汽车发动机原理 第六章 发动机运行特性与匹配技术.ppt

发动机原理 第六章发动机特性 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 第一节内燃机的工况 内燃机工况就是指内燃机实际运行的工作状况 工况的定义 表示工作频率的转速n 表示工作负荷的转矩Ttq 功率Pe Ttq与pme成正比 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 点工况 运行过程中 转速和负荷保持不变 如排灌所用的水泵的动力 线工况1 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 图中的曲线1 称为线工况 线工况2 其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关系 如图中的曲线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 面工况 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 第二节发动机台架试验 一 发动机台架试验意义1 考核发动机动力性 经济性和工作可靠性 2 检查整机和零件的制造质量 可靠性和耐磨性 3 研究 设计 制造新型发动机的重要环节 4 发动机各项性能指标 参数及各类特性曲线的测定 二 发动机台架试验标准1 汽车发动机性能试验方法 GB T18297 2001 该标准适用于轿车 载货汽车及其他陆用车辆的内燃机 不适用于摩托车及拖拉机用内燃机 2 汽车发动机可靠性试验方法 GB T19055 2003 3 汽车发动机定型试验规程 JB3745 84 三 发动机试验台架装置1 试验台架2 辅助系统3 各种测量仪器 仪表及操纵台 四 有效功率的测量1 水力测功器2 直流电力测功器3 电涡流测功器 五 燃油消耗率的测量1 容积法2 质量法 六 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 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 有关修正参数见课本和有关参考资料 第三节内燃机的负荷特性 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 利用负荷特性评价内燃机的燃油经济性 在负荷特性曲线图上 最低燃油消耗率越小 内燃机的经济性越好 燃油消耗率曲线变化越平坦 表示在宽广的负荷范围内 能保持较好的燃油经济性 这对于负荷变化大的内燃机来说十分重要 此外 无论是汽油机还是柴油机 都是在中等偏大的负荷范围下 燃油消耗率最低 全负荷时 虽然内燃机功率输出最大 但燃料经济性并不是最好 在低负荷区 燃油消耗率显著升高 为使内燃机在实际使用时节约燃料 希望负荷接近中等负荷 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 9 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 9 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 第四节内燃机的速度特性 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 定义 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 9 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 三 适应性系数 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 概念引入 定义范围 定义 衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数 Tq和转速适应性系数 n 