第十一章 內(nèi)燃機特性

章節(jié)內(nèi)容第一節(jié)概述第二節(jié)內(nèi)燃機速度特性第三節(jié)內(nèi)燃機負荷特性第四節(jié)萬有特性第五節(jié)內(nèi)燃機的功率標定及大氣修正學習目標知識目標1．能正確描述發(fā)動機的工況和運轉(zhuǎn)特性的基本概念；2．能簡單敘述發(fā)動機負荷特性及其參數(shù)分析；3．能簡單敘述發(fā)動機速度特性及其參數(shù)分析；4．能簡單敘述發(fā)動機萬有特性及其參數(shù)分析；技能目標1．能根據(jù)發(fā)動機各種特性分析發(fā)動機的運行特點；2．能結(jié)合發(fā)動機參數(shù)分析初步判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)。第一節(jié)概述

一、內(nèi)燃機工況內(nèi)燃機在某一時刻的運行狀況簡稱工況，以該時刻內(nèi)燃機輸出的有效功率和轉(zhuǎn)速表示。表征內(nèi)燃機運行工況的參數(shù)可由下式給出

Pe∝Men

式中：Pe——有效功率（kw）；

Me——內(nèi)燃機的扭矩；

n——內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速。第一節(jié)概述

一、內(nèi)燃機工況內(nèi)燃機工況的類型根據(jù)使用條件大致可分為以下三類：第一類工況：

內(nèi)燃機功率變化，但曲軸轉(zhuǎn)速幾乎保持不變。例如內(nèi)燃機帶發(fā)電機工作時，必須保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，這種工況如圖11－1中的曲線1所示，稱為線工況。第一節(jié)概述

一、內(nèi)燃機工況內(nèi)燃機工況的類型根據(jù)使用條件大致可分為以下三類：第二類工況：

內(nèi)燃機功率與曲軸轉(zhuǎn)速接近于三次冪函數(shù)關系（Pe∝n3）。當內(nèi)燃機作為船用主機帶動螺旋槳工作時，內(nèi)燃機發(fā)出的功率必須與螺旋槳的吸收功率相等，而螺旋槳的吸收功率與其轉(zhuǎn)速成三次冪函數(shù)關系，此時內(nèi)燃機工況的特點由螺旋槳特性決定，所以又稱作螺旋槳工況或推進工況。如圖11－1中的曲線2所示，也稱為線工況。第一節(jié)概述

