发动机原理_颜伏伍_内燃机的使用特性与匹配

1、主要内容主要内容o 第一节第一节 内燃机的工况内燃机的工况 o 第二节第二节 内燃机的负荷特性内燃机的负荷特性 o 第三节第三节 内燃机的速度特性内燃机的速度特性o 第四节第四节 内燃机的万有特性内燃机的万有特性o 第五节第五节 内燃机的功率标定及大气修正内燃机的功率标定及大气修正o 第六节第六节 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 内燃机的工况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。内燃机工况就是指内燃机实际运行的工作状况。工况的定义工况的定义表示工作频率的转速表示工作频率的转速n表示工作负荷的转矩表示工作负荷的转矩Ttq、功率、功率Pe，Ttq与与pme

2、成正比成正比etqm ePTnpn 点工况：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 3nPe研究内燃机特性的必要性研究内燃机特性的必要性 o 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。o 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；o 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。o 用来表示特性的曲线称为，它是评价内燃机的一种简单、直观、方便的形式。o 定义o 测试方法o 作用o 曲线及说明 负荷特性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

3、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

4、评价内燃机的燃油经济性利用负荷特性评价内燃机的燃油经济性 o 在负荷特性曲线图上，最低燃油消耗率越小，内燃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；机的经济性越好；o 燃油消耗率曲线变化越平坦，表示在宽广的负荷范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。大的内燃机来说十分重要。o 此外，无论是汽油机还是柴油机，都是在中等偏大此外，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，虽然的负荷范围下，燃油消耗率最低。全负荷时，虽然内燃机功率

5、输出最大，但燃料经济性并不是最好。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。在低负荷区，燃油消耗率显著升高。o 为使内燃机在实际使用时节约燃料，希望负荷接近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。中等负荷。 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 (92) 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”

6、。miteb1memmmmmememppppp11miteb1二、汽油机的负荷特性二、汽油机的负荷特性与柴油机不同的是，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

7、机与汽油机负荷特性的区别 第三节第三节 内燃机的速度特性内燃机的速度特性定义定义测试方法测试方法 速度特性也是在内燃机试验台架上测出的。测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。发动机转速作为横坐标。 部分速度特性与外特性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，

8、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 (93)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 aitcmmmimmmAppp11o 根据以上分析可知

9、，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。o 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

10、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）特性差别之分析（走势分析）o 对于上述现象，可以通过转矩的分析式来解释。与柴油对于上述现象，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，可得此，根据充量系数的定义式，可得o 将其代入式将其代入式(83)，并化简为，并化简为 （85）o 由前所述可知，汽油机的过量空气系数由前所述可知，汽油机的过量空气系数a基本

11、上不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取决于指示热效率it、充量系数、充量系数c和机械效率和机械效率m的乘的乘积。积。 以下分析三者随转速变化的规律以下分析三者随转速变化的规律001lVlmgasscabmitacmitbmegp(1)指示热效率指示热效率it 在节气门全开的情况下在节气门全开的情况下(外特性曲线外特性曲线)，发动机低，发动机低速运转时，由于气缸内气流扰动减弱，火焰传播速运转时，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，导速度降低，传热损失以及漏气损失相对增加，导

12、致致it略有下降；而高转速时，由于以曲轴转角计略有下降；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，对的燃烧持续期增大，以及泵吸功增加，对it也会也会产生不利的影响，故曲线整体呈现马鞍形的上凸产生不利的影响，故曲线整体呈现马鞍形的上凸状。当节气门开度减小后状。当节气门开度减小后(部分负荷部分负荷)，随转速的，随转速的提高，节气门的节流作用大大加强，泵气损失所提高，节气门的节流作用大大加强，泵气损失所占比重增大，导致指示热效率占比重增大，导致指示热效率it大大下降，而且大大下降，而且随节气门开度的降低，下降幅度更大。随节气门开度的降低，下降幅度更大。(2)充量系数充量系数c 图

13、图85a是汽油机充量系数是汽油机充量系数c随转速的变化情况。图中随转速的变化情况。图中的数字的数字15是表示节气门不同开度下的是表示节气门不同开度下的c曲线，数字曲线，数字越大，则开度越小。汽油机沿速度特性运行而节气门全越大，则开度越小。汽油机沿速度特性运行而节气门全开开(即外特性下即外特性下)时，时，c曲线在某一中间转速处呈上凸状，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低于或高于此转速则有一定幅度的下降(图中曲线图中曲线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，气节流严重，进气阻力

14、增加，c减小，而且随转速升高，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，气门的节流作用减弱，c增加增加(图中的曲线图中的曲线2、3、4、5)。(3)机械效率机械效率m o机械效率机械效率m随节气门开度的变化规律，如图随节气门开度的变化规律，如图85b所示。根据式所示。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，机械损失压力失压力pmm越大，故机械效率越大，故机械效率m随转速的增加而下降。当沿部分随转速的增加而下降。当沿部分负荷速度特性工作

15、时，节气门处于部分开度，负荷速度特性工作时，节气门处于部分开度，m随转速的增加而下随转速的增加而下降的斜率比节气门全开时大降的斜率比节气门全开时大(比较图中曲线比较图中曲线1与与3)，这是因为，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和指示热和指示热效率效率it则随转速增加而下降很快，相应导致平均指示压力则随转速增加而下降很快，相应导致平均指示压力pmi随转随转速增加而急剧降低。当转速高于某一值后，就会出现速增加而急剧降低。当转速高于某一值后，就会出现pmipmm的的情况，而使机械效率为零，意味着内燃机在相应转速下空车运行情况