转矩储备系数是指外特性上最大转矩Ttqmax与标定转矩Ttqn之比 即相应地 转速适应性系数 n是指标定转速nn与外特性上最大转矩对应的转速ntq之比 即衡量内燃机动力性能对外阻力变化的适应能力的指标称为适应系数 Tqn Tqn Tq n 范围 汽油机 tq 1 25 1 35 n 1 6 2 5 柴油机 tq 1 05 1 25 n 1 4 2 0 说明 1 汽油机适应性优于柴油机 2 近年来储备功率提高 外特性应用概率减小 适应系数重要性下降 第五节调整特性包括 汽油机点火提前角调整特性柴油机喷油提前角调整特性柴油机调速特性 一 柴油机喷油提前角调整特性转速 喷油泵油量调节机构位置不变的条件下 有效功率和有效燃油消耗率随喷油提前角的变化关系 图6 26 对应每一种工况 都有一最佳的喷油提前角 此时 有效功率最大 有效燃油消耗率最低 柴油机在一定负荷下以不同转速工作时 其最佳喷油提前角也是不同的 一般转速升高 提前角要增大 二 柴油机的调速特性 1 发动机稳定工作原理 图11 15汽油机与柴油机的自调节性能 比较 汽油机任何节气门位置时 向下倾斜的速度特性线与向上倾斜的阻力矩线 图示点画线 的交点都是能稳定运行 转速变动不大的工况点 即使外特性线的最高空车转速 也不会高到不能接受的程度 因此汽油机不存在超速过多的 飞车 危险 柴油机速度特性线在油量调节杆位置不变时获得 出现下述问题 游车或飞车熄火 两种基本调速模式 1 全程调速模式调速器在任何转速均能起调速作用的模式为全程调速模式 2 两极调速模式调速器只在标定转速以及某一低速起调速作用 而广大中间转速不起作用 调速器的结构原理与性能指标 1 转速给定元件 加速踏板2 转速感受元件 飞锤3 执行机构 传动部分 全程调速器的结构原理 两极调速器的结构原理 调速器的性能指标 调速率可通过柴油机突变负荷试验测定 试验时 先让柴油机在标定工况下运转 然后突卸全部负荷 测定突变负荷前后的转速 稳定调速率 瞬时调速率 不灵敏度 全程调速器 两极调速器性能比较 1 转速控制性能 全程各工况均可控制转速在较小范围内变动两极除高速及怠速可控制转速在较小范围内变动外 面工况的转速控制取决于驾驶员的操作 转速变化较大2 过渡过程 全程加速性好 但加 减速时常有不平稳及前后颠簸的感觉两极加速踏板踩到底时 加速性与全程调速器相同 其余情况下过渡平稳 无强烈颠簸感 3 操纵性能 全程 驾驶员直接控制调速弹簧 比较费力 易疲劳 但由于负荷变化时转速变动小 故不必经常踩换油门踏板位置两极 操作轻便 但因转速随负荷变化较大 故经常要变换加速踏板位置4 排放全程 加速时易冒黑烟两极 除全负荷加速外 其余工况加速时 可控制烟度在较小范围内变化 作业效率 全程满负荷减速行驶时 只须减小加速踏板位置即可 不必频繁换排挡两极由于减小加速踏板位置也使油量和扭矩下降 因此只能换低挡运行 作业效率下降 第六节发动机的万有特性 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 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 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 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 第七节发动机与车辆的匹配 本节重点介绍发动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 概述不同类型发动机 汽油机 直喷射与非直喷式柴油机 的轿车与其燃油经济性关系图6 37一般随着车重增加 每百公里油耗也有上升的趋势 在同样的车重下 匹配不同的发动机对轿车燃油经济性有着明显的影响 柴油机比汽油机百公里油耗要低1 3 直喷式柴油机比非直喷式柴油机燃油经济性要好 差距至少在10 增压直喷式柴油机目前燃油经济性最好 1 匹配矛盾 车辆动力性与经济性之间的矛盾 2 在匹配中 应分析发动机工作点的变化 尽量使发动机的常用工况位于经济性较好的运行区域内 