《內(nèi)燃機特性匹配與優(yōu)化》研究生課件發(fā)動機內(nèi)燃機的特性與匹配

1、第八章 內(nèi)燃機的特性與匹配內(nèi)燃機的特性是內(nèi)燃機性能的綜合反映。特性的形式有很多，除了前幾章已經(jīng)介紹的內(nèi)燃機調(diào)速特性與調(diào)整特性(如點火提前角調(diào)整特性、供油提前角調(diào)整特性)外，本章將重點介紹內(nèi)燃饑的基本特性，如負荷特性、速度特性、萬有特性等。由于內(nèi)燃機是為其他動力裝置或工作機械提供動力的，相互之間的配合特性不僅涉及到工作機械的性能，也與內(nèi)燃機本身的特性密切相關(guān)，為此，本章將介紹內(nèi)燃機與工作機械的匹配方法。對內(nèi)燃機的特性及其匹配進行研究，不僅是為了評價內(nèi)燃機的性能，為正確、合理地選用內(nèi)燃機提供依據(jù)，同時，還可以通過對影響內(nèi)燃機特性各種因素的分析。提出改進特性以適應匹配要求的各種技術(shù)措施，以優(yōu)化整個動

2、力裝置的性能。主要內(nèi)容第一節(jié) 內(nèi)燃機的特性 第二節(jié) 內(nèi)燃機與工作機械的匹配第一節(jié) 內(nèi)燃機的特性一、內(nèi)燃機的工況二、內(nèi)燃機的負荷特性 三、內(nèi)燃機的速度特性 四、萬有特性 五、內(nèi)燃機的功率標定及大氣修正一、內(nèi)燃機的工況內(nèi)燃機工況就是指內(nèi)燃機實際運行的工作狀況。表征內(nèi)燃機運行工況的參數(shù)可由下式給出 （81）式中，Pe為有效功率，Ttq為內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩，n為內(nèi)燃機的工作轉(zhuǎn)速。式(81)中的三個參數(shù)中，只有兩個是獨立變量，換句話說，當任意兩個參數(shù)固定后，第三個參數(shù)就可以通過該式求出。比較常用的是用Ttq與n或者Pe與n兩組參數(shù)來表征內(nèi)燃機穩(wěn)定運行的工況點，原因在于轉(zhuǎn)速n表示內(nèi)燃機工作過程進行的速度快慢，而

3、Ttq或Pe說明內(nèi)燃機發(fā)出功率或承受負荷能力的大小。內(nèi)燃機的負荷，通常是指內(nèi)燃機所遇到的阻力矩的大小，由于平均有效壓力pme正比于轉(zhuǎn)矩，故有時也用pme來表示負荷的高低。內(nèi)燃機的工作區(qū)域上邊界線3為內(nèi)燃機油量控制機構(gòu)處于最大位置時，不同轉(zhuǎn)速下內(nèi)燃機所能發(fā)出的最大功率 左側(cè)邊界線為內(nèi)燃機最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速nmin限制線，低于此轉(zhuǎn)速時，由于曲軸飛輪等運動部件儲存能量較小，導致轉(zhuǎn)速波動大，內(nèi)燃機無法穩(wěn)定工作 右側(cè)邊界線為最高轉(zhuǎn)速nmax限制線，受到轉(zhuǎn)速過高所導致的慣性力增大、機械摩擦損失加劇、充量系數(shù)下降、工作過程惡化等各種不利因素的限制 內(nèi)燃機的工況分類第類工況，其特點是內(nèi)燃機的功率變化時，轉(zhuǎn)速幾乎

4、保持不變。該工況又被稱為固定式內(nèi)燃機工況。例如，發(fā)電用內(nèi)燃機，其負荷呈階躍式突變，并沒有一定的規(guī)律、然而內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速必須保持穩(wěn)定，以保證輸送電壓和頻率的恒定，反映在工況圖上就是條垂直線(圖81中的曲線1)，稱為線工況。灌溉用內(nèi)燃機，除了起動和過渡工況外，在運行過程中負荷與轉(zhuǎn)速均保持不變，稱為點工況(圖81中的A點)。第二類工況，其特點是內(nèi)燃機的功率與轉(zhuǎn)速接近于冪函數(shù)關(guān)系，如圖81中的曲線2示的三次冪函數(shù)( )。當內(nèi)燃機作為船用主機驅(qū)動螺旋槳時，內(nèi)燃機所發(fā)出的功率必須與螺旋槳吸收的功率相等，而吸收功率又取決于螺旋槳轉(zhuǎn)速的高低，且與轉(zhuǎn)速成冪函數(shù)關(guān)系，這樣，內(nèi)燃機功率就呈現(xiàn)一種十分有規(guī)律的變化。該類

5、工況常被稱為螺旋槳工況或推進工況，也屬于線工況。 第三類工況，其特點是功率與轉(zhuǎn)速都在很大范圍內(nèi)變化，它們之間沒有特定的關(guān)系。汽車及其他陸地運輸用內(nèi)燃機，都居于這種工況。此時，內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速決定于行駛速度、可以從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速一直變到最高轉(zhuǎn)速；負荷取決于行駛阻力，在同一轉(zhuǎn)速下，可以從零變到全負荷。內(nèi)燃機可能的工作區(qū)域就是該種類型內(nèi)燃機的實際工作區(qū)域，相應的上況區(qū)域稱為面工況。研究內(nèi)燃機特性的必要性 為了評價內(nèi)燃機在不同工況下運行的動力性指標(如功率、轉(zhuǎn)矩、平均有效壓力等)、經(jīng)濟性指標(燃油消耗率)、排放指標以及反映工作過程進行的完善程度指標(如指示熱效率、充量系數(shù)以及機械效率)等，就必須研究內(nèi)燃機的