16、，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，图中曲线无功率输出，图中曲线4)。节气门开度越小，出现。节气门开度越小，出现m0的转速的转速就越低就越低(比较曲线比较曲线4与与5)。 三、适应性系数三、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

17、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。 概念引入概念引入o定义o范围定定 义义o 衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数Tq和和转速适应性系数转速适应性系数n。转矩储备

18、系数是指外特性上最大转矩。转矩储备系数是指外特性上最大转矩Ttqmax与标定转矩与标定转矩Ttqn之比，即之比，即 o 相应地，转速适应性系数相应地，转速适应性系数n是指标定转速是指标定转速n n与外特性上与外特性上最大转矩对应的转速最大转矩对应的转速ntq之比，即之比，即 o 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适应系数Tqn Tqn= Tq. n m axtqtqtqnTTnnt qnn范范 围围汽油机汽油机tq=1.251.35n=1.62.5柴油机柴油机tq=1.051.25n=1.42.0说明：说明：1、汽油机适

19、应性优于柴油机；、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。、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。第四节第四节 内燃机的万有特性内燃机的万有特性 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，这样既不方需要多张负荷特性或速度特

20、性图，这样既不方便，也不直观。为了便，也不直观。为了能在一张图上较全面地表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

21、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。 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

22、、负荷特性法（等功率线作法）o 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。o 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。npKPmee2、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

23、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 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 有关修正参数见课本和有关参考资料第六节第六节 内燃机与工作机械的匹配内燃机与工作机械的匹配E 本节重点介

24、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。E 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。一、车用内燃机的匹配一、车用内燃机的匹配（一）动力性匹配（一）动力性匹配（二）经济性匹配（二）经济性匹配（一）动力性匹配（一）动力性匹配o 内燃机转矩内燃机转矩Ttq在汽车在汽车驱动轮上产生的驱动力驱动轮上产生的驱动力Ft为：为：o 内燃机转速内燃机转速n与汽车车与汽车车速的关系：速的关系：tq k 0ttT i iFrh=a00.377krni iu=

25、ik、i0分别为汽车变速器、主减速器传动比；分别为汽车变速器、主减速器传动比；t为传动系效为传动系效率，率，r为驱动轮工作半径。为驱动轮工作半径。于是，可以得到发动机外特性转矩曲线于是，可以得到发动机外特性转矩曲线Ttq(n)得出变速器得出变速器不同档位汽车驱动特性曲线。不同档位汽车驱动特性曲线。rfwijF =FFFF行 驶 阻 力fFmgfcosmgf滚动阻力a=2wDr1FC A2v空气阻力r=2wDF0.0473CaAv=iF sinmgmgi爬坡阻力a=ajdvFmdt加速阻力d=tq k 0t2aDT i idv0.0473CrdtamgfAvmgfm驱动力和行驶阻力的平衡可以得到

26、汽车的行驶方程：hd=+不同档位驱动力不同档位驱动力最大爬坡度最大爬坡度最高使用转速后备驱动力用于加速o 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3100q2.78 10retfF bh r-=0100100q0.00884stmee kaV pb i iBvrt=使用油耗使用油耗阻力阻力比油耗比油耗传动系效率燃油密度使用使用油耗油耗发动机发动机油耗油耗发动机发动机排量排量平均有平均有效压力效压力比油耗比油耗 主传动器主传动器传动比传动比 使用使用油耗油耗变速器变速器传动比传动比 0100100q0.00884stmee kaV p

27、 b i iBvrt=L由上式可见，在其他条件不变的条件下，汽车的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与与 成正比，只有当其乘积为最小时，成正比，只有当其乘积为最小时， q100才能才能达到最小。发动机在达到最小。发动机在bemin下工作时，汽车的下工作时，汽车的q100不一定最不一定最低，只有在车速和功率都不变，汽车的低，只有在车速和功率都不变，汽车的q100才与发动机的才与发动机的be变化趋势相同。变化趋势相同。L单纯改变传动比，使发动机在单纯改变传动比，使发动机在pme较高而较高而be较低的工况运行，较低的工况运行，并不能降低汽车的并不能降低汽车的q100。

28、应该设法使发动机的万有特性的最。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，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。的要求。0e kb i i0100100q0.00884stmee kaV p b i iBvrt=o 汽车用不同的变速器档位行驶时，汽车用不同的变速器档位行驶时，q100差异较大。在同一道差异较大。在同一道路条件

29、与车速下，虽然发动机发出的功率不变，但档位越低路条件与车速下，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，（传动比越大），后备驱动力越大，发动机的负荷率越低，be越高，越高， q100也越大。使用高档位的情况则与此相反。因也越大。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，轿车变速器已有档位有逐渐增加的趋势，轿车变速器已有5挡，重型货车甚

30、挡，重型货车甚至达至达10挡以上。自动控制的无级变速在这方面可达到最优挡以上。自动控制的无级变速在这方面可达到最优化。化。o 汽车在中低速行驶时，汽车在中低速行驶时， q100最低。高速行驶时虽然发动机最低。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，导致剧增大，导致q100上升。但低速行车造成生产率下降，所以上升。但低速行车造成生产率下降，所以真正的经济车速应使小真正的经济车速应使小q100 va最小。最小。二、发电用内燃机的匹配o 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，

31、发电机输出频率 f（ H z）与内燃机转速 n（ rmin）之间有如下关系60 fnp=o 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, 750,500rmin等有限几种，对应发电机的 p 1， 2， 3， 4， 6等。o 内燃机类型的选择要根据发电设备的动力要求而定。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，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。主要以小型汽油机（四冲程或二冲程）为动力。201500kW移动式发电站多以四冲程中、高速柴油机为移动式发电