内燃机特性

第七章内燃机特性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机的基本特性，如负荷特性、速度特性、万有特性等。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。研究发动机运行特性的意义1、与汽车进行全工况的合理匹配由发动机运行特性转化而得的汽车的运行特性，如驱动力特性、燃油经济性、运转稳定性、安全性等2、特性曲线不能满足要求时进行调节和校正柴油机调速装置、点火和喷油提前装置，可变配气相位系统电子控制技术使更多的参数有了实时调控的可能，出现了多种发动机的“可变”技术，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。表征内燃机运行工况的参数可由下式给出式中，Ne为有效功率，Me为内燃机的转矩，n为内燃机的工作转速。式中的三个参数中，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。比较常用的是用Me与n或者Ne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Me或Ne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pe正比于转矩，故有时也用pe来表示负荷的高低。eeNMn内燃机的工作区域以负荷和转速为坐标的平面叫发动机的工况平面点工况运行（泵站）线工况运行（发电机组、螺旋桨）面工况运行（汽车）Ne.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发动机的工作区域及限制1)a曲线是各转速时最大功率(转矩)的限制线，到标定点A为止。2)b曲线是各负荷条件下的最高转速限制线。3)c曲线是发动机最低稳定工作转速限制线4)d曲线是各个踏板位置下的空转怠速线。5)输出功率为负值的e曲线是发动机灭火，外力倒拖时的工况线。几点说明1、ab曲线在最大加速踏板位置条件下获得的。汽油机在节气门全开时获得，称为速度外特性线；对于柴油机则a为校正外特性线，b曲线则是调速器起作用的调速特性线。2、低于c曲线转速时，由于燃烧波动和运动件惯性过小，发动机无法稳定工作。3、“加速踏板”与“油门”踏板：对汽油机，控制节气门开度，称为油门是妥当的。柴油机有时并不直接控制喷油泵的油量调节杆，而是通过控制调速器起作用，与供油量不呈线性关系。所以称为“油门”是不妥的一、内燃机的三类典型工况Ne.第—类工况，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。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(图中的A点)。Ne.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。3eNnNe.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，相应的工况区域称为面工况。工况由转速和曲轴输出功率表示①点工况运行（泵站）②线工况运行（发电机组、螺旋桨）③面工况运行（汽车）各负荷最高转速限制线最低转速限制线各转速下最大功率（油门最大）限制线最高转速倒拖工况线空转怠速线二、内燃机有效性能指标与工作过程参数之间的函数关系veimpkMkevim21veimNkn31eimgk4vTGkn第二节内燃机的负荷特性定义作用测试方法曲线及说明定义负荷特性是指当转速n不变时，内燃机的性能指标（经济性指标ge、GT）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。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，需要测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。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。测量与计算参数测量参数1转速n—转速传感器2油耗—油耗仪3测功器读数—测功器4各种温度、压力5测量环境的温度、湿度、压力扭矩测试仪器台架上都采用吸收式测功器，常用的有水力测功器、电力测功器、电涡流测功器。1）水力测功器水力测功器是一种典型的吸收型测功器，它将发动机的输出功率转变为热量消耗掉，同时在此过程中完成转矩测量。