3 在匹配中 应具有全局 系统的观念 4 在匹配中 变速系统也起到十分重要的作用 汽车发动机的工作环境复杂多变 同一类型的汽车在不同地区将面临道路 气候条件的很大差别 汽车万有特性特点 将千变万化的汽车运行工况以清晰 明了直观的形式表达在一张图上 揭示了发动机性能 传动系参数及汽车整车性能三者之间的内在联系 为全面分析与评价汽车性能与发动机进行合理匹配提供了有力的手段 一 车用内燃机的匹配 一 动力性匹配 二 经济性匹配 一 动力性匹配 内燃机转矩Ttq在汽车驱动轮上产生的驱动力Ft为 内燃机转速n与汽车车速的关系 ik i0分别为汽车变速器 主减速器传动比 t为传动系效率 r为驱动轮工作半径 于是 可以得到发动机外特性转矩曲线Ttq n 得出变速器不同档位汽车驱动特性曲线 二 燃油经济性匹配 汽车的使用油耗q100 L 100km 可以根据发动机的负荷 功率Pe或阻力Fr 和燃油消耗率be计算 使用油耗 由上式可见 在其他条件不变的条件下 汽车的使用油耗q100与成正比 只有当其乘积为最小时 q100才能达到最小 发动机在bemin下工作时 汽车的q100不一定最低 只有在车速和功率都不变 汽车的q100才与发动机的be变化趋势相同 单纯改变传动比 使发动机在pme较高而be较低的工况运行 并不能降低汽车的q100 应该设法使发动机的万有特性的最低油耗区移至中等转速 较低符合区域 即设法是发动机的经济区位于常用档位 常用车速区 这就要求选择发动机时 对其特性提出具体要求 或设法改变特性 适应与汽车匹配的要求 汽车用不同的变速器档位行驶时 q100差异较大 在同一道路条件与车速下 虽然发动机发出的功率不变 但档位越低 传动比越大 后备驱动力越大 发动机的负荷率越低 be越高 q100也越大 使用高档位的情况则与此相反 因此增加变速器的挡位 加大通过选用合适挡位使发动机处于经济工况的概率 有利于汽车的节油 近年来 汽车变速器档位有逐渐增加的趋势 轿车变速器已有5挡 重型货车甚至达10挡以上 自动控制的无级变速在这方面可达到最优化 汽车在中低速行驶时 q100最低 高速行驶时虽然发动机负荷率较高 但汽车行驶阻力由于空气阻力与扎成正比而急剧增大 导致q100上升 但低速行车造成生产率下降 所以真正的经济车速应使小q100 va最小 二 发电用内燃机的匹配 当内燃机用于发电时 内燃机一般与发电机直接相连 不需中间传动装置 这时 发电机输出频率f Hz 与内燃机转速n r min 之间有如下关系 由于我国的电网频率f 50Hz 而p只能为整数 因此我国发电用内燃机的转速只能是3000 1500 1000 750 500r min等有限几种 对应发电机的p 1 2 3 4 6等 内燃机类型的选择要根据发电设备的动力要求而定 10kW以下的应急发电机组多为便携式 为求结构轻巧 主要以小型汽油机 四冲程或二冲程 为动力 20 1500kW移动式发电站多以四冲程中 高速柴油机为动力 作为备用 应急或基本电源 固定式基本电源或船用常备电源以四冲程中速柴油机或二冲程中 低速柴油机为动力 最大功率可达数万kW 发电用内燃机一般在稳定工况下运转 负荷率较高 因此 应急和备用电源一般标定为12h功率 基本电源应标定为持续功率 为了克服发电机的励磁损失以及适应短期超负荷的需要 内燃机功率要大于发电机功率 两者之比就是电站的匹配比 对于小型移动式柴油发电机组 功率匹配比在1 18 1 32之间 对大型固定式电站在1 03 1 18之间 发电柴油机应尽量在bemin的最经济点附近运转 以节省能源 为了保持发电机电流频率的稳定性 内燃机要有高性能的调速装置 电控调速系统已广泛采用 三 船用柴油机的匹配 运输用船用主机绝大部分时间在稳定工况下运转 负荷率较高 一般标定为12h功率或持续功率 拖轮和渡轮由于间歇运转为主 一般标定为lh功率 为了保险 主机装船功率是标定功率的85 左右 即采用 减额输出 匹配方法 船用柴油机功率范围很宽 可从几十到几万kW 转速范围从最低的56r min到2000r min左右 因为一般船用螺旋桨的转速不超过300r min 所以低速船用主机直接驱动螺旋桨 