负荷逐渐增大时 由于平均机械损失压力pmm在转速不变时变化不大 而平均有效压力pme则随负荷提高而增大 因此机械效率随负荷的增大而上升得较快 因此 燃油消耗率be 曲线在负荷增加时下降得很快 并且 到达某一负荷时 be达到最低值 随着负荷的进一步增加 过量空气系数 a变得更小 混合气形成与燃烧开始恶化 指示热效率 it开始明显下降 其下降速度逐渐超过机械效率上升的速度 燃油消耗率开始上升 如果继续增加负荷 则空气相对不足 燃料无法完全燃烧 从而使燃油消耗率上升很快 且柴油机大量冒黑烟 导致活塞 燃烧室积碳 发动机过热 可靠性以及寿命受到影响 如超过该极限再进一步增大负荷 柴油机大量冒黑烟 功率反而下降 二 汽油机的负荷特性 与柴油机不同的是 在测取汽油机的负荷特性时 油量是通过改变节气门的开度来调整的 这样相应地改变了进入气缸的混合气数量 而混合气的浓度变化不大 故称为 变量调节 图8 2b是汽油机的负荷特性 初看起来 汽油机的负荷特性与柴油机负荷特性似乎没什么区别 柴油机与汽油机负荷特性的区别 1 汽油机的燃油消耗率普遍较高 且在从空负荷向中 小负荷段过渡时 燃油消耗率下降缓慢 仍维持在较高水平 燃油经济性明显较差 2 汽油机排温普遍较高 且与负荷关系较小 3 汽油机的燃油消耗量曲线弯曲度较大 而柴油机的燃油消耗量曲线在中 小负荷段的线性较好 特性差别的解释 1 因为两种类型发动机的机械效率变化情况基本类似 根据式 8 2 造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于指示热效率的差异 由于柴油机的压缩比比汽油机高出较多 其过量空气系数也要比汽油机大 燃烧大部分是在空气过量的情况下进行的 所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高 这样 从数值上看 汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机 另一方面 从指示热效率曲线的变化趋势上来看 两者也有比较明显的差异 在转速不变的前提下 柴油机进人气缸的空气量基本上不随负荷大小而变化 而每循环供油量则随负荷的增大而增大 这样过量空气系数就随负荷的增大而减小 因此 指示热效率也就随负荷的增大而降低 汽油机采用定质变量的负荷调节方法 在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降 而在低负荷时 由于节气门开度小 残余废气系数较大 燃烧速率降低 需采用浓混合气 加之当负荷减小时泵气损失增大 导致指示热效率下降 这样 汽油机的燃油消耗率在中 小负荷区远高于柴油机 特性差别的解释 2 排气温度曲线的差异也可以用上述原因来解释 汽油机的压缩比比柴油机低 相应的膨胀比也低 排温就要比柴油机高出许多 在负荷变化时 尽管由于混合气总量的增加引起加入气缸总热量的增加 使排温随负荷的提高而上升 但由于在大部分区域内过量空气系数保持不变 故排温上升幅度不大 在柴油机中 随着负荷的提高 过量空气系数随之降低 排温显著上升 三 内燃机的速度特性 内燃机速度特性 是指内燃机在油量调节机构 油量调节齿条 拉杆或节气门开度 保持不变的情况下 主要性能指标 转矩 油耗 功率 排温 烟度等 随内燃机转速的变化规律 当汽车沿阻力变化的道路行驶时 若油门位置不变 转速会因路况的改变而发生变化 这时内燃机是沿速度特性工作 测试方法 速度特性也是在内燃机试验台架上测出的 测量时 将油量调节机构位置固定不动 调整测功器的负荷 内燃机的转速相应发生改变 然后记录有关数据并整理绘制出曲线 一般是以发动机转速作为横坐标 部分速度特性与外特性 当油量控制机构在标定位置时 测得的特性为全负荷速度特性 简称外特性 油量低于标定位置时的速度特性 称为部分负荷速度特性 由于外特性上反映了内燃机所能达到的最高性能 确定了最大功率 最大转矩以及对应的转速 因而是十分重要的 所有发动机出厂时都必须提供该特性 特性曲线 一 柴油机的速度特性 