6、特性。 有關(guān)定義所謂內(nèi)燃機的特性，就是指上述性能參數(shù)隨參數(shù)調(diào)整情況或運轉(zhuǎn)工況變化的規(guī)律。性能指標隨調(diào)整情況變化的特性稱為調(diào)整特性，如點火提前角調(diào)整特性、供油提前角調(diào)整特性等；性能指標隨運行工況變化的特性稱為性能特性，如負荷特性、速度特性和調(diào)速特性等。用來表示特性的曲線稱為特性曲線，它是評價內(nèi)燃機的一種簡單、直觀、方便的形式。二、內(nèi)燃機的負荷特性定義測試方法作用曲線及說明定義 負荷特性是指當轉(zhuǎn)速不變時，內(nèi)燃機的性能指標隨負荷而變化的關(guān)系，用曲線的形式表示出來，就稱為負荷特性曲線。驅(qū)動發(fā)電機、壓縮機、風機、水泵等動力裝置的內(nèi)燃機，就是按負荷特性運行的。 測試方法 負荷特性曲線是在發(fā)動機試驗臺架上測

7、取的。試驗時，調(diào)整測功器負荷的大小，并相應調(diào)整油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置，以保持發(fā)動機的轉(zhuǎn)速不變，待工況穩(wěn)定后，依次記錄不同負荷下的有關(guān)數(shù)據(jù)，并整理得到性能曲線。 作 用 由了負荷特性可以直觀地顯示發(fā)動機在不同負荷下運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟性以及排溫等參數(shù)，且比較容易測定，因而在內(nèi)燃機的調(diào)試過程中，經(jīng)常用來作為性能比較的依據(jù)。由于每一條負荷特性僅對應內(nèi)燃機的一種轉(zhuǎn)速，為了滿足實際應用的要求，需要側(cè)出不同轉(zhuǎn)速下的多個負荷特性曲線。同時，根據(jù)這些特性曲線，可以得到發(fā)動機的另外一個重要的特性萬有特性。 對于一條特定的負荷特性曲線而言，轉(zhuǎn)速是固定不變的，這樣有效功率Pe、有效轉(zhuǎn)矩Ttq與平均有效壓力pme互成比例關(guān)系，均可用

8、來表示負荷的大小。 負荷特性的橫坐標通常是上述三個參數(shù)之一，較為常用的是有效功率Pe或平均有效壓力pme。縱坐標主要是燃油消耗量B、燃油消耗率be以及排溫、煙度、機械效率m等。圖82所示的就是典型的負荷特性曲線。 (一)柴油機的負荷特性燃油消耗率曲線的變化趨勢，通過燃油消耗率曲線的定義式分析如下 (82) 對于非增壓柴油機而言，當柴油機按負荷特性運行時，由于轉(zhuǎn)速不變，其充量系數(shù)基本保持不變。當負荷變化時，通過燃料調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)整循環(huán)供油量以適應負荷的變化，負荷增大時油量增加，反之則減少。這樣，過量空氣系數(shù)隨負荷的增加而減小，這一負荷調(diào)節(jié)過程被稱為“變質(zhì)調(diào)節(jié)”。柴油機的負荷特性走勢分析 當負荷為零(

9、空載)時，因無動力輸出，平均有效壓力pme為零，故機械效率m為零，意味著內(nèi)燃機所發(fā)出的功率完全用于自身消耗，這樣從式(82)可知燃油消耗率be為無窮大。當負荷逐漸增大時，由于平均機械損失壓力pmm在轉(zhuǎn)速不變時變化不大，而平均有效壓力pme則隨負荷提高而增大，因此機械效率 隨負荷的增大而上升得較快。因此，燃油消耗率be，曲線在負荷增加時下降得很快。并且，到達某一負荷時，be達到最低值。 隨著負荷的進一步增加，過量空氣系數(shù)a變得更小，混合氣形成與燃燒開始惡化，指示熱效率it開始明顯下降，其下降速度逐漸超過機械效率上升的速度，燃油消耗率開始上升。如果繼續(xù)增加負荷，則空氣相對不足，燃料無法完全燃燒，從

10、而使燃油消耗率上升很快，且柴油機大量冒黑煙，導致活塞、燃燒室積碳.，發(fā)動機過熱，可靠性以及壽命受到影響。如超過該極限再進一步增大負荷，柴油機大量冒黑煙，功率反而下降。 （二）汽油機的負荷特性與柴油機不同的是，在測取汽油機的負荷特性時，油量是通過改變節(jié)氣門的開度來調(diào)整的，這樣相應地改變了進入氣缸的混合氣數(shù)量，而混合氣的濃度變化不大，故稱為“變量調(diào)節(jié)”。圖82b是汽油機的負荷特性。初看起來，汽油機的負荷特性與柴油機負荷特性似乎沒什么區(qū)別。 柴油機與汽油機負荷特性的區(qū)別1)汽油機的燃油消耗率普遍較高，且在從空負荷向中、小負荷段過渡時，燃油消耗率下降緩慢，仍維持在較高水平，燃油經(jīng)濟性明顯較差。2)汽油