而中 高速柴油机都通过减速器驱动 减速器应有倒车挡 当采用双机驱动时 要求装备左 右机型配对 进行船机匹配时 首先应根据船舶类型 吨位 航速等 加上必要的储备功率 确定船舶要求的最大连续输出功率及其相应的转速 主机选定后 就要进行柴油机与螺旋桨的合理匹配 一般来说 船舶螺旋桨所吸收的功率大致与转速的立方成正比 图9 1曲线2 可见 螺旋桨工况线与柴油机本身的速度特性 例如外特性3是很不一致的 只有在两曲线的交点A处 柴油机功率才与螺旋桨功率相等 并达到稳定转速 在所有低于标定转速nn的情况下运转时 必须减小柴油机的循环供油量 也就是说柴油机是在一系列部分负荷点上运转 这意味着 只要在低于标定转速的情况下运转 柴油机的能力就不能充分发挥 尚有一定功率储备 为使船用柴油机在实际使用时省油 希望其万有特性上的低油耗区与螺旋桨特性比较重合 一般12h标定或持续标定的柴油机在部分负荷运行时经济性变差 为了充分利用船舶主机在低速运转时的储备功率 提供机桨联合运行更好的经济性 可采用可调节距型螺旋桨 调距桨 它是一种桨叶螺旋面可相对桨叶轴线转动的螺旋桨 借助一套转叶机构改变桨叶螺距 这样一来可使船机在航行中沿外特性工作 而不再沿螺旋桨特性工作 节距从正值调到负值 即可实现船舶的倒航 发动机性能指标随工况参数 转速和负荷的变化规律 特性曲线发动机与汽车之间 动力和传动系统要合理匹配发动机特性曲线在不能满足要求时进行调节和校正发动机众多特性参数并非对所有工况都是最优的 希望能实时对多参数进行调控 以达到全工况范围内性能综合优化的目的 电子控制技术使多参数调控得以实现 本篇总纲 第11章 1 发动机特性 主要是运行特性 速度特性 负荷特性 全 万有 特性的变化规律及测试方法 2 运行特性对汽车的适应性及合理匹配并涉及混合动力驱动技术第12章 发动机从传统的机械 液力调控向电子控制技术的发展 分别就汽 柴油机的控制功能和控制策略进行了阐述 各章内容体系 第11章 发动机运行特性与匹配技术 11 1发动机的特性11 1 1工况 工况平面与功率标定发动机工况是指发动机实际运行的工作状况 表征发动机的运行工况由下式给出 工况平面 上边界线a左侧边界线c右侧边界线b横坐标上的d曲线e曲线功率标定 国标 11 1 2发动机运行特性及其分析方法 1 发动机运行特性的评价方法特性曲线 稳态过程 瞬态工况 2 发动机运行特性参数间的关系汽油机 柴油机 11 2发动机性能测试 11 2 1台架试验设备 1 台架2 辅助系统3 各种测量仪器 仪表及操纵台 11 2 2功率和油耗的测量 1 测功器测功器是用来吸收试验发动机发出的功 改变其负荷及转速 模拟实际使用的各种工况同时测定发动机输出扭矩 输出转速由转速表测得 则由公式求出功率 1 水力测功器2 平衡式电力测功器 3 电涡流测功器 11 2 3试验方法及数据处理 1 试验标准 GB T18297 2001 汽车发动机性能试验方法 发动机进行功率测定时应考虑下列因素 发动机的标定功率 测定时的大气状况 发动机所带附件 进气管和空气滤清器阻力 排气背压 2 大气修正大气状况是指发动机运行地点的环境大气压力 大气温度和相对湿度 修正系数汽油机校正扭矩 功率 比油耗不校正 11 3发动机运行特性与汽车匹配 11 3 1发动机的速度特性与汽车动力性匹配速度特性的定义 发动机在油量调节机构 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 随发动机转速的变化规律 外特性的定义 当油量控制机构在最大位置时 测得的特性为全负荷速度特性 简称外特性 1 柴油机的速度特性 速度特性曲线特点分析有效转矩曲线 柴油机转矩的大小取决于每循环供油 指示热效率以及机械效率有效燃油消耗率曲线 指示热效率和机械效率的倒数有效功率曲线 而转矩变化平坦 所以曲线形状还取决于转速的变化 当转速提高时 转矩增加 有效功率迅速上升 直到转矩达到最大值以后 上升变得较平缓 当达最大值时 也达到最大值 此后转速再增加 后燃严重 功率开始下降 2 汽油机的速度特性 图11 10汽油机在全 中 小三种负荷时各参