图8 3a是柴油机的速度特性 对图中主要参数 如有效转矩与燃油消耗率 的变化趋势 可作如下分析 由于转矩Ttq正比于平均有效压力pme 而pme可以表示为 8 3 式中 gb为每循环供油量 可见 在柴油机中 转矩的大小取决于每循环供油量gb 指示热效率 it以及机械效率 m 图8 4给出了外特性上主要参数的变化情况 其趋势可分别阐述如下 1 对于常用的柱塞式供油泵 当油量调节机构位置固定且无特殊的油量校正装置时 随柴油机转速的下降 通过柱塞与柱塞套间的燃油泄漏增多 且柱塞有效行程由了斜槽节流作用的减弱而降低 导致每循环供油量gb有所减少 如图8 4中的曲线1 加装校正装置后的油泵 其gb随转速的变化趋势如图中的曲线2和曲线3 即在转速降低时可以保持供油量的基本不变或略有上升 曲线的具体形状取决于校正方法 根据机械效率的分析式 式中 A为一常数 当内燃机的转速降低时 平均机械损失压力pmm将逐渐减少 it及 c有适当的增加 特别是pmm的下降占主导地位 故机械效率 m将随转速的降低而提高 2 在发动机转速从最高转速逐渐降低时 柴油机的充量系数 c由于气流速度的下降 节流损失的降低而逐渐提高 这对改善燃烧 提高指示热效率 it有好处 然而 在转速过低时 出于不能利用气流惯性进行过后充气 c出现下降趋势 会使得指示热效率 it下降 根据以上分析可知 对于无油量校正装置的柴油机 在转速降低时 由于每循环供油量的减少 相应抵消了机械效率 m和热效率 it提高的影响 综合作用的结果是使得柴油机外特性上的转矩Ttq曲线很平坦 在部分负荷速度特性上 在转速很低时充量系数 c下降 导致了 it的下降 且每循环供油量gb随转速下降的幅度较大 使得 it下降幅度超过了机械效率 m随转速降低而增长的幅度 因而转矩曲线出现了如图8 3所示的随转速下降而降低的趋势 柴油机的燃油消耗率be曲线在整个速度特性的变化范围内比较平坦 两端略有上翘 同样可利用式 8 2 来解释 be在某一中间转速时最低 当转速高于此转速时 因 m和 it同时下降而使be上升 而当转速低于此转速时 由于充量系数 c下降 加上燃油雾化差 涡流减弱 使得 m的上升弥补不了 it的下降幅度 be同样上升 在部分负荷速度特性上 燃油消耗率整体水平由于 m较低而较外特性上的燃油消耗率曲线有所上升 但随转速的变化趋势基本与外特性相似 二 汽油机的速度特性 汽 柴速度特性的差别 1 柴油机在各种负荷的速度特性下的转矩曲线都比较平坦 在中 低负荷区 转矩甚至随转速升高而增大 而汽油机的速度特性则不同 转矩曲线的总趋势是随转速升高而降低 节气门开度越小 这种降低的斜率越大 并导致功率曲线呈上凸形 图中曲线3 与4 随着节气门开度减小 相应的最大功率和对应的转速降低 2 柴油机的燃油消耗率曲线在各种负荷的速度特性下都比较平坦 仅在两端略有翘起 最经济区的转速范围很宽 汽油机则有所不同 其油耗曲线的翘曲度随节气门开度减小而剧烈增大 相应最经济区的转速范围越来越窄 特性差别之分析 走势分析 对于上述现象 可以通过转矩的分析式来解释 与柴油机不同的是 汽油机采用定质变量的负荷调节方法 故转矩的变化与吸入气缸的混合气数量有密切的关系 为此 根据充量系数的定义式 可得将其代入式 8 3 并化简为 8 5 由前所述可知 汽油机的过量空气系数 a基本上不随转速而变化 故可将其看成一个定值 这样 转矩就取决于指示热效率 it 充量系数 c和机械效率 m的乘积 以下分析三者随转速变化的规律 1 指示热效率 it 在节气门全开的情况下 外特性曲线 发动机低速运转时 由于气缸内气流扰动减弱 火焰传播速度降低 传热损失以及漏气损失相对增加 导致 it略有下降 而高转速时 由于以曲轴转角计的燃烧持续期增大 以及泵吸功增加 对 it也会产生不利的影响 故曲线整体呈现马鞍形的上凸状 当节气门开度减小后 部分负荷 随转速的提高 节气门的节流作用大大加强 泵气损失所占比重增大 导致指示热效率 it大大下降 而且随节气门开度的降低 下降幅度更大 2 充量系数 c 图8 