11、機排溫普遍較高，且與負荷關(guān)系較小。3)汽油機的燃油消耗量曲線彎曲度較大，而柴油機的燃油消耗量曲線在中、小負荷段的線性較好。特性差別的解釋（1） 因為兩種類型發(fā)動機的機械效率變化情況基本類似，根據(jù)式(82)，造成汽油機與柴油機燃油消耗率差異的主要原因就在于指示熱效率的差異。由于柴油機的壓縮比比汽油機高出較多，其過量空氣系數(shù)也要比汽油機大，燃燒大部分是在空氣過量的情況下進行的，所以柴油機的指示熱效率要比汽油機要高。這樣，從數(shù)值上看，汽油機的燃油消耗率數(shù)值高于柴油機。另一方面，從指示熱效率曲線的變化趨勢上來看，兩者也有比較明顯的差異。在轉(zhuǎn)速不變的前提下，柴油機進人氣缸的空氣量基本上不隨負荷大小而變化

12、，而每循環(huán)供油量則隨負荷的增大而增大，這樣過量空氣系數(shù)就隨負荷的增大而減小，因此，指示熱效率也就隨負荷的增大而降低；汽油機采用定質(zhì)變量的負荷調(diào)節(jié)方法，在接近滿負荷時采取加濃混合氣導致指示熱效率明顯下降，而在低負荷時，由于節(jié)氣門開度小，殘余廢氣系數(shù)較大，燃燒速率降低，需采用濃混合氣，加之當負荷減小時泵氣損失增大，導致指示熱效率下降。這樣, 汽油機的燃油消耗率在中、小負荷區(qū)遠高于柴油機。特性差別的解釋（2） 排氣溫度曲線的差異也可以用上述原因來解釋。汽油機的壓縮比比柴油機低，相應的膨脹比也低，排溫就要比柴油機高出許多。在負荷變化時，盡管由于混合氣總量的增加引起加入氣缸總熱量的增加，使排溫隨負荷的提

13、高而上升，但由于在大部分區(qū)域內(nèi)過量空氣系數(shù)保持不變，故排溫上升幅度不大。在柴油機中，隨著負荷的提高，過量空氣系數(shù)隨之降低，排溫顯著上升。三、內(nèi)燃機的速度特性 內(nèi)燃機速度特性，是指內(nèi)燃機在油量調(diào)節(jié)機構(gòu)(油量調(diào)節(jié)齒條、拉桿或節(jié)氣門開度)保持不變的情況下，主要性能指標(轉(zhuǎn)矩、油耗、功率、排溫、煙度等)隨內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。當汽車沿阻力變化的道路行駛時，若油門位置不變，轉(zhuǎn)速會因路況的改變而發(fā)生變化，這時內(nèi)燃機是沿速度特性工作。 測試方法 速度特性也是在內(nèi)燃機試驗臺架上測出的。測量時，將油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置固定不動，調(diào)整測功器的負荷，內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速相應發(fā)生改變，然后記錄有關(guān)數(shù)據(jù)并整理繪制出曲線，一般是以發(fā)動

14、機轉(zhuǎn)速作為橫坐標。 部分速度特性與外特性 當油量控制機構(gòu)在標定位置時，測得的特性為全負荷速度特性(簡稱外特性)；油量低于標定位置時的速度特性，稱為部分負荷速度特性。由于外特性上反映了內(nèi)燃機所能達到的最高性能，確定了最大功率、最大轉(zhuǎn)矩以及對應的轉(zhuǎn)速，因而是十分重要的，所有發(fā)動機出廠時都必須提供該特性。 特性曲線(一)柴油機的速度特性 圖83a是柴油機的速度特性。對圖中主要參數(shù)(如有效轉(zhuǎn)矩與燃油消耗率)的變化趨勢，可作如下分析。由于轉(zhuǎn)矩Ttq正比于平均有效壓力pme，而pme可以表示為 (83)式中，gb為每循環(huán)供油量。 可見，在柴油機中，轉(zhuǎn)矩的大小取決于每循環(huán)供油量gb，指示熱效率it以及機械效

15、率m，圖84給出了外特性上主要參數(shù)的變化情況，其趨勢可分別闡述如下。 1)對于常用的柱塞式供油泵，當油量調(diào)節(jié)機構(gòu)位置固定且無特殊的油量校正裝置時，隨柴油機轉(zhuǎn)速的下降，通過柱塞與柱塞套間的燃油泄漏增多，且柱塞有效行程由了斜槽節(jié)流作用的減弱而降低，導致每循環(huán)供油量gb有所減少，如圖84中的曲線1。加裝校正裝置后的油泵，其gb隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖中的曲線2和曲線3，即在轉(zhuǎn)速降低時可以保持供油量的基本不變或略有上升。曲線的具體形狀取決于校正方法。 根據(jù)機械效率的分析式， 式中，A為一常數(shù)。 當內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速降低時，平均機械損失壓力pmm將逐漸減少，it及c有適當?shù)脑黾樱貏e是pmm的下降占主導地位，故機

