内燃机的特性与匹配(上).ppt

内燃机学 第八章 内燃机的特性与匹配,山东大学 能源与动力工程学院 程 勇,第八章 内燃机的特性与匹配,常用Ttq、n或Pe、n表征稳定运行的工况点。 内燃机工作区域限定在一定范围内，上边界线为最大供油量时，不同转速下内燃机所能发出的最大功率；,左侧为最低稳定工作转速限制线； 右侧为最高转速限制线，高于它，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。,内燃机工况分类,第一类工况，负荷变化时，转速几乎保持不变；又被称为固定式内燃机工况。在工况图上是一条垂线，称为线工况。灌溉用内燃机，在运行过程中负荷与转速均保持不变，称为点工况。 第二类工况，功率与转速接近于幂函数关系，当内燃机作为船用主机驱动螺旋桨时，螺旋桨吸收功率与转速成幂函数关系。该类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况，也属于线工况。 第三类工况，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，都属于这种工况。,二、内燃机的负荷特性,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。 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。 负荷特性的横坐标通常是Ttq 、Pe、pme三个参数之一，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m等。,图8-2 内燃机负荷特性,a) 柴油机 b) 汽油机,负荷特性曲线提示,内燃机的最低燃油消耗率越小，经济性越好； 油耗曲线变化越平坦，表示在宽广的负荷范围内，能保持较好的燃油经济性，这对于负荷变化较大的车用发动机尤为重要。 无论柴油机还是汽油机，在低负荷区，燃油消耗率均显著升高。 为使内燃机在使用时具有良好的经济性，不仅要求油耗低，更希望常用负荷接近经济负荷，这对于节省燃料具有很大的意义。,性能分析依据,(一)非增压柴油机的负荷特性,转速不变，c基本不变， pmm变化不大。 当负荷变化时，gb变化。负荷 ，gb ， a 。 负荷为零时，pme=0，m=0，be= 负荷 ，pme ， m ，be ，某一负荷达到最低值。,(一)非增压柴油机的负荷特性,负荷 ， a ，混合气形成与燃烧开始恶化， it ，其速度逐渐超过m 速度，be 。若负荷继续 ，空气相对不足，燃料无法完全燃烧， be ，且大量冒黑烟，若负荷再 ，Pe 。 柴油机存在一个“冒烟界限”，一般不允许超过冒烟界限工作。 Gb取决于每循环供油量，它随负荷的而 ，在中、小负荷段近似呈线性，在接近冒烟界限前后，由于燃烧的恶化， Gb 。,增压柴油机的负荷特性,随负荷增大，排气能量加大，增压器转速上升。增压压力变大、进气密度提高，所以在高负荷时，其过量空气系数以及指示热效率变化不大。 燃油消耗率曲线较为平坦。与非增压内燃机所不同的是，限制增压内燃机平均指示压力提高的主要因素是最高燃烧压力，而不是排气烟度。 增压柴油机的最大烟度一般出现在平均有效压力较低时。,(二)汽油机的负荷特性,汽油机改变进入气缸的混合气数量改变负荷， a变化不大。 与柴油机相比： 1) 汽油机的be普遍较高，从空负荷向中、小负荷段过渡时下降缓慢，仍维持在较高水平。 2) 汽油机排温普遍较高，且与负荷关系较小。 3) 汽油机的be曲线弯曲度较大。 造成汽油机与柴油机be差异的主要原因是it的差异。柴油机c高， a大， it高，因而be低。,柴油机、汽油机it的变化趋势,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，gb随负荷而 ，这样a就随负荷的而，因此， it也就随负荷的而； 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it明显，而在低负荷时，由于节气门开度小， r较大，燃烧速率，需采用浓混合气，加之当负荷减小时pp ，导致it；这样、汽抽机的be在中、小负荷区远高于柴油机。,柴油机、汽油机排气温度曲线的差异,汽油机的c低，相应的膨胀比也低，排温就要比柴油机高。负荷变化时，混合气总量的增加引起进入气缸总热量增加，使排温随负荷的提高而上升，但由于在大部分区域内a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， a随之降低，排温显著上升。,三、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保持不变的情况下，主要性能指标随内燃机转速的变化规律。 