水力测功器主要有转子和定子（外壳）两部分组成。它的基本工作原理是利用转子在充满水的定子中旋转所产生的磨擦阻力来吸收发动机功率，同时通过与可摆动的外壳相连的测力机构测出转矩。由于转子的结构不同，水力测功器大体上分为柱销式、盘式和涡流式3种型式。内燃机带动测功机转子旋转,将水搅向外围,水与搅棒的摩擦力带动定子转动。水环越厚,摩擦阻力越大,相当于外界阻力矩越大。优点：结构简单、价廉、工作可靠、应用范围广、功率储备大、使用方便；缺点：测量精度低、排水温度不能太高、精度依赖供水压力稳定性。计算参数1实测有效扭矩2实测有效功率（kW）式中：n——转速（r/min）Me——实测有效扭矩（n·m）3．小时耗油量GT4．耗油率ge=GT/Ne9550eeMnN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Ne、有效转矩Me与平均有效压力pe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pe。纵坐标主要是燃油消耗量GT、燃油消耗率ge以及排温、烟度、机械效率ηm等。如图所示的就是典型的负荷特性曲线。耗油率的测量——容积法容积法仪器耗油率的测量——质量法质量法仪器一汽油机的负荷特性转速n不变，发动机的经济性指标随负荷变化的关系。（一）定义转速n不变，汽油机的经济性指标随负荷—节气门开度变化的关系。（二）特性曲线汽油机指示效率、机械效率、充气效率、过量空气系数、油耗率、总油耗随负荷的变化1曲线负荷节气门开度,—曲线陡。负荷为发出最大功率1,燃烧不完全。2曲线负荷负荷，开度70～80%时化油器中省油器（或多腔分动化油器的副腔）开始起作用,使混合气变浓,=0.8～0.9。ge31eimgkGTmigegeGTGT二柴油机的负荷特性（一）定义转速n不变，柴油机的经济性指标随负荷—喷油泵齿条或拉杆位置变化的关系。（二）特性曲线柴油机指示效率、机械效率、循环供油量、油耗率、总油耗随负荷的变化1，曲线负荷g燃烧完全程度。负荷gNi,Nm基本不变ηm=1-Nm/Ni。2ge曲线负荷gηm，ηige。负荷g燃烧恶化ηm，ηige。若负荷冒黑烟、积炭,发动机过热,故障,寿命。imi31eimgk3ge曲线上的特征点1点—gemin。2点—排黑烟,冒烟界限点。标定功率的选择：车用柴油机—定在冒烟界限处，即2点。拖拉机柴油机—定在冒烟界限2点以内。3点—Nemax点。过3点—GT，geNe。选择气道、燃烧室结构,调整燃料供给系统,常以负荷特性作为标准。三汽油机与柴油机负荷特性曲线分析1同一n下：（1）gemin经济性好。（2）曲线平缓—负荷变化较广时,能保持较好的经济性。柴油机比汽油机gemin低,且曲线平缓。所以，柴油机的经济性比汽油机的好。2从负荷特性曲线可知,小负荷时,ge。所以，在功力性满足的前提下,不宜装功率过大的发动机,以求ge—避免大马拉小车。3全面评价经济性,应作出不同n下的许多负荷特性曲线—万有特性曲线。汽、柴油机负荷特性曲线的对比汽油机有效燃油消耗率都比同负荷的柴油机高中、低负荷处的差值明显比最低油耗点和标定功率处大。1)汽油机有效燃油消耗率都比同负荷的柴油机高2)中、低负荷处的差值明显比最低油耗点和标定功率处大。统计资料表明，汽、柴油机最低燃油消耗率的差值约15％一30％，而综合使用油耗的差值可达25％～45％第三节发动机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。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。一汽油机的速度特性（一）定义汽油机节气门开度固定不变，汽油机性能指标随转速n变化的关系。外特性（全负荷的速度特性）—节气门全开（100%）,测得的速度特性。部分速度特性—节气门固定在部分开启位置,测得的速度特性。汽油机速度特性汽油机指示效率、机械效率、充气效率、过量空气系数随速度的变化（二）外特性曲线1Me曲线ng（不多）（1）ηv—n气流惯性ηv；n节流损失ηv。（2）ηi—n气流运动混合气形成改善ηi；n燃烧时间，所占曲轴转角ηi。（3）ηm—nηm。1veimMkMkevim2'（4）Me低速时:nηvηiηm使Me变化不大,略有；高速时:nηvηiηm使Me。2Ne曲线低速时:nMe（不大）,但NeMenNe；高速时:nMeNe（不大）。3ge曲线低速时:nηiηm，ηi大于ηmge（不大）；高速时:nηi