内燃机的特性与匹配

1、第八章第八章 内燃机的特性与匹配内燃机的特性与匹配主要内容v第一节第一节 内燃机的特性内燃机的特性 v第二节第二节 内燃机与工作机械的匹配内燃机与工作机械的匹配第一节第一节 内燃机的特性内燃机的特性v一、内燃机的工况v二、内燃机的负荷特性 v三、内燃机的速度特性 v四、万有特性 v五、内燃机的功率标定及大气修正一、内燃机的工况v内燃机工况就是指内燃机实际运行的工作状况。v表征内燃机运行工况的参数可由下式给出v （81）v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。v式(81)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。

2、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。nTPtqe 3nPe研究内燃机特性的必要性 v所谓，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。v性能指标随调整情况变化的特性称为，如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性等；v性能指标随运行工况变化的特性称为，如负荷特性、速度特性和调速特性等。v用来表示特性的曲线称为，它是评价内燃机的一种简

3、单、直观、方便的形式。v定义v测试方法v作用v曲线及说明 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。 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。 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

4、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。 (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 (82) 对于非增压柴油机而言，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”。miteb1memmmmmememppppp11miteb1（二）汽油机的负荷特性（二）汽油机的负荷特性与柴油机

5、不同的是，在测与柴油机不同的是，在测取汽油机的负荷特性时，取汽油机的负荷特性时，油量是通过改变节气门的油量是通过改变节气门的开度来调整的，这样相应开度来调整的，这样相应地改变了进入气缸的混合地改变了进入气缸的混合气数量，而混合气的浓度气数量，而混合气的浓度变化不大，故称为变化不大，故称为“变量变量调节调节”。图图8 82b2b是汽油机的负荷特是汽油机的负荷特性。初看起来，汽油机的性。初看起来，汽油机的负荷特性与柴油机负荷特负荷特性与柴油机负荷特性似乎没什么区别。性似乎没什么区别。 柴油机与汽油机负荷特性的区别 三、内燃机的速度特性测试方法 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

6、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)；油量低于标定位置时的速度特性，称为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83a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 (83)式中，gb为每循环

7、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84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。mitbmsitmmimegVQpp1 aitcmmmimmmAppp11v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。v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

8、如图83所示的随转速下降而降低的趋势。 (二)汽油机的速度特性汽、柴速度特性的差别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）v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v将其代入式(83)，并化简为 （85）v 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

9、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001lVlmgasscabmitacmitbmegp(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。

10、(2)充量系数c 图85a是汽油机充量系数c随转速的变化情况。图中的数字15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 v机械效率m随节气门开度的变化规律，如图85b所示。根据式(84)可知，当汽油机按外特性运行时，由于转速越高，机械损失

11、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pmipmm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m0的转速就越低(比较曲线4与5)。 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，

12、可以用图86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(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

13、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v定义v范围v分析定义v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 (86)v相应地，转速适应性系数K n是指标定转速n n与外特性上最大转矩对应的转速nm之比，即 （87）v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 v （88）tqntqTTTKmaxmnnnnK1maxTtqntqntqKTTT范围 汽油机的

14、转矩适应性系数KT较大，一般在1.251.35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 。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

15、 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1.151.25。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1.051.17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1.351.5。四、万有特性四、万有特性 负荷特性和速度特性只能用来表示某一转速负荷特性

16、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，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，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。万有特性曲线一

17、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87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。 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

18、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。 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。 1、负荷特性法（等功率线作法）v等功率曲线是根据式(81)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pmen坐标中，等功率曲线是一族双曲线。v将内燃机全负荷的速度特性线pmef(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。npKPm

19、ee2、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

20、对于车用发动机而言，应用十分方便。 （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 第二节第二节 内燃机与工作机械的匹配内燃机与工作机械的匹配v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。v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。v总的来说，内燃机与工作机械的匹配，一般从两个方面进行，

21、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。 v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 （822）v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。v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v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810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

22、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rTFFtqt0tv 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 (823)v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 (824)tcktqtqtiiTTriiTFtcktqtriiTFtcktqtckckaiinr377. 0i60i3.6nr2u(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)