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，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。 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。,图8-3 内燃机的速度特性,a) 柴油机 b) 汽油机,图8-4 柴油机外特性上有关参数的变化,柱塞式供油泵， 1 油量校正装置 2、3 有装校正装置,(一)柴油机的速度特性,在柴油机中，Ttqgb it m。 当油量调节机构无油量校正装置时，随n，gb ，加装校正装置后，n时可以保持gb基本不变或略有上升。 n ， c由于气流速度的下降、节流损失的而 ，这对改善燃烧、提高it有好处。然而， n ，出于不能利用气流惯性进行过后充气， c ， it ， n ，pmm ， it及c有适当的 ，特别是pmm的占主导地位，故机械效率m将随n而 。,(一)柴油机的速度特性,无油量校正装置， n时，gb，m、it 。使得柴油机外特性上的Ttq曲线很平坦。 部分负荷速度持性上，在n 时c ，导致it ，且gb ， it 幅度超过了m随n而的幅度，因而转炬曲线n而。,柴油机速度特性上be的变化,柴油机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。 be在某一中间转速时最低，当转速高于此转速时， m和it同时下降而使be上升；而当转速低于此转速时， c下降，加上燃油雾化差，涡流减弱，使得m的上升弥补不了it的下降幅度，be同样上升。 在部分负荷速度持性，be整体水平由于m较低而较外特性上的be曲线有所上升，但随转速的变化趋势基本与外特性相似。,(二)汽油机的速度特性,汽油机与柴油机速度特性差别： 1) 柴油机转矩曲线比较平坦，在中、低负荷区，转矩甚至随转速升高而增大；而汽油机转矩随转速升高而降低，节气门开度越小，降低的斜率越大，最大功率和对应的转速降低； 2)柴油机的燃油消耗率曲线比较平坦，仅在两端略有翘起，最经济区的转速范围宽；汽油机油耗曲线的翘曲度随节气门开度减小而增大，相应最经济区的转速范围越来越窄。 汽油机采用定质变量的负荷调节方法，转矩取决于c。,(1)汽油机it随n变化,外特性曲线上，n，气缸内气流扰动 ，火焰传播速度 ，传热损失以及漏气损失，导致it略有 ：n ，由于以曲轴转角计的燃烧持续期 ，pp ，it ，故曲线整体呈现马鞍形的上凸状。 部分负荷， n ，节气门的节流作用 ，pp ，it ，而且随节气门开度 ，下降幅度更大。,(2)汽油机c随n变化,外特性下，c曲线在某一中间转速处呈上凸状，低于或高于此转速都有一定幅度的下降。 节气门部分开度时，进气节流严重，进气阻力增加， c减小，且随转速升高， c下降的斜率也增大；,图8-5 汽油机c随n变化 数字越大，则节气门开度越小。,转速降低时，进气阻力减小，节气门的节流作用减弱， c增加。,3) 汽油机m随n的变化,在外特性上，n pmm m 。 部分负荷速度特性上，节气门处于部分开度， m 随n而的斜率比节气门全开时大，这是因为npmm ，而c和it则随n而 pmi 。当n高于某一值后，会出现pmi=pmm的情况， it =0。,图8-5 汽油机m随n的变化 数字越大，则节气门开度越小,图8-6 阻力变化时内燃机工作点的过渡情况,在na点Ttq与阻力矩平衡。 阻力 ，内燃机从工况a 1、沿速度特性工作的内燃机驱动转矩增大了Ttq1，n相应降低了n1。 n而Ttq ，以克服外界阻力的变化；,图8-6 阻力变化时内燃机工作点的过渡情况,转矩曲线较平坦时，则从工况a 2时，n较多(n2 n1)而Ttq 不多(Ttq2 Ttq1 )；表明，内燃机转矩曲线越陡，运转的稳定性和操纵性能就越好。,衡量内燃机工作稳定性能的指标,衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数KT和转速适应性系数Kn。 转矩适应性系数是指外特性上最大转矩Ttqmax，与标定转矩Ttqn之比，即,衡量内燃机工作稳定性能的指标,转速适应性系数Kn是指标定转速nn与外特性上最大转矩对应的转速nm之比，即,转矩储备系数表示发动机克服阻力能力的大小，用最大转矩与标定转矩之差与标定转矩的相对值表示，即,柴油机的转矩适应性系数,汽油机的转矩适应性系数KT较大，一般在1.251.35之间，转速适应性系数Kn约1.62.5。 柴油机转适应性系数小，KT值一般1.05(无校正时)，Kn约为1.42.0。 柴油机KT小的原因，在于n时， c ，然而gb 。如果采取有效的油量校正措施，使n时gb ，则非增压柴油机的KT可达1.151.25。 对增压柴油机，由于空气流量随n而 ，因此，增压柴油机的KT一般比非增压要小一些，大致在1.051.17左右。在追求较高转矩储备性能而采用持殊匹配技术时，其KT可达1.351.5。