一、內(nèi)燃機工況內(nèi)燃機工況的類型根據(jù)使用條件大致可分為以下三類：第三種工況：功率和轉(zhuǎn)速都獨立地在很大范圍內(nèi)變化，它們之間沒有特定的關系。作為汽車等陸地運輸機械動力的發(fā)動機，都屬于這種工況。此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速決定于行駛速度，可以從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ｎmin一直變到最高轉(zhuǎn)速ｎmax；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（圖11－1中的曲線3）。內(nèi)燃機可能的工作區(qū)域就是該種類型發(fā)動機的實際工作區(qū)域，相應的工況區(qū)域稱為面工況。第一節(jié)概述二、內(nèi)燃機特性研究內(nèi)燃機特性的主要目的：在于分析內(nèi)燃機在各種工況下的動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性、適應性和可靠性等等，從而確定內(nèi)燃機正常工作的范圍及適宜的工作區(qū)域。當內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)工況變化時，其性能指標也隨之變化。因此，評價一臺內(nèi)燃機的好壞，需要考察它在各種工況下的性能指標，然后才能作出判斷。對于工況在很大范圍內(nèi)變化的汽車、拖拉機以及工程機械所用的內(nèi)燃機尤其是這樣。第一節(jié)概述二、內(nèi)燃機特性內(nèi)燃機性能指標隨運轉(zhuǎn)工況而變化的規(guī)律稱為內(nèi)燃機特性。內(nèi)燃機特性的種類很多，其中主要有速度特性和負荷特性等。內(nèi)燃機特性往往是以曲線形式表示的。它是通過內(nèi)燃機的臺架試驗，測取有關參數(shù)，經(jīng)過整理后繪制而成的。用以表示內(nèi)燃機特性的曲線就稱為特性曲線。它是評價內(nèi)燃機性能的一種簡單、方便、必不可少的形式。根據(jù)特性曲線可以合理的選用內(nèi)燃機，并能有效地利用它了解內(nèi)燃機特性的成因以及影響因素，就可以按需要的方向改造它，使內(nèi)燃機性能進一步提高，并設法滿足使用要求。第二節(jié)內(nèi)燃機速度特性內(nèi)燃機速度特性是指油量調(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（扭矩、油耗、功率、排溫及煙度等）隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。研究速度特性的目的在于找出內(nèi)燃機在不同的轉(zhuǎn)速下其動力性和經(jīng)濟性的變化規(guī)律，確定內(nèi)燃機的最大功率、最大轉(zhuǎn)矩和最小燃油消耗率。一、柴油機的速度特性柴油機的速度特性曲線如圖11-2所示實線1分別表示外特性的有效扭矩Ｍe、有效功率Ｐｅ和有效燃料消耗率ｇe的變化趨勢，其余虛線分別表示部分負荷速度特性的有效扭矩Ｍe、有效功率Ｐｅ和有效燃料消耗率ｇe的變化趨勢。一、柴油機的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲線的變化規(guī)律由于柴油機輸出的有效扭矩Ｍe正比于平均有效壓力ｐe，而ｐe又與每循環(huán)供油量ｇｂ、指示熱效率ηi及機械效率ηm成正比。柴油機的有效扭矩Ｍe的大小決定于每循環(huán)供油量ｇｂ、指示熱效率ηi及機械效率ηm一、柴油機的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲線的變化規(guī)律對無油量校正裝置的柴油機，轉(zhuǎn)速降低時，由于每循環(huán)供油量ｇｂ的減少，相應抵消了指示熱效率ηi和機械效率ηm，提高的影響，綜合作用的結(jié)果是使柴油機外特性上的轉(zhuǎn)矩Ｍe曲線很平坦。部分負荷速度特性時，有效扭矩Ｍe隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律與外特性時相似，只是由于每循環(huán)供油量ｇｂ的減少，使其曲線偏低。一、柴油機的速度特性⒉有效功率Ｐｅ曲線的變化規(guī)律有效功率Ｐe與有效轉(zhuǎn)矩Ｍe和轉(zhuǎn)速ｎ的乘積成正比，由于轉(zhuǎn)矩Ｍe隨轉(zhuǎn)速變化不很大，使得功率Ｎe幾乎隨轉(zhuǎn)速成正比增加，其特性曲線近似一斜線，故在最高轉(zhuǎn)速下有最大功率。