5a是汽油机充量系数 c随转速的变化情况 图中的数字1 5是表示节气门不同开度下的 c曲线 数字越大 则开度越小 汽油机沿速度特性运行而节气门全开 即外特性下 时 c曲线在某一中间转速处呈上凸状 低于或高于此转速则有一定幅度的下降 图中曲线1 同样沿速度特性运行而节气门处于部分开度时 由于进气节流严重 进气阻力增加 c减小 而且随转速升高 c下降的斜率也增大 转速降低时 进气阻力减小 节气门的节流作用减弱 c增加 图中的曲线2 3 4 5 3 机械效率 m 机械效率 m随节气门开度的变化规律 如图8 5b所示 根据式 8 4 可知 当汽油机按外特性运行时 由于转速越高 机械损失压力pmm越大 故机械效率 m随转速的增加而下降 当沿部分负荷速度特性工作时 节气门处于部分开度 m随转速的增加而下降的斜率比节气门全开时大 比较图中曲线1与3 这是因为pmm与节气门全开时一样随转速增加而增加 而充量系数 c和指示热效率 it则随转速增加而下降很快 相应导致平均指示压力pmi随转速增加而急剧降低 当转速高于某一值后 就会出现pmi pmm的情况 而使机械效率为零 意味着内燃机在相应转速下空车运行 无功率输出 图中曲线4 节气门开度越小 出现 m 0的转速就越低 比较曲线4与5 根据以上分析可知 对于汽油机而言 当节气门全开时 转矩曲线将是一条上凸的曲线 且上凸的位置在低速区 而在部分开度时 转矩随转速升高而下降 开度越小 曲线越陡 汽油机的转矩特性 特别适合车用的需要 也就是说 自动适应道路阻力变化的能力较强 行驶速度比较稳定 对此 可以用图8 6来解释 内燃机转矩与外界阻力矩在a点是平衡的 内燃机将在a点对应的转速na下稳定工作 如遇上坡等阻力增加的情况 内燃机从工况a过渡到工况1 沿速度特性1工作的内燃机驱动转矩增大了 Ttq1 转速相应降低了 n1 这说明驾驶员不用操作 发动机自动进行了调整 转速降低而转矩增大 以克服外界阻力的变化 对于另一发动机 其速度特性如图中曲线 由于其转矩曲线较平坦 则从工况a过渡到工况2时 转速降低较多 n2 n1 而转矩增大的幅度并不大 Ttq2 Ttq1 这一结果说明 内燃机转矩曲线越陡 运转的稳定性和操纵性能就越好 因此 汽油机一般不需要配备调速装置 即使当阻力矩突变到零时 汽油机的转速也不会超速或飞车 柴油机的调节过程与装置则与汽油机有明显的不同 需要采用专门设计的调速器 转矩适应系数和转速适应系数 定义范围分析 定义 衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数KT和转速适应性系数Kn 转矩适应性系数是指外特性上最大转矩Ttqmax与标定转矩Ttqn之比 即 8 6 相应地 转速适应性系数Kn是指标定转速nn与外特性上最大转矩对应的转速nm之比 即 8 7 有时 也用最大转矩与标定转矩之差与标定转矩的相对值 来表示发动机克服阻力能力的大小 并将其定义为转矩储备系数 即 8 8 范围 汽油机的转矩适应性系数KT较大 一般在1 25 1 35之间 转速适应性系数Kn约为1 6 2 5 柴油机转矩曲线平坦 适应性系数小 KT值一般不超过1 05 无校正时 Kn约为1 4 2 0 当柴油机用于汽车动力时 驾驶员可以按照路面的情况 随时改变油门踏板的位置或者行车挡位 改变发动机克服阻力的能力 以调整车速 然而 当用于拖拉机及工程机械时 发动机所要克服的阻力矩变化很大 经常会遇到过载的情况 由于柴油机的适应性系数小 加上这类机械行走速度低 无动能储备 以致在遇到阻力矩突然增大时 转速下降很快 往往驾驶员来不及换挡发动机就可能熄火 对于这类用途的柴油机 要求有较大的转矩储备 以克服短期过载 分析 柴油机转矩储备系数小的根本原因 在于柱塞式高压油泵供油特性不适应充量系数的变化待特性 根据前述的分析 当柴油机转速下降时 充量系数有一定幅度的提高 然而 循环供油量反而有所下降 如果采取有效的油量校正措施 使转速降低时循环供油量有所增加 则非增压柴油机的转矩适应性系数可达1 15 1 25 对增压柴油机而言 