第八章-发动机的特性

第一节发动机工况、性能指标与工作过程参数的关系第二节发动机的负荷特性第三节发动机的速度特性第四节柴油机的调速特性第五节发动机的万有特性第六节发动机有效功率和燃油消耗率的大气修正第七节发动机与动力装置的匹配,第八章发动机的特性,一、发动机的工况发动机实际运行的工作状况，简称工况。表征内燃机运行工况的参数可由下式给出,式中，Pe为有效功率，Ttq为转矩，n为工作转速。,第一节发动机工况、性能指标与工作过程参数的关系,有效功率Pe和转速n决定了发动机的工作运行情况。工况以功率Pe和转速n来表示，此功率、转速应该与发动机所带动的工作机械要求的功率、转速相适应。只有当发动机发出的扭矩与工作机械消耗的扭矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。,(1)恒速工况n=常数，如发电机组中的发动机，其转速基本保持不变，功率P随负荷而变化，称为线工况。(2)螺旋桨工况作为船舶主机的柴油机按推进特性工作，柴油机功率与转速的立方成正比，为比例常数，见图8-1中的曲线2。(3)面工况汽车在运输作业时，发动机的功率和转速都在很大的范围内变化。(4)点工况内燃机的转速及功率均近似不变，如内燃机作为排灌动力。,图8-1发动机各种工况,1.发动机的工况分类,第类工况，其特点是发动机的功率变化时，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81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81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81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。,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。,二、发动机特性,有关定义,所谓发动机的特性，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。,用来表示特性的曲线称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。通过特性曲线可以分析在不同适用工况下，发动机特性变化的规律及影响因素,评价发动机性能，从而提出改善发动机性能的途径,发动机输出的有效指标通常用平均有效压力pme、有效扭矩Ttq、有效功率Pe、有效燃油消耗率be、每小时耗油量B表示。这些指标与发动机工作过程参数的关系。发动机性能指标分析式,三、发动机性能指标与工作过程参数的关系,有效功率,有效输出转矩,燃油消耗率,小时耗油量,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GBll0587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：,四、发动机功率标定,(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。车用常用15分钟,1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。,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。,负荷特性：转速不变，其经济性指标随负荷（可用功率Pe、扭矩Ttq或平均有效压力Pme表示）的变化关系。如：当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效扭矩，以适应外界阻力矩的变化，以保持发动机转速不变。,第二节发动机的负荷特性,用曲线的形式表示负荷特性负荷特性曲线测取：发动机台架试验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：由于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82所示的就是典型的负荷特性曲线。,图8-225Y-6100Q型车用汽油机的负荷特性,05AA8,1.定义,当汽油机的转速保持不变，而逐渐改变节气门开度，同时调节测功器负荷，如改变水力测功器水量，以保持转速不变，小时耗油量B和耗油率随功率(或转矩、平均有效压力)变化而变化的关系称为汽油机负荷特性。,一、汽油机的负荷特性,05AA8,2.测取方法,测取前，应将汽油机的点火提前角、过量空气系数按理想值调整。冷却水温度、润滑油温度保持在最佳值。调节测功器负荷，并改变节气门开度，使汽油机的转速稳定在某一常数。测量各稳定工况下的燃油消耗率、耗油量B以及烟度、噪声、排气温度等参数值。图8-2为汽油机负荷特性。,05AA8,3.曲线形状分析,(1)燃油消耗率曲线形状(2)耗油量B曲线形状根据耗油量的计算公式B知，B值决定于节气门开度和混合气成分。,图8-3汽油机、随负荷的变化,05AA8,1.定义,图8-6135Q型柴油机负荷特性(),二、柴油机负荷特性,05AA8,2.测取方法,与汽油机的测取方法基本相同，只是柴油机用改变循环供油量的方法来调节负荷。,05AA8,3.曲线形状分析,(1)燃油消耗率曲线形状由可知曲线变化取决于、的变化，如图8-5所示。(2)小时耗油量B曲线形状随着负荷的增加，循环供油量加大，耗油量增加，当接近碳烟极限时，燃烧更加恶化，小时耗油量B迅速增加。