16、械效率m將隨轉(zhuǎn)速的降低而提高。 2)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速從最高轉(zhuǎn)速逐漸降低時，柴油機的充量系數(shù)c由于氣流速度的下降、節(jié)流損失的降低而逐漸提高，這對改善燃燒、提高指示熱效率it有好處。然而，在轉(zhuǎn)速過低時，出于不能利用氣流慣性進行過后充氣，c出現(xiàn)下降趨勢，會使得指示熱效率it下降 根據(jù)以上分析可知，對于無油量校正裝置的柴油機，在轉(zhuǎn)速降低時，由于每循環(huán)供油量的減少，相應抵消了機械效率m和熱效率it提高的影響。綜合作用的結(jié)果是使得柴油機外特性上的轉(zhuǎn)矩Ttq曲線很平坦。在部分負荷速度特性上，在轉(zhuǎn)速很低時充量系數(shù)c下降，導致了it的下降，且每循環(huán)供油量gb隨轉(zhuǎn)速下降的幅度較大，使得it下降幅度超過了機械效率m隨轉(zhuǎn)

17、速降低而增長的幅度，因而轉(zhuǎn)矩曲線出現(xiàn)了如圖83所示的隨轉(zhuǎn)速下降而降低的趨勢。柴油機的燃油消耗率be曲線在整個速度特性的變化范圍內(nèi)比較平坦，兩端略有上翹，同樣可利用式(82)來解釋。be在某一中間轉(zhuǎn)速時最低，當轉(zhuǎn)速高于此轉(zhuǎn)速時，因m和it同時下降而使be上升；而當轉(zhuǎn)速低于此轉(zhuǎn)速時，由于充量系數(shù)c下降，加上燃油霧化差，渦流減弱，使得m的上升彌補不了it的下降幅度，be同樣上升。在部分負荷速度特性上，燃油消耗率整體水平由于m較低而較外特性上的燃油消耗率曲線有所上升，但隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本與外特性相似。 (二)汽油機的速度特性汽、柴速度特性的差別 1)柴油機在各種負荷的速度特性下的轉(zhuǎn)矩曲線都比較平坦，

18、在中、低負荷區(qū)，轉(zhuǎn)矩甚至隨轉(zhuǎn)速升高而增大；而汽油機的速度特性則不同，轉(zhuǎn)矩曲線的總趨勢是隨轉(zhuǎn)速升高而降低，節(jié)氣門開度越小，這種降低的斜率越大，并導致功率曲線呈上凸形(圖中曲線3與4)，隨著節(jié)氣門開度減小，相應的最大功率和對應的轉(zhuǎn)速降低。 2)柴油機的燃油消耗率曲線在各種負荷的速度特性下都比較平坦，僅在兩端略有翹起，最經(jīng)濟區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍很寬；汽油機則有所不同，其油耗曲線的翹曲度隨節(jié)氣門開度減小而劇烈增大，相應最經(jīng)濟區(qū)的轉(zhuǎn)速范圍越來越窄。 特性差別之分析（走勢分析）對于上述現(xiàn)象，可以通過轉(zhuǎn)矩的分析式來解釋。與柴油機不同的是，汽油機采用定質(zhì)變量的負荷調(diào)節(jié)方法，故轉(zhuǎn)矩的變化與吸入氣缸的混合氣數(shù)量有密切的關(guān)

19、系。為此，根據(jù)充量系數(shù)的定義式，可得將其代入式(83)，并化簡為 （85） 由前所述可知，汽油機的過量空氣系數(shù)a基本上不隨轉(zhuǎn)速而變化，故可將其看成一個定值。這樣，轉(zhuǎn)矩就取決于指示熱效率it、充量系數(shù)c和機械效率m的乘積。 以下分析三者隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律(1)指示熱效率it 在節(jié)氣門全開的情況下(外特性曲線)，發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，由于氣缸內(nèi)氣流擾動減弱，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，傳熱損失以及漏氣損失相對增加，導致it略有下降；而高轉(zhuǎn)速時，由于以曲軸轉(zhuǎn)角計的燃燒持續(xù)期增大，以及泵吸功增加，對it也會產(chǎn)生不利的影響，故曲線整體呈現(xiàn)馬鞍形的上凸狀。當節(jié)氣門開度減小后(部分負荷)，隨轉(zhuǎn)速的提高，節(jié)氣門的節(jié)流作用大大

20、加強，泵氣損失所占比重增大，導致指示熱效率it大大下降，而且隨節(jié)氣門開度的降低，下降幅度更大。(2)充量系數(shù)c 圖85a是汽油機充量系數(shù)c隨轉(zhuǎn)速的變化情況。圖中的數(shù)字15是表示節(jié)氣門不同開度下的c曲線，數(shù)字越大，則開度越小。汽油機沿速度特性運行而節(jié)氣門全開(即外特性下)時，c曲線在某一中間轉(zhuǎn)速處呈上凸狀，低于或高于此轉(zhuǎn)速則有一定幅度的下降(圖中曲線1)。同樣沿速度特性運行而節(jié)氣門處于部分開度時，由于進氣節(jié)流嚴重，進氣阻力增加，c減小，而且隨轉(zhuǎn)速升高，c下降的斜率也增大；轉(zhuǎn)速降低時，進氣阻力減小，節(jié)氣門的節(jié)流作用減弱，c增加(圖中的曲線2、3、4、5)。(3)機械效率m 機械效率m隨節(jié)氣門開度的