由于空气流量随转速的下降而减小 因此 增压柴油机的适应性系数一般比非增压要小一些 大致在1 05 1 17左右 但也有例外 如有时为了追求较高转矩储备性能而采用特殊匹配技术的增压柴油机 其转距储备系数可达1 35 1 5 四 万有特性 负荷特性和速度特性只能用来表示某一转速或某一油量控制机构位置时 内燃机各种参数的变化规律 而内燃机特别是车用内燃机的工况变化范围很广 要分析各种工况下的性能 就需要多张负荷特性或速度特性图 这样既不方便 也不直观 为了能在一张图上较全面地表示内燃机各种性能参数的变化 经常应用多参数的特性曲线 这种特性就是万有特性 万有特性曲线一般是以转速n为横坐标 以负荷 平均有效压力pme 为纵坐标 在图上绘出若干条等油耗曲线和等功率曲线 两种类型内燃机典型的万有特性如图8 7所示 根据需要 还可在万有特性曲线上绘出等节气门开度线 等排放线 等过量空气系数线等 一 万有特性的绘制方法 根据发动机类型的不同 万有特性有两种绘制方法 即负荷特性法和速度特性法 对于柴油机 一般是依据不同转速下的负荷特性 用作图法求出 对于汽油机 则根据不同节气门位置的速度特性 用作图法求得 近年来 由于计算机测试技术以及计算技术的应用 也可采用数值计算方法对大量的试验数据进行回归及等值线的插值运算 从而直接得到万有特性 1 负荷特性法 等油耗线作法 1 将各种转速下的负荷特性以平均有效压力pme为横坐标 be为纵坐标 以同一比例尺绘出特性曲线若干张 2 根据内燃机工作转速范围 标出万有特性横坐标n的标尺 纵坐标pme的标尺则与整理得到的负荷特性上的pme标尺相同 3 将某一转速的负荷特性旋转90 后置于万有特性纵坐标轴的左侧 使同样是平均有效压力的两个坐标对齐 在负荷特性图上引若干条等燃油消耗率线与be线相交 每条线各有一至二个交点 再从每一个交点引水平线至万有特性上与负荷特性线相同转速的位置上 获得若干新交点 在每一交点上标注出燃油消耗率的数值 4 然后 更换另一转速下的内燃机负荷特性 按照与上述同样的方法 得到另 转速位置下的若干交点 在交点上同样标上相应的燃油消耗率数值 5 所有转速下的负荷特性都经过这样的转换后 依次将be值相等的点连成光滑曲线 即可得到万有特性上的等燃油消耗率线 1 负荷特性法 等功率线作法 等功率曲线是根据式 8 1 的变化形式作出 其中K对于一个给定的内燃机为常数 这样 在pme n坐标中 等功率曲线是一族双曲线 将内燃机全负荷的速度特性线pme f n 的关系画在万有特性图上 就构成了万有特性的上边界线 2 速度特性法 1 在第一象限中绘出不同节气门开度下的速度特性上的转矩曲线 以平均有效压力pme 表示 在曲线尾端标出相应的节气门开度 2 在第四象限绘出相应节气门开度下的燃油消耗率be曲线 同样注明节气门开度的百分数 3 在be的坐标轴上 引若干条等燃油消耗率的水平线与曲线相交 每一水平线与be曲线族均有一组交点 通过交点引铅垂线向上至第一象限 与相应开度的转矩曲线相交 得到一组新交点 并注明燃油消耗率数值 此时 同 组交点的be值是相等的 4 将等be值的各点连成光滑的等值线 并标上相应的数值 从而得到万有特性上的等燃油消耗率曲线 这样 不同节气门开度下的速度特性全部反映在一张图中 这对于车用发动机而言 应用十分方便 二 万有特性的应用 在万有特性图上 最内层的等燃油消耗率曲线相当于内燃机运转的最经济区域 等值曲线越向外 经济性越差 等燃油消耗率曲线的形状与位置对内燃机的实际使用经济性能有重要的影响 如果该曲线的形状在横向上较长 则表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时 燃油消耗率变化较小 如果曲线形状在纵向较长 则表示内燃机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时 油耗率变化较小 对于汽车用内燃机 最经济区域应大致在万有特性的中间位置 这样常用转速和负荷就可以落在最经济区域内 并希望等燃油梢耗率曲线在横向较长 