,图8-柴油机中、随负荷的变化趋势,05AA8,三、负荷特性的实用性,1)确定发动机的标定工况。2)由于负荷特性易于测定，因此常用于发动机调试，改变设计时用来检验改进效果。3)作为内燃机发电机组工作特性。4)根据不同转速的负荷特性可制取万有特性。,第三节发动机的速度特性发动机的速度特性，是指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。如:当汽车沿阻力变化的道路行驶时，若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，上坡时汽车速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性工作。,测试方法,速度特性也是在发动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，发动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。,种类：部分速度特性与外特性,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)；（只有一条）油量低于最大位置时的速度特性，称为部分负荷速度特性。（无数条）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。,车用常用15分钟,1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。作为特性实验时,应把两种标定功率的外特性全做出来。国家规定：一般柴油机只作外特性就可以了。车用柴油机,除作外特性外,还应作标定功率的90%,75%,50%,25%的部分速度特性实验。,一、柴油机速度特性定义：喷油泵油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标（主要是功率Pe、转矩Ttq、燃油消耗率be、耗油量B等）随转速n变化的关系。外特性（全负荷的速度特性）油量调节机构固定在标定循环供油量位置时速度特性称为柴油机标定功率速度特性。部分负荷速度特性当油量调节机构固定在小于标定循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为柴油机。,图7-67-7,有效输出转矩,1.有效转矩曲线,在柴油机中，转矩的大小取决于每循环供油量b、指示热效率it以及机械效率m，图76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)油量控制机构位置不变时，由于进回油孔及燃油泄漏的影响,柴油机b曲线随转速的提高而增加；2)柴油机it曲线上凸；3)机械效率m将随转速的降低而提高。,图7-6,图7-7,有效输出转矩的变化规律是，转速由低向高变化时，开始略有上升；当超过最高点时，随转速的提高，有效输出转矩下降，但曲线变化平坦。,2燃油消耗率曲线,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。,3.有效功率曲线,二、汽油机的速度特性A定义：汽油机节气门开度固定不动，汽油机性能指标(如:有效功率Pe、扭矩Ttq、燃油消耗率b、每小时消耗油量B等)随转速n变化的关系。B种类:外特性（全负荷的速度特性）节气门全开时的速度特性。部分负荷速度特性节气门部分打开时的速度特性。,Ttq:曲线呈上凸形状,Pe:nPe,be:在某一中间转速时出现最低值,图7-9,Ttq随n的变化取决于指示热效率、机械效率m、充气系数与过量空气系数之比随n的变化。,1转矩曲线变化趋势,根据公式(3-9),节气门开度一定时，过量空气系数可视为常数。,图7-8,（1）充气效率v在某一中间转速时最大。因为一定的配气相位仅对一种转速最适合，此转速下能最好地利用气流惯性。其余转速时v均降低，曲线为上凸形。,n气流惯性；n节流损失。,（2）指示热效率it转速低，进气流速低，紊流减弱，使雾化、混合状态较差，火焰传播速度降低，散热及漏气损失增加，it较低，转速高时，燃烧过程所占曲轴转角较大，燃烧在较大容积下进行，it也较低。但变化比较平坦，对Ttq影响较小。,（3）机械效率m转速增加，消耗于机械损失功增加。因此，随转速升高，机械效率m明显下降。,it,it,Ttq低速时:,n,使Ttq变化不大,略有；,高速时:,n,使Ttq。,Ttq:曲线呈上凸形状,综合作用的结果是；当转速由低开始上升时，v，it同时增加的影响大于m下降的影响，使Ttq增加，对应于某一转速时，Ttq达到最大值。转速继续增加，由于v、it、m均下降，因此Ttq随转速升高而较快的下降，即Ttq曲线变化较陡。,2功率曲线变化趋势根据公式(2-9),低速时:,n,Ttq,n,Ttq,上升缓慢,n,2功率曲线变化趋势Pe=Ttqn/9550当转速由低逐渐升高时，由于Ttq、n同时增加Pe增加很快。在达到最大扭距转速ntq后，再提高转速，由于Ttq有所下降，使Pe上升缓慢。某一转速时Ttqn达最大值。此后，再增加转速，由于扭距下降超过转速上升的影响，Pe反而下降。,3燃油消耗率曲线变化趋势根据公式(2-23),b在某一中间转速当itm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于m上升弥补不了it的下降，使b增加。