09第九章内燃机的特性与匹配

第九章内燃机的使用特性与匹配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。主要内容第一节内燃机的工况第二节内燃机的负荷特性第三节内燃机的速度特性第四节内燃机的万有特性第五节内燃机的功率标定及大气修正第六节内燃机与工作机械的匹配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etqmePTnpn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。3nPe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ηm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”。miteb1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ηm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Φa变得更小，混合气形成与燃烧开始恶化，指示热效率ηit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。memmmmmememppppp11miteb1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。第三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ηit以及机械效率ηm，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。mitbmsitmmimegVQpp11)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，ηit及Φc有适当的增加，特别是pmm的下降占主导地位，故机械效率ηm将随转速的降低而提高。aitcmmmimmmAppp112)在发动机转速从最高转速逐渐降低时，柴油机的充量系数Φc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ηit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，Φc出现下降趋势，会使得指示热效率ηit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ηm和热效率ηit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Φc下降，导致了ηit的下降，且每循环供油量gb随转速下降的幅度较大，使得ηit下降幅度超过了机械效率ηm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