⒊有效燃料消耗率ｇe曲線的變化規(guī)律根據(jù)燃料消耗率定義式可知，ｇe∝１／ηi﹒ηm。ｇe曲線在整個轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，兩端略有上翹，在某一中間轉(zhuǎn)速最低。當高于此轉(zhuǎn)速時，因ηi和ηm同時下降使ｇe上升；當?shù)陀诖宿D(zhuǎn)速時，充氣系數(shù)ηv降低，加上燃油霧化差，渦流減弱，使ηm同的上升幅度彌補不了ηi的下降幅度，ｇe同樣上升。柴油機的燃料消耗率ｇe曲線變化比較平坦，這說明柴油機在廣泛的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)經(jīng)濟性好。⒊有效燃料消耗率ｇe曲線的變化規(guī)律部分負荷速度特性時，燃料消耗率由于ηm較低而較外特性上的燃料消耗率曲線有所上升，但隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律基本不變。二、汽油機的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲線變化規(guī)律汽油機在低轉(zhuǎn)速時，隨轉(zhuǎn)速的升高，扭矩Ｍe越來越大，在低速區(qū)某一轉(zhuǎn)速時，扭矩Ｍe達最大值。此后，隨轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，扭矩Ｍe反而下降（曲線1）。在部分速度特性（節(jié)氣門在部分開度）時，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，節(jié)氣門開度越小，曲線越陡（圖中2、3、4曲線）。二、汽油機的速度特性⒉有效功率Ｐe曲線的變化規(guī)律當轉(zhuǎn)速從很低值增加時，由于扭矩Ｍe和轉(zhuǎn)速n同時增加,Ｐe迅速上升,直至扭矩Ｍe達到最大值。繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速,Ｐe上升逐漸緩慢,至某一轉(zhuǎn)速時,扭矩與轉(zhuǎn)速的乘積達最大值,Ｐe也達最大值.若轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,由于Ｍe降低的影響已超過轉(zhuǎn)速上升的影響,功率Ｐe反而下降（圖中1'曲線）。二、汽油機的速度特性⒉有效功率Ｐe曲線的變化規(guī)律在部分負荷下工作時，隨著節(jié)氣門開度減小，進氣阻力增大使充氣系數(shù)ηv下降，而且隨著轉(zhuǎn)速的提高ηv下降的速度加快。所以在節(jié)氣門部分開啟時，Ｐe曲線總是低于外特性的Ｐe曲線。而且轉(zhuǎn)速越高，部分特性與外特性的差別就越大，并且功率最大點向低轉(zhuǎn)速方向偏移（圖中2′、3′、4′曲線）。二、汽油機的速度特性⒊有效燃料消耗率ｇe曲線的變化規(guī)律由于燃料消耗率ｇe與ηi﹒ηm成反比關系，在某一中間轉(zhuǎn)速，ηi﹒ηm最大時，ｇe最小。當轉(zhuǎn)速較高時ηm下降較快，而轉(zhuǎn)速較低時ηi下降明顯，都使ｇe上升，因此ｇe曲線呈明顯的下凹形狀（圖中1″曲線）。二、汽油機的速度特性在部分負荷下工作時，燃料消耗率ｇe曲線的變化與Me、Ｐe曲線有所不同。當節(jié)氣門從全開逐漸減小時，混合氣的加濃程度逐漸減輕，ｇe曲線的位置降低。節(jié)氣門開度為80%左右時，ｇe曲線的位置最低（圖中2″曲線）。節(jié)氣門開度再減小，由于殘余廢氣相對增多，燃燒速率下降，使ηi下降，燃料消耗率增加，ｇe曲線的位置又逐漸升高（圖中3″、4″曲線）三、內(nèi)燃機工作的穩(wěn)定性由于汽油機的Ｍe曲線不如柴油機的Ｍe曲線平坦，呈上凸形狀，使得汽油機自動適應阻力矩變化的能力較強，運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性好。為了表示內(nèi)燃機工作的穩(wěn)定性，往往采用適應性系數(shù)Ｋｍ來評定：式中Ｍemax－最大扭矩值；ＭＮｅ—標定功率點的扭矩值三、內(nèi)燃機工作的穩(wěn)定性為改善柴油機工作的穩(wěn)定性，在噴油泵上采用了油量校正器，用來校正油泵特性，使其在最大負荷工況工作時，隨著轉(zhuǎn)速的下降提供額外的供油量，以提高柴油機的適應系數(shù)。

