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nTPtqe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Pｅ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Ｐｅ＝ｋｎ３，ｋ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Ｐｅ和转速ｎ都在很大的范围内变化。(4)点工况内燃机的转速ｎ及功率Ｐｅ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。3nPe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nKPmitace1有效功率mitactqKT2有效输出转矩miteKb13燃油消耗率nKBac4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：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ηm等。图8—2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05AA81.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ｂ随功率Ｐ(或转矩Ｔ、平均有效压力ｐ)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05AA82.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ｂ、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。05AA83.曲线形状分析(1)燃油消耗率ｂｅ曲线形状(2)耗油量B曲线形状根据耗油量的计算公式B＝ｋ４ηｖｎ／α知，B值决定于节气门开度和混合气成分。图8-305AA81.定义图8-４6135Q型柴油机负荷特性(ｎ＝１９００ｒ／ｍｉｎ)二、柴油机负荷特性05AA82.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。05AA83.曲线形状分析(1)燃油消耗率ｂｅ曲线形状由ｂｅ＝ｋ３／ηｉηｍ可知ｂｅ曲线变化取决于ηｉ、ηｍ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8-５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7-67-7mitactqKT2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ηit以及机械效率ηm，图7—6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ηit曲线上凸；3)机械效率ηm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:nPemaxePbe: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ηm、充气系数与过量空气系数之比随n的变化。it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。atmitactqKT2图7-8（1）充气效率ηv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ηv均降低，曲线为上凸形。n气流惯性；n节