21、變化規(guī)律，如圖85b所示。根據(jù)式(84)可知，當汽油機按外特性運行時，由于轉(zhuǎn)速越高，機械損失壓力pmm越大，故機械效率m隨轉(zhuǎn)速的增加而下降。當沿部分負荷速度特性工作時，節(jié)氣門處于部分開度，m隨轉(zhuǎn)速的增加而下降的斜率比節(jié)氣門全開時大(比較圖中曲線1與3)，這是因為pmm與節(jié)氣門全開時一樣隨轉(zhuǎn)速增加而增加，而充量系數(shù)c和指示熱效率it則隨轉(zhuǎn)速增加而下降很快，相應導致平均指示壓力pmi隨轉(zhuǎn)速增加而急劇降低。當轉(zhuǎn)速高于某一值后，就會出現(xiàn)pmipmm的情況，而使機械效率為零，意味著內(nèi)燃機在相應轉(zhuǎn)速下空車運行(無功率輸出，圖中曲線4)。節(jié)氣門開度越小，出現(xiàn)m0的轉(zhuǎn)速就越低(比較曲線4與5)。 根據(jù)以上分析

22、可知，對于汽油機而言，當節(jié)氣門全開時，轉(zhuǎn)矩曲線將是一條上凸的曲線，且上凸的位置在低速區(qū)；而在部分開度時，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，開度越小，曲線越陡 。汽油機的轉(zhuǎn)矩特性，特別適合車用的需要，也就是說，自動適應道路阻力變化的能力較強，行駛速度比較穩(wěn)定。對此，可以用圖86來解釋。內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩與外界阻力矩在a點是平衡的，內(nèi)燃機將在a點對應的轉(zhuǎn)速na下穩(wěn)定工作。如遇上坡等阻力增加的情況，內(nèi)燃機從工況a過渡到工況1、沿速度特性1工作的內(nèi)燃機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩增大了Ttq1，轉(zhuǎn)速相應降低了n1。這說明駕駛員不用操作，發(fā)動機自動進行了調(diào)整，轉(zhuǎn)速降低而轉(zhuǎn)矩增大，以克服外界阻力的變化。對于另一發(fā)動機，其速度特性如圖中曲線，由于

23、其轉(zhuǎn)矩曲線較平坦，則從工況a過渡到工況2時，轉(zhuǎn)速降低較多(n2n1)而轉(zhuǎn)矩增大的幅度并不大(Ttq2Ttq1)。這一結(jié)果說明，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩曲線越陡，運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和操縱性能就越好。因此，汽油機一般不需要配備調(diào)速裝置，即使當阻力矩突變到零時，汽油機的轉(zhuǎn)速也不會超速或飛車。柴油機的調(diào)節(jié)過程與裝置則與汽油機有明顯的不同，需要采用專門設(shè)計的調(diào)速器。 轉(zhuǎn)矩適應系數(shù)和轉(zhuǎn)速適應系數(shù)定義范圍分析定義衡量內(nèi)燃機工作穩(wěn)定性能的指標是轉(zhuǎn)矩適應性系數(shù)KT和轉(zhuǎn)速適應性系數(shù)Kn。轉(zhuǎn)矩適應性系數(shù)是指外特性上最大轉(zhuǎn)矩Ttqmax與標定轉(zhuǎn)矩Ttqn之比，即 (86)相應地，轉(zhuǎn)速適應性系數(shù)K n是指標定轉(zhuǎn)速n n與外特性上最大轉(zhuǎn)矩對

24、應的轉(zhuǎn)速nm之比，即 （87）有時，也用最大轉(zhuǎn)矩與標定轉(zhuǎn)矩之差與標定轉(zhuǎn)矩的相對值，來表示發(fā)動機克服阻力能力的大小，并將其定義為轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)，即 （88）范圍 汽油機的轉(zhuǎn)矩適應性系數(shù)KT較大，一般在1.251.35之間，轉(zhuǎn)速適應性系數(shù)Kn約為1.62.5。柴油機轉(zhuǎn)矩曲線平坦，適應性系數(shù)小，KT值一般不超過1.05(無校正時)。Kn約為1.42.0 。當柴油機用于汽車動力時，駕駛員可以按照路面的情況，隨時改變油門踏板的位置或者行車擋位，改變發(fā)動機克服阻力的能力，以調(diào)整車速。然而，當用于拖拉機及工程機械時，發(fā)動機所要克服的阻力矩變化很大，經(jīng)常會遇到過載的情況。由于柴油機的適應性系數(shù)小，加上這類機械行

25、走速度低，無動能儲備，以致在遇到阻力矩突然增大時，轉(zhuǎn)速下降很快，往往駕駛員來不及換擋發(fā)動機就可能熄火。對于這類用途的柴油機，要求有較大的轉(zhuǎn)矩儲備，以克服短期過載。分析 柴油機轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)小的根本原因，在于柱塞式高壓油泵供油特性不適應充量系數(shù)的變化待特性。根據(jù)前述的分析，當柴油機轉(zhuǎn)速下降時，充量系數(shù)有一定幅度的提高，然而，循環(huán)供油量反而有所下降。如果采取有效的油量校正措施，使轉(zhuǎn)速降低時循環(huán)供油量有所增加，則非增壓柴油機的轉(zhuǎn)矩適應性系數(shù)可達1.151.25。對增壓柴油機而言，由于空氣流量隨轉(zhuǎn)速的下降而減小，因此，增壓柴油機的適應性系數(shù)一般比非增壓要小一些，大致在1.051.17左右。但也有例外，如