对于拖拉机以及工程机械用内燃机 其转速变化范围较小而负荷变化范围较大 最经济区域应在标定转速附近 并沿纵向较长 二 万有特性的应用 从万有特性上可以发现 两种类型内燃机存在着明显的差异首先 汽油机的燃油消耗率比柴油机高 其次 汽油机的最经济区域处在偏上的位置 即高负荷区 随负荷降低 油耗增加较快 而柴油机的最经济区则比较适中 负荷改变时经济性能变化不大 由于车用汽油机常在较低负荷下工作 燃油消耗率较大 故其使用经济性能不佳 对于车用柴油机而言 由于多数用于载货汽车 工程机械 矿山车辆等场合 负荷率高 从万有特性上可以看出其使用经济性较好 二 万有特性的应用 如何提高实际使用条件下的燃料经济性 对于实现汽车的节能具有很大的实际意义 而提高负荷率是提高汽油机燃料经济性最有效的措施 另一个重要的措施就是实现内燃机与传动装置的合理匹配 二 万有特性的应用 如果内燃机的万有特性不能满足使用要求 则应重新选择内燃机 或者对内燃机进行适当的调整 以改变万有特性 例如 适当改变配气相位来改变充量系数特性 或选择对转速不太敏感的燃烧系统 可以影响万有特性最经济区域在横坐标方向的宽度 降低内燃机的机械损失 提高低速 低负荷时冷却水温和机油温度 都可以降低部分负荷时的燃油消耗率 在纵坐标方向扩展最经济区 五 内燃机的功率标定及大气修正 一 功率标定 二 大气修正 一 功率标定 内燃机的功率标定 是指制造企业根据内燃机的用途 寿命 可靠性 维修与使用条件等要求 人为地规定该产品在标准大气条件下所输出的有效功率以及所对应的转速 即标定功率与标定转速 世界各国对标定方法的规定有所不同 按照国家标准GBll05 87 内燃机台架性能试验方法 规定 我国内燃机的功率可以分为四级 1 15min功率 2 1h功率 3 12h功率 4 持续功率 1 15min功率 这一功率为内燃机允许连续运转15min的最大有效功率 适用于需要较大功率储备或瞬时需要发出最大功率的轿车 中小型载货汽车 军用车辆 快艇等用途的内燃机 2 1h功率 这一功率为内燃机允许连续运转1h的最大有效功率 适用于需要一定功率储备以克服突增负荷的工程机械 船舶主机 大型载货汽车和机车等用途的内燃机 3 12h功率 这一功率为内燃机允许连续运转12h的最大有效功率 适用于需要在12h内连续运转而又需要充分发挥功率的拖拉机 移动式发电机组 铁道牵引等用途的内燃机 4 持续功率 这一功率为内燃机允许长期连续运转的最大有效功率 适用于需要长期连续运转的固定动力 排灌 电站 船舶等用途的内燃机 根据内燃机产品的使用特点 在内燃机的铭牌上一般应标明上述四种功率的一或两种功率及其对应的转速 同时 内燃机的最大供油量限定在标定功率的位置上 对于同一种发动机 用于不同场合时 可以有不同的标定功率值 其中 15min功率最高 持续功率最低 除持续功率外 其他几种功率均具有间歇性工作的特点 故常被称为间歇功率 对间歇功率而言 内燃机在实际按标定功率运转时 超出上述限定的时间并不意味着内燃机将被损坏 但无疑将使内燃机的寿命与可靠性受到影响 二 大气修正 内燃机所发出的功率取决于吸入气缸的空气量 而吸入气缸的空气量直接与大气密度有关 例如 一台装备非增压柴油机的汽车 从沿海行驶到海拔2200m的西宁市 大气密度下降了21 5 在保持过量空气系数不变的前提下 柴油机的指示功率也将下降21 左右 由于负荷减少引起的机械效率下降 导致有效功率下降的幅度更大 约为25 一27 同样 大气相对湿度的变化也会影响到实际进入气缸内的干空气量 对工作过程产生影响 这意味着大气状态变化将全面影响内燃机性能 因此 在功率标定时 必须规定标准大气状态条件 二 大气修正 由于内燃机运行现场的大气条件一般都是非标准大气条件 在对内燃机产品进行性能考核试验时 应根据不同的考核项目 将实测的功率 油耗 转矩等值按对应的修正方法换算成以标准大气条件作基准的标准值 或是根据现场大气条件将标定功率值按对应的修正方法换算成实际功率值 并以此值来调定内燃机试验的运行工况点 第二节内燃机与工作机械的匹配 