三、內(nèi)燃機工作的穩(wěn)定性汽油機的適應系數(shù)Ｋｍ比較大，一般在1.25～1.45之間，而無校正器的柴油機一般在1.05～1.15之間。汽油機轉(zhuǎn)速變化系數(shù)Ｋｎ的值一般在1.6～2.5之間，無校正器的柴油機一般在1.4～2。有時也用最大扭矩與標定扭矩之差和標定扭矩之比，來表示發(fā)動機克服阻力的能力大小，并將其定義為扭矩儲備系數(shù)μ，即μ＝（Ｍemax－ＭNe）/ＭNe＝Ｋｍ－１。四、調(diào)速器對速度特性的影響兩級式調(diào)速器在ｎ１～ｎ２轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機在稍低于原轉(zhuǎn)速的條件下穩(wěn)定運行而不致使轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降。這就是調(diào)速器的低速穩(wěn)定性。當轉(zhuǎn)速超過ｎ２后，在ｎ２～ｎＮ區(qū)間兩極式調(diào)速器不起作用，內(nèi)燃機的速度特性仍沿原有曲線運行。當轉(zhuǎn)速達到ｎＮ后，若轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，則調(diào)速器高速彈簧起作用，供油量減小，柴油機扭矩迅速下降，使其在稍高于轉(zhuǎn)速ｎＮ條件下運行，柴油機進入怠速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不再上升。四、調(diào)速器對速度特性的影響全程式調(diào)速器當安裝全程式調(diào)速器后，柴油機的速度特性出現(xiàn)了很大的變化，除一外特性仍與原來相同外，其部分特性則由原有的接近橫向改變成近似縱向，其每一個縱向曲線表示一個功率調(diào)節(jié)機構(gòu)的位置（即油門位置）。四、調(diào)速器對速度特性的影響由于柴油機的扭矩曲線過于平坦，這對于保持柴油機穩(wěn)定工作是極其不利的。為此，在柴油機上必須安裝調(diào)速器，其目的主要是：⒈防止超速。⒉保持怠速穩(wěn)定。汽油機由于它的扭矩特性隨轉(zhuǎn)速的變化較陡，特別是在部分速度特性時更為顯著，因此，在高速時超速的可能性很小，即使短時間少量超速，其所產(chǎn)生的危害性也遠不如柴油機那么嚴重，低速時由于其扭矩曲線隨轉(zhuǎn)速下降而上升，能自動進行調(diào)節(jié)，而不會導致熄火，轉(zhuǎn)速基本保持穩(wěn)定。由此可見，汽油機不一定必須安裝調(diào)速器。第三節(jié)內(nèi)燃機負荷特性內(nèi)燃機負荷是指內(nèi)燃機在某一轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，所輸出的功率（或扭矩）與該轉(zhuǎn)速下所能輸出的最大功率（或扭矩）的比值（％）。通常用一定轉(zhuǎn)速下的Pe/Pmax（％）或Me/Mmax（％）來表示內(nèi)燃機負荷的大小。負荷特性是指內(nèi)燃機的性能指標，隨某一轉(zhuǎn)速下的負荷而變化的規(guī)律。表示負荷特性的曲線稱為負荷特性曲線。第三節(jié)內(nèi)燃機負荷特性研究負荷特性的目的是為了了解內(nèi)燃機在各種負荷下工作的經(jīng)濟性。負荷特性也是在試驗臺架上測取的。測量時，先將內(nèi)燃機的供油（點火）提前角、冷卻水溫度、潤滑油溫度等調(diào)整到最佳值。然后將內(nèi)燃機固定在某一轉(zhuǎn)速下，改變循環(huán)供油量（節(jié)氣門開度）的同時調(diào)整測功器的負荷，使轉(zhuǎn)速不變，這樣每調(diào)整一次可測取一個工況點的參數(shù)，把每個工況對應的參數(shù)畫到以負荷為橫軸的坐標上，然后把多個同類參數(shù)點連成線，就得到內(nèi)燃機的負荷特性曲線。一、柴油機的負荷特性當柴油機保持某一轉(zhuǎn)速（通常為標定轉(zhuǎn)速）不變，而改變循環(huán)供油量時，其每小時燃料消耗量ＧT、燃料消耗率ｇe等性能指標隨負荷變化的關系即為柴油機的負荷特性。柴油機是依靠改變循環(huán)供油量來適應外界負荷的變化，這樣的調(diào)節(jié)方法稱為“質(zhì)調(diào)節(jié)”。⒈ＧT曲線的變化規(guī)律當轉(zhuǎn)速n一定時，負荷增加則每循環(huán)供油量ｇｂ也增加，每小時燃料消耗量ＧT隨負荷的增大成正比地增加，但由于氣缸內(nèi)空氣量基本不變，過量空氣系數(shù)α將隨負荷的增加而減小，當每循環(huán)供油量ｇｂ過多時，將使燃燒過程惡化，ＧT雖然增加但功率增加很慢，甚至減小。