26、有時為了追求較高轉(zhuǎn)矩儲備性能而采用特殊匹配技術(shù)的增壓柴油機，其轉(zhuǎn)距儲備系數(shù)可達1.351.5。四、萬有特性 負荷特性和速度特性只能用來表示某一轉(zhuǎn)速或某一油量控制機構(gòu)位置時，內(nèi)燃機各種參數(shù)的變化規(guī)律，而內(nèi)燃機特別是車用內(nèi)燃機的工況變化范圍很廣，要分析各種工況下的性能，就需要多張負荷特性或速度特性圖，這樣既不方便，也不直觀。為了能在一張圖上較全面地表示內(nèi)燃機各種性能參數(shù)的變化，經(jīng)常應用多參數(shù)的特性曲線，這種特性就是萬有特性。萬有特性曲線一般是以轉(zhuǎn)速n為橫坐標，以負荷(平均有效壓力pme)為縱坐標。在圖上繪出若干條等油耗曲線和等功率曲線。兩種類型內(nèi)燃機典型的萬有特性如圖87所示。根據(jù)需要，還可在萬有

27、特性曲線上繪出等節(jié)氣門開度線、等排放線、等過量空氣系數(shù)線等。（一）萬有特性的繪制方法 根據(jù)發(fā)動機類型的不同，萬有特性有兩種繪制方法，即負荷特性法和速度特性法。 對于柴油機， 一般是依據(jù)不同轉(zhuǎn)速下的負荷特性，用作圖法求出； 對于汽油機，則根據(jù)不同節(jié)氣門位置的速度特性，用作圖法求得。 近年來，由于計算機測試技術(shù)以及計算技術(shù)的應用，也可采用數(shù)值計算方法對大量的試驗數(shù)據(jù)進行回歸及等值線的插值運算，從而直接得到萬有特性。1、負荷特性法（等油耗線作法）1)將各種轉(zhuǎn)速下的負荷特性以平均有效壓力pme為橫坐標，be為縱坐標，以同一比例尺繪出特性曲線若干張。 2)根據(jù)內(nèi)燃機工作轉(zhuǎn)速范圍，標出萬有特性橫坐標n的標

28、尺，縱坐標pme的標尺則與整理得到的負荷特性上的pme標尺相同。 3)將某一轉(zhuǎn)速的負荷特性旋轉(zhuǎn)90。后置于萬有特性縱坐標軸的左側(cè)，使同樣是平均有效壓力的兩個坐標對齊。在負荷特性圖上引若干條等燃油消耗率線與be線相交，每條線各有一至二個交點；再從每一個交點引水平線至萬有特性上與負荷特性線相同轉(zhuǎn)速的位置上，獲得若干新交點。在每一交點上標注出燃油消耗率的數(shù)值。 4)然后，更換另一轉(zhuǎn)速下的內(nèi)燃機負荷特性，按照與上述同樣的方法，得到另轉(zhuǎn)速位置下的若干交點。在交點上同樣標上相應的燃油消耗率數(shù)值。 5)所有轉(zhuǎn)速下的負荷特性都經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)換后，依次將be值相等的點連成光滑曲線，即可得到萬有特性上的等燃油消耗率

29、線。1、負荷特性法（等功率線作法）等功率曲線是根據(jù)式(81)的變化形式 作出，其中K對于一個給定的內(nèi)燃機為常數(shù)，這樣，在pmen坐標中，等功率曲線是一族雙曲線。將內(nèi)燃機全負荷的速度特性線pmef(n)的關(guān)系畫在萬有特性圖上，就構(gòu)成了萬有特性的上邊界線。2、速度特性法1)在第一象限中繪出不同節(jié)氣門開度下的速度特性上的轉(zhuǎn)矩曲線(以平均有效壓力pme，表示)，在曲線尾端標出相應的節(jié)氣門開度。2)在第四象限繪出相應節(jié)氣門開度下的燃油消耗率be曲線，同樣注明節(jié)氣門開度的百分數(shù)。 3)在be的坐標軸上，引若干條等燃油消耗率的水平線與曲線相交，每一水平線與be曲線族均有一組交點。通過交點引鉛垂線向上至第一象

30、限，與相應開度的轉(zhuǎn)矩曲線相交，得到一組新交點，并注明燃油消耗率數(shù)值。此時，同組交點的be值是相等的。4)將等be值的各點連成光滑的等值線，并標上相應的數(shù)值，從而得到萬有特性上的等燃油消耗率曲線。這樣，不同節(jié)氣門開度下的速度特性全部反映在一張圖中，這對于車用發(fā)動機而言，應用十分方便。（二）萬有特性的應用在萬有特性圖上，最內(nèi)層的等燃油消耗率曲線相當于內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)的最經(jīng)濟區(qū)域，等值曲線越向外，經(jīng)濟性越差。等燃油消耗率曲線的形狀與位置對內(nèi)燃機的實際使用經(jīng)濟性能有重要的影響。如果該曲線的形狀在橫向上較長，則表示內(nèi)燃機在負荷變化不大而轉(zhuǎn)速變化較大的情況下工作時，燃油消耗率變化較小。如果曲線形狀在縱向較長，則

31、表示內(nèi)燃機在負荷變化較大而轉(zhuǎn)速變化不大的情況下工作時，油耗率變化較小。對于汽車用內(nèi)燃機，最經(jīng)濟區(qū)域應大致在萬有特性的中間位置，這樣常用轉(zhuǎn)速和負荷就可以落在最經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)，并希望等燃油梢耗率曲線在橫向較長。對于拖拉機以及工程機械用內(nèi)燃機，其轉(zhuǎn)速變化范圍較小而負荷變化范圍較大，最經(jīng)濟區(qū)域應在標定轉(zhuǎn)速附近，并沿縱向較長。 （二）萬有特性的應用 從萬有特性上可以發(fā)現(xiàn)，兩種類型內(nèi)燃機存在著明顯的差異首先，汽油機的燃油消耗率比柴油機高；其次，汽油機的最經(jīng)濟區(qū)域處在偏上的位置，即高負荷區(qū)，隨負荷降低，油耗增加較快，而柴油機的最經(jīng)濟區(qū)則比較適中，負荷改變時經(jīng)濟性能變化不大。由于車用汽油機常在較低負荷下工作，燃油