本节重点介绍内燃机与动力机械匹配过程中应遵循的基本原则和主要方法 由于工作机械的形式各异 方式不同 匹配的方法也不尽相同 其中 汽车的运行工况比较复杂 其匹配问题在内燃机与工作机械的匹配中具有一定的代表性 所以本节介绍的重点是汽车与发动机的合理匹配 总的来说 内燃机与工作机械的匹配 一般从两个方面进行 即经济性匹配和动力性匹配 为了更好地说明匹配过程 首先对汽车的动力特性进行说明 然后讨论内燃机与汽车的经济性和动力性匹配 一 汽车的动力性与受力平衡 在进行汽车的匹配研究之前 首先要了解汽车的动力性能 所谓汽车动力性 是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的 所能达到的平均行驶速度 它通过以下三个指标来评定 即汽车的最高车速Vamax km h 汽车的加速时间t s 0 100km h所用的时间 以及汽车所能通过的最大坡度imax 根据汽车沿行驶方向的运动状态 汽车在行驶过程中的平衡关系式为Ft F 8 22 式中 Ft为驱动力 由发动机提供 F为汽车在行驶过程中的各种行驶阻力之和 此式是汽车行驶方程式 下面逐一对各种受力情况进行分析 汽车的驱动力 汽车发动机输出的转矩 经传动系作用在汽车的驱动轮上 受力简图如图8 10所示 从中可以看出 作用在驱动轮上的转矩Ttq使车轮对路面产生一个圆周切向力F0 即车轮对道路的作用力 而道路对车轮的反作用力Ft是驱动汽车行驶的外力 通常被称为汽车的驱动力 它与F0大小相等 方向相反 如车轮半径为r 则汽车的驱动力为 根据汽车变速器的工作原理 作用在驱动轮上的转矩Ttqt与发动机输出的转矩Ttq之间的关系为 8 23 式中 ik及ic分别是变速器及主传动器的传动比 t为传动系的效率 于是 8 24 由此可见 汽车驱动力与发动机的输出转矩Ttq有关 且与传动系统的效率 t 传动比ik和ic以及车轮半径r有关 如已知发动机的特性曲线 则可求出汽车的驱动特性 即汽车的驱动力与汽车行驶速度的关系 具体方法为 根据发动机外特性上的转矩特性Ttq n关系以及汽车的有关参数 由式 8 24 绘出Ft n图 然后将横坐标 转速n 换算为汽车行驶速度ua 单位为km h 即可得到驱动特性 如图8 11所示 其中 汽车行驶速度与发动机转速的关系式为 8 25 该图所示的是一个具有三挡变速器的汽车驱动特性 其中 曲线Ft1 Ft2及Ft3分别表示在 挡 二挡及三挡 直接挡 时的汽车驱动力 二 汽车的行驶阻力 汽车在水平路面上等速行驶时 必须克服来自行驶道路的滚动阻力和来自空气的空气阻力 分别用符号Ff和Fw表示 此外 当汽车在上坡行驶时 还必须克服汽车重力沿坡道的分力 称为坡道阻力 以Fi表示 同时汽车在加速行驶时还必须克服惯性力 称为加速阻力 以Fj表示 因此 汽车的总行驶阻力为 8 26 1 滚动阻力 滚动阻力是指车轮沿水平面滚动时产生的各项阻力的总和 可表示为 8 27 式中 W为作用于汽车上的重力 m为汽车的总质量 f为轮胎滚动的阻力系数 可通过经验公式进行估算 2 空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力称为空气阻力 在汽车行驶范围内 空气阻力大致与气流相对速度的动压力成正比 比例系数就是空气阻力系数Cd 一般小于1 即式中 为空气密度 kg m3 A为汽车行驶方向的迎风面积 投影面积 m2 ur为气流的相对速度 m s 在无风时即为汽车的行驶速度ua 如将速度单位用km h表示 并代入常温下的空气密度 1 2258kg m3 则有 8 28 3 坡道阻力 当汽车沿坡道上坡行驶时 还需克服与道路坡度有关的阻力 这项阻力实际上是汽车重力在平行于地面方向的分力 通常称为坡道阻力 4 加速阻力 汽车在行驶过程中 无论加速或减速都要承受惯性阻力 这一阻力统称为加速阻力 它等于汽车质量和加速度的乘积 由于惯性力是由平移质量和旋转质量两部分引起的 而旋转质量难以进行计算 为简化起见引入旋转部分等效质量换算系数 1