⒉ｇe曲線的變化規(guī)律當發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時，負荷為零，輸出的有效功率等于零，即ηm=0，所以ｇe無限大。而隨著負荷的增加，機械效率ηm也相應增加，ｇe迅速減小。當負荷到達圖中ｇe曲線Ａ點時，過量空氣系數(shù)減小，熱效率略有下降，但機械效率仍有明顯增加，所以這時的ｇe最低。隨著負荷的進一步增加供油量進一步增加，燃燒不完全，后燃期延長，熱效率急劇下降，引起ｇe上升。超過１點后排氣中會出現(xiàn)黑煙，因此１點稱為“冒煙界限”。供油量增至２點時，功率達到最大值。供油量在此點以后繼續(xù)增加，因燃燒條件極度惡化，功率反而下降。二、汽油機的負荷特性汽油機在一定轉(zhuǎn)速下工作，并且點火提前角和化油器調(diào)整完好時逐步改變節(jié)氣門開度，每小時耗油量ＧT和耗油率ｇe隨負荷變化的關系稱為汽油機的負荷特性。由于汽油機的負荷調(diào)節(jié)，是靠改變節(jié)氣門開度，直接改變進入氣缸的混合氣量，故稱為“量調(diào)節(jié)”。⒈ＧT曲線的變化規(guī)律當汽油機轉(zhuǎn)速一定時，每小時燃料消耗量ＧT主要由決定于節(jié)氣門開度和混合氣成分。節(jié)氣門開度由小逐漸加大時，進入氣缸的混合氣量逐漸加多，ＧT也隨之增加。當節(jié)氣門開度增加全開度的７０％～８０％以后，化油器的加濃裝置開始起作用，使混合氣變濃，因而ＧT增加得更快。⒉ｇe曲線的變化規(guī)律當發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)時，輸出的有效功率為０，即機械效率ηm＝０，油耗率ｇe可以認為是無限大。隨著負荷增加，因此使ｇe逐漸減小，當負荷增加到６０％～７０％時，ｇe達到最低值。當節(jié)氣門接近全開時，為了發(fā)出最大功率，加濃裝置起作用，供給α＜1的濃混合氣，因燃燒不完全，ｇe又復增加。第三節(jié)內(nèi)燃機負荷特性負荷特性主要是評價發(fā)動機工作的經(jīng)濟性。在同一轉(zhuǎn)速下，最低油耗率ｇemin值越小，經(jīng)濟性越好。ｇe曲線的變化越平坦，表示在負荷變化較廣的范圍內(nèi)，能保持較好的燃料經(jīng)濟生。選用內(nèi)燃機時，在滿足動力性要求的前提下，常用負荷應接近經(jīng)濟負荷（60％～70％），不宜裝用功率過大的內(nèi)燃機，以求提高功率利用率。第四節(jié)萬有特性萬有特性是表示內(nèi)燃機運行時性能變化的多參數(shù)特性。應用最廣的萬有特性是以轉(zhuǎn)速為橫座標，平均有效壓力為縱坐標，在圖畫出等燃料消耗曲線、等功率曲線等組成的曲線族。第四節(jié)萬有特性最內(nèi)層的等ｇe曲線相當于最經(jīng)濟區(qū)域，曲線越向外，經(jīng)濟性越差。車用內(nèi)燃機的最經(jīng)濟區(qū)最好在萬有特性的中間位置，使常用轉(zhuǎn)速和負荷落在最經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)，并希望等油耗ｇe曲線在橫向較長。第四節(jié)萬有特性一般在萬有特性曲線圖中有以下一些特征點:點A，是帶調(diào)速器的柴油機最高轉(zhuǎn)速點。這時調(diào)速手柄位置最大，外界負荷為零，通常稱為最高空轉(zhuǎn)速點。點B，是內(nèi)燃機的標定功率點。點C，是最大功率Ne或最大扭矩Me特征點。由此可以獲得對汽車拖拉機工程機械內(nèi)燃機十分重要的扭矩儲備系數(shù)μ。第四節(jié)萬有特性一般在萬有特性曲線圖中有以下一些特征點:點D，是標定功率速度特性（外特性）上的最低穩(wěn)定點，從這點開始，內(nèi)燃機幾乎不能承受外界負荷的微小變動，只要變動一點負荷，轉(zhuǎn)速將發(fā)生嚴重波動，使內(nèi)燃機很容易熄火。此外，還有最低空轉(zhuǎn)點，即內(nèi)燃機的怠速點。第五節(jié)內(nèi)燃機的功率標定及大氣修正一、功率標定按照我國標準GB1105-87《發(fā)動機臺架性能試驗方法》規(guī)定，我國發(fā)動機的功率可以分為四級，分別為：1、15min功率

15min功率為發(fā)動機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)15min的最大功率，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、軍用車輛和快艇等用途的發(fā)動機。第五節(jié)內(nèi)燃機的功率標定及大氣修正2、1h功率

1h功率為發(fā)動機允許連續(xù)運轉(zhuǎn)1h的最大功率，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發(fā)動機。3、12h功率

12h功率為