32、消耗率較大，故其使用經(jīng)濟性能不佳。對于車用柴油機而言，由于多數(shù)用于載貨汽車、工程機械、礦山車輛等場合，負荷率高，從萬有特性上可以看出其使用經(jīng)濟性較好。 （二）萬有特性的應用 如何提高實際使用條件下的燃料經(jīng)濟性，對于實現(xiàn)汽車的節(jié)能具有很大的實際意義，而提高負荷率是提高汽油機燃料經(jīng)濟性最有效的措施，另一個重要的措施就是實現(xiàn)內(nèi)燃機與傳動裝置的合理匹配 （二）萬有特性的應用 如果內(nèi)燃機的萬有特性不能滿足使用要求，則應重新選擇內(nèi)燃機，或者對內(nèi)燃機進行適當?shù)恼{(diào)整，以改變?nèi)f有特性。 例如，適當改變配氣相位來改變充量系數(shù)特性，或選擇對轉(zhuǎn)速不太敏感的燃燒系統(tǒng)，可以影響萬有特性最經(jīng)濟區(qū)域在橫坐標方向的寬度； 降低

33、內(nèi)燃機的機械損失，提高低速、低負荷時冷卻水溫和機油溫度，都可以降低部分負荷時的燃油消耗率，在縱坐標方向擴展最經(jīng)濟區(qū)。五、內(nèi)燃機的功率標定及大氣修正(一) 功率標定 (二) 大氣修正 (一) 功率標定內(nèi)燃機的功率標定，是指制造企業(yè)根據(jù)內(nèi)燃機的用途、壽命、可靠性、維修與使用條件等要求，人為地規(guī)定該產(chǎn)品在標準大氣條件下所輸出的有效功率以及所對應的轉(zhuǎn)速，即標定功率與標定轉(zhuǎn)速。世界各國對標定方法的規(guī)定有所不同。按照國家標準GBll0587內(nèi)燃機臺架性能試驗方法規(guī)定，我國內(nèi)燃機的功率可以分為四級；(1)15min功率 ；(2)1h功率 ；(3)12h功率 ；(4)持續(xù)功率 (1)15min功率 這一功率為

34、內(nèi)燃機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)15min的最大有效功率，適用于需要較大功率儲備或瞬時需要發(fā)出最大功率的轎車、中小型載貨汽車、軍用車輛、快艇等用途的內(nèi)燃機。 (2)1h功率這一功率為內(nèi)燃機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)1h的最大有效功率，適用于需要一定功率儲備以克服突增負荷的工程機械、船舶主機、大型載貨汽車和機車等用途的內(nèi)燃機。 (3)12h功率這一功率為內(nèi)燃機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)12h的最大有效功率，適用于需要在12h內(nèi)連續(xù)運轉(zhuǎn)而又需要充分發(fā)揮功率的拖拉機、移動式發(fā)電機組、鐵道牽引等用途的內(nèi)燃機。 (4)持續(xù)功率這一功率為內(nèi)燃機允許長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的最大有效功率，適用于需要長期連續(xù)運轉(zhuǎn)的固定動力、排灌、電站、船舶等用途的內(nèi)燃機。 根據(jù)

35、內(nèi)燃機產(chǎn)品的使用特點，在內(nèi)燃機的銘牌上一般應標明上述四種功率的一或兩種功率及其對應的轉(zhuǎn)速。同時，內(nèi)燃機的最大供油量限定在標定功率的位置上。對于同一種發(fā)動機，用于不同場合時，可以有不同的標定功率值，其中，15min功率最高，持續(xù)功率最低。除持續(xù)功率外，其他幾種功率均具有間歇性工作的特點，故常被稱為間歇功率。對間歇功率而言，內(nèi)燃機在實際按標定功率運轉(zhuǎn)時，超出上述限定的時間并不意味著內(nèi)燃機將被損壞，但無疑將使內(nèi)燃機的壽命與可靠性受到影響。(二) 大氣修正內(nèi)燃機所發(fā)出的功率取決于吸入氣缸的空氣量，而吸入氣缸的空氣量直接與大氣密度有關(guān)。例如，一臺裝備非增壓柴油機的汽車，從沿海行駛到海拔2200m的西寧市

36、，大氣密度下降了215，在保持過量空氣系數(shù)不變的前提下，柴油機的指示功率也將下降21左右。由于負荷減少引起的機械效率下降，導致有效功率下降的幅度更大，約為25一27。同樣，大氣相對濕度的變化也會影響到實際進入氣缸內(nèi)的干空氣量，對工作過程產(chǎn)生影響。這意味著大氣狀態(tài)變化將全面影響內(nèi)燃機性能。因此，在功率標定時，必須規(guī)定標準大氣狀態(tài)條件。 (二) 大氣修正由于內(nèi)燃機運行現(xiàn)場的大氣條件一般都是非標準大氣條件，在對內(nèi)燃機產(chǎn)品進行性能考核試驗時，應根據(jù)不同的考核項目，將實測的功率、油耗、轉(zhuǎn)矩等值按對應的修正方法換算成以標準大氣條件作基準的標準值；或是根據(jù)現(xiàn)場大氣條件將標定功率值按對應的修正方法換算成實際功