23、，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 (826)jiwfFFFFF1滚动阻力v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 （827）v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。fmgfWFf2空气阻力 v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v式中，为空气密度(kgm3)；A为汽车行驶方向的迎风面积(投影面积)(m2)；ur为气

24、流的相对速度(m/s)，在无风时即为汽车的行驶速度ua。v如将速度单位用kmh表示，并代入常温下的空气密度12258 kgm3，则有v （828）2rDwuAC21F21.15AuCF2aDw3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。Wsin FifWcosFfsinfcosWFiFfFifWF4、加速阻力v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

25、质量换算系数(1)，以便将旋转质量转化为平移质量。如将汽车相对于路面的行驶速度记为u，汽车的加速度为 ，那么加速阻力为v （832）dtdudtdumFi(三)汽车的动力特性v1、驱动力特性v2、动力特性v3、行驶性能图v4、汽车的功率平衡1 1、驱动力特性、驱动力特性v汽车的汽车的行驶方程式行驶方程式 v表明了汽车行驶的驱动力和外界阻力之间的相互表明了汽车行驶的驱动力和外界阻力之间的相互关系。当发动机的速度特性关系。当发动机的速度特性(外特性外特性)、变速器的、变速器的传动比传动比ik、主减速比、主减速比i0、传功效率、传功效率t、空气阻力系、空气阻力系数数CD、汽车迎风面积、汽车迎风面积A

26、以及车辆总质量以及车辆总质量m等初步等初步确定后，便可利用确定后，便可利用行驶方程式行驶方程式分析汽车沿典型路分析汽车沿典型路面的行驶能力，确定汽车在节气门全开时可能达面的行驶能力，确定汽车在节气门全开时可能达到的到的最高车速、加速能力和爬坡能力最高车速、加速能力和爬坡能力等，即确定等，即确定汽车的动力性能。汽车的动力性能。 dtdugWu21.15ACifWriiTtaDt0kq 在汽车驱动力图上把汽车行驶中在汽车驱动力图上把汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力也同经常遇到的滚动阻力和空气阻力也同时给出，就形成了汽车驱动力与行驶时给出，就形成了汽车驱动力与行驶阻力的平衡图。从图中可以清楚地

27、看阻力的平衡图。从图中可以清楚地看出不同车速时驱动力和行驶阻力之间出不同车速时驱动力和行驶阻力之间的关系。汽车以最高档位行驶时的最的关系。汽车以最高档位行驶时的最高车速，可以通过高车速，可以通过F Ft4t4线与线与F Ff f+F+Fw w线的交线的交点来确定点来确定( (图中为图中为88km88kmh)h)。 从图上还可以看出，当车速低于从图上还可以看出，当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，最高车速时，驱动力大于行驶阻力，这样，汽车就可以利用剩余驱动力加这样，汽车就可以利用剩余驱动力加速或爬坡，或者牵引拖车。比如，当速或爬坡，或者牵引拖车。比如，当需要在需要在60km60kmh h等

28、速行驶时，驾驶员可等速行驶时，驾驶员可关小节气门开度，此时发动机沿部分关小节气门开度，此时发动机沿部分负荷速度特性工作，相应地得到虚线负荷速度特性工作，相应地得到虚线所示的驱动力曲线，以使汽车达到新所示的驱动力曲线，以使汽车达到新的平衡。的平衡。2、动力特性v尽管驱动力与行驶阻力对评价汽车的动力性能十分有用，但尚不能比较不同质量的汽车在动力性能上的差异。于是，就引出了汽车动力因数指标。 dtdugWifWFFFFFjifwtdtdugWFFwtf+i 式(834)的右边是汽车行驶时的道路阻力系数V及加速度与g的乘积，与汽车的行驶状态有关；而左边是含有汽车质量、空气阻力、驱动力的参数，是汽车本身所固有的，如令 ，并将其定义为动力因数，则式(834)可以变成WFFDwtdtdugDdtdugD上式表明，不管汽车的质量等参数有多大的差异，只要动力因数D相同，便可以克服同样的坡度，产生同样的加速度(设两车的汽车质量换算系数相同)。因此，常把动力因数