转速较此转速高时it、m均较低，b也增加。,3燃油消耗率变化趋势b=k3/itmb在某一中间转速当itm达到最大值时出现最低值。当转速较此转速低时，由于m上升弥补不了it的下降，使b增加。转速较此转速高时it、m均较低，b也增加。,3燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高，i较高，曲线比汽油机的平坦，最低耗油率值比汽油机相应值低。当i、m达到最大值时，出现bmin值。,要求发动机的转矩随转速的降低而增加。如：当汽车上坡时，若油量调节拉杆已达最大位置，但所发出的扭矩仍感不足，车速就要降低，此时需要发动机随车速降低而发出更大扭矩，以克服爬坡阻力。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。,三、转矩特性,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。,相应地，转速适应性系数是指标定转速nn与外特性上最大转矩对应的转速nm之比。,定义,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.,范围,汽油机的转矩适应性系数KT较大，一般在1.21.4之间，转速适应性系数Kn约为1.62.5。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1.42.0。,汽油机的外特性比柴油机的外特性的动力适应性好。,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710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(柴油机)，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(n2n1)而转矩增大的幅度并不大(Ttq2Ttq1)。,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。,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。,第四节柴油机的调速特性,定义:喷油泵调速手柄固定，在调速器起作用时，柴油机的性能指标随转速的变化关系。表达形式：负荷特性形式速度特性形式,一、调速特性,图-K柴油机调速特性,图-柴油机调速特性1、2、3、4调速特性,调速特性曲线有调速器起作用的调速阶段和调速器不起作用的外特性段组成。,图-两极调速器的调速特性1、2、3、4调速器开始起作用点,图-突卸负荷调速过程的转速变化,二、调速器的工作指标：,（一）调速率：瞬时调速率稳定调速率,.瞬时调速率,瞬时调速率是评定调速器过渡过程的指标。表示过渡过程中转速波动的瞬时增长百分比,2.稳定调速率,表明柴油机实际运转时的转速波动相对于全负荷转速的变化范围。大，表明柴油机工作不稳定，转速波动大。,(二)不灵敏度,调速器工作时，调速系统中由于有摩擦存在，所以不论柴油机负荷增加或减少，调速器均不会立即反应，以改变循环供油量，这就需要一定的力克服摩擦，才能移动调整油量的机构，因为调速系统中的摩擦力阻止着推力盘的运动。例如，柴油机转速为2880时，调速器可能对转速在至2770范围内的变动都不起作用，我们把这样两个起作用的极限转速之差对柴油机平均转速的比值称为调速器的不灵敏度。,05AA8,一、万有特性,负荷特性、速度特性只能表示某一转速或某一齿条位置(或节气门开度)时，发动机参数间的变化规律，而对于工况变化大的发动机要分析各种工况下的性能，就需要在一张图上全面表示出发动机性能的特性曲线。发动机的多参数特性称为万有特性。广泛应用的万有特性是用转速为横坐标，用平均有效压力为纵坐标，在图上画出许多等油耗率曲线和等功率曲线。等耗油率曲线是根据不同转速下的负荷特性曲线作出来的。,第五节发动机的万有特性,二、汽油机、柴油机的万有特性的特点,.汽油机的万有特性的特点(图-),图-汽油机万有特性,05AA8,.柴油机的万有特性的特点(图-),图-柴油机万有特性曲线,05AA8,三、万有特性的实用意义,)选配发动机无论作何种用途，只要提供发动机的万有特性，又已知发动机所准备拖动的工作机械的转速和负荷的运转规律，就可以进行选配工作，将表示被拖动的工作机械的转速和负荷的运转规律的特性曲线绘在此柴油机的万有特性曲线图中，就可以判断发动机与其被拖动的工作机械匹配是否合适。)根据等转矩、等排气温度、等最高爆发压力曲线，即可以准确地确定发动机最高、最低允许使用的负荷限制线。)利用万有特性可以检查发动机的工作状态是否超负荷，工作是否正常。,第六节发动机有效功率和燃油消耗率的大气修正,一、等油量法,对汽油机而言，其燃油消耗率不必修正。对柴油机而言，仅对标定工况下燃油消耗率进行修正,二、等过量空气系数法,.有效功率的修正,表-计算指示功率比k的有关参数的选取,.燃油消耗率的修正,燃油消耗率的修正式为b=k,三、饱和蒸汽压力的计算,上述修正项计算式(-)、(-)、(-)和(-)中所出现的P(饱和蒸汽压力)是温度的单值函数，可通过有关热力学图表查出,第七节发动机与动力装置的匹配,一、发动机与机车的匹配,)机车在铁路上行驶，坡度仅为以下，故而发动机工况平稳，负荷率较高，同时，为了提高发动机的可靠性，标定功率一般为持续功率，装车功率为标定功率的，机车一般匹配大功率、高速或中速柴油机，其功率范围为k。)机车