37、率值，并以此值來調(diào)定內(nèi)燃機試驗的運行工況點。 第二節(jié) 內(nèi)燃機與工作機械的匹配本節(jié)重點介紹內(nèi)燃機與動力機械匹配過程中應遵循的基本原則和主要方法。由于工作機械的形式各異、方式不同，匹配的方法也不盡相同。其中，汽車的運行工況比較復雜，其匹配問題在內(nèi)燃機與工作機械的匹配中具有一定的代表性，所以本節(jié)介紹的重點是汽車與發(fā)動機的合理匹配?？偟膩碚f，內(nèi)燃機與工作機械的匹配，一般從兩個方面進行，即經(jīng)濟性匹配和動力性匹配。為了更好地說明匹配過程，首先對汽車的動力特性進行說明，然后討論內(nèi)燃機與汽車的經(jīng)濟性和動力性匹配。 一、汽車的動力性與受力平衡 在進行汽車的匹配研究之前，首先要了解汽車的動力性能。所謂汽車動力性，

38、是指汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的、所能達到的平均行駛速度。它通過以下三個指標來評定，即汽車的最高車速Vamax(km/h)、汽車的加速時間t（s） (0100km/h所用的時間)以及汽車所能通過的最大坡度imax。 根據(jù)汽車沿行駛方向的運動狀態(tài)，汽車在行駛過程中的平衡關(guān)系式為 Ft = F （822）式中， Ft為驅(qū)動力，由發(fā)動機提供；F為汽車在行駛過程中的各種行駛阻力之和。此式是汽車行駛方程式。下面逐一對各種受力情況進行分析。()汽車的驅(qū)動力汽車發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)傳動系作用在汽車的驅(qū)動輪上，受力簡圖如圖810所示。 從中可以看出，作用在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Ttq使車輪對路

39、面產(chǎn)生一個圓周切向力F0，即車輪對道路的作用力；而道路對車輪的反作用力Ft是驅(qū)動汽車行駛的外力，通常被稱為汽車的驅(qū)動力，它與F0大小相等、方向相反。如車輪半徑為r，則汽車的驅(qū)動力為 根據(jù)汽車變速器的工作原理，作用在驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩Ttqt與發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)矩Ttq之間的關(guān)系為 (823)式中，ik及ic分別是變速器及主傳動器的傳動比；t為傳動系的效率。于是 (824)由此可見，汽車驅(qū)動力與發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩Ttq有關(guān)，且與傳動系統(tǒng)的效率t、傳動比ik和ic以及車輪半徑r有關(guān)。如已知發(fā)動機的特性曲線，則可求出汽車的驅(qū)動特性，即汽車的驅(qū)動力與汽車行駛速度的關(guān)系。具體方法為：根據(jù)發(fā)動機外特性上的轉(zhuǎn)矩特性T

40、tqn關(guān)系以及汽車的有關(guān)參數(shù)，由式(824)繪出Ftn圖，然后將橫坐標(轉(zhuǎn)速n)換算為汽車行駛速度ua(單位為km/h)，即可得到驅(qū)動特性，如圖811所示。其中，汽車行駛速度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為 （825） 該圖所示的是一個具有三擋變速器的汽車驅(qū)動特性，其中，曲線Ft1、Ft2及Ft3分別表示在擋、二擋及三擋(直接擋)時的汽車驅(qū)動力。(二)汽車的行駛阻力 汽車在水平路面上等速行駛時，必須克服來自行駛道路的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力，分別用符號Ff和Fw表示。此外，當汽車在上坡行駛時，還必須克服汽車重力沿坡道的分力(稱為坡道阻力)，以Fi表示；同時汽車在加速行駛時還必須克服慣性力(稱為加速阻

41、力)，以Fj表示。因此，汽車的總行駛阻力為 (826)1滾動阻力滾動阻力是指車輪沿水平面滾動時產(chǎn)生的各項阻力的總和，可表示為 （827）式中，W為作用于汽車上的重力；m為汽車的總質(zhì)量；f為輪胎滾動的阻力系數(shù)，可通過經(jīng)驗公式進行估算。2空氣阻力 汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力稱為空氣阻力。在汽車行駛范圍內(nèi)，空氣阻力大致與氣流相對速度的動壓力成正比，比例系數(shù)就是空氣阻力系數(shù)Cd(一般小于1)，即式中，為空氣密度(kgm3)；A為汽車行駛方向的迎風面積(投影面積)(m2)；ur為氣流的相對速度(m/s)，在無風時即為汽車的行駛速度ua。如將速度單位用kmh表示，并代入常溫下的空氣密度12258 kgm3，則有 （828）3坡道阻力 當汽車沿坡道上坡行駛時，還需克服與道路坡度有關(guān)的阻力。這項阻力實際上是汽車重力在平行于地面方向的分力，通常稱為坡道阻力。4、加速阻力汽車在行駛過程中，無論加速或減速都要承受慣性阻力，這一阻力統(tǒng)稱為加速阻力，它等于汽車質(zhì)量和加速度的乘積。由于慣性力是由平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分引起的，而旋轉(zhuǎn)質(zhì)量難以進行計算，為簡化起見引入旋轉(zhuǎn)部分等效質(zhì)量換算系數(shù)(1)