,四、万有特性,速度特性和负荷特性都只能表达某一转速或某一油门开度下两个参数之间的关系。由于柴油机工况变化范围广，在分析工况时仅有两个参数之间的关系，很不方便，为了能在一张图上全面表示柴油机性能，常需要多参数特性曲线即万有特性曲线。 一般的万有特性曲线以横坐标表示柴油机的转速，纵坐标代表平均有效压力或有效扔矩，并在图上同时画出等油耗率曲线。,图8-7 内燃机的万有特性,a)汽油机 b)柴油机,1负荷特性作图法（柴油机）,2速度特性作图法（汽油机）,万有特性作图法。 柴油机依据不同转速下的负荷特性作图； 汽油机据不同节气门位置的速度特性作图； 也可采用数值计算方法对大量的试验数据进行回归及等值线的插值运算作图。,(二)万有特性的应用,在万有特性图上，最内层的等燃油消耗率曲线相当于内燃机运转的最经济区域，等值曲线越向外，经济性越差。 如果该曲线的形状在横向上较长，则表示内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下工作时，燃油消耗率变化较小。 如果曲线形状在纵向较长，则表示内燃机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，油耗率变化较小。,(二)万有特性的应用,对于汽车用内燃机，最经济区域应大致在万有特性的中间位置，这样常用转速和负荷就可以落在最经济区域内，并希望等燃油消耗率曲线在横向较长。 对于拖拉机以及工程机械用内燃机，其转速变化范围较小而负荷变化范围较大，最经济区域应在标定转速附近，并沿纵向较长。,(二)万有特性的应用,调速特性,在调速器起作用时，柴油机扭矩Ttq、功率Pe、耗油率be、小时耗油量GT等性能指标随转速或负荷变化的关系称为调速特性。 调速手柄固定于某一位置时的调速特性一般有两种表达形式： 以负荷作为横座标，相当于负荷特性的形式，其纵座标可以用Ttq、pe或Pe表示。 是以转速为横座标的调速特性，相当于速度特性的形式。,调速特性曲线,调速特性工况变化变化,调速手柄位置一定，柴油机在一定的转速范围内工作。 外界阻力矩为M1时，柴油机扭矩与阻力矩平衡于a点。柴油机稳定在转速nl下工作。此时，飞球离心力与弹簧力平衡。 阻力矩减至M2，转速增加，离心力增大，克服弹簧力，减少供油量，扭矩下降至b点，与阻力矩M2相平衡，重新稳定在n2下工作。,调速特性工况变化变化,当外界负荷全部卸掉，转速迅施上升，离心力使油量调节拉杆左移至最小供油量，即柴油机空转，转速为n3，即c点。 外界阻力矩增加时，转速降低，弹簧力大于离心力轴向分力，增加供油量，柴油机的扭矩也相应增加，直至与外界阻力相平衡为止。,调速器起作用转速调节,由于调速器的作用，柴油机的扭矩曲线得到改造，它随转速而急剧变化，可由最大到零或由零变到最大，转速却变化很少，从而保证了柴油机的工作稳定。 通过调速手柄可改变弹簧预紧力，不同的预紧力，与之平衡的离心力也不同，则调速器起作用的转速不同，预紧力小，克服弹力所需离心力小，调速器起作用的转速便低。因此根据工作需要只要改变调速手柄的位置，就可得到不同转速下的调速特性。,螺旋桨推进特性,柴油机驱动螺旋桨时，柴油机按螺旋桨吸收特性工作，驱动发电机，柴油机的转速不变，负荷随螺旋桨吸收功率的规律变化。 螺旋桨所吸收的扭矩为 螺旋桨所吸收的功率为 水的密度，公斤秒/米4 D螺旋桨直径，米 nB螺旋桨转速，转/秒,螺旋桨推进特性,螺旋桨推进特性分析,(1) c的变化规律与速度特性类似， c影响很小 (2)由于Pen3，随n增加较快，且c下降较快，因此，n，gb。 (3)柴油机按螺旋奖特性运行时，n a ，燃烧条件也变坏得较快， it 。 (4) n pmm ，但Pe m。 (5) n it ， m be ，在非增压柴油机中，当n到一定程度后，由于pmm增加较快， m 变慢，而it由于a剧烈地而加快，结果be。在增压柴油机中，这种情况不明显。,五、内燃机的功率标定及大气修正,(一)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。,五、内燃机的功率标定及大气修正,(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。,(二)大气修正,标准大气状况 一年中最常出现的大气状况作标准大气状况，同时为了向国际标准靠拢。 一般用途内燃机 p0标准大气压力 100kPa T0 标准温度 298K（25C） 0 相对湿度 30（水蒸气分压为1kPa） Tc0 中冷器进口冷却介质温度 298K,二、柴油机标准功率换算,油泵齿条位置在出厂时已封死，用户不会因大气状况不同而调，随大气状况的变化， a在变化，因此，对柴油机采用等供油量法。 设定条件与理论基础 公式由西班牙、英国专家进行全天候试验后对结果简化而来，其中加入了许多假定条件。 循环供油量不变。（到西藏高原必须调循环供油量，此时不能用等供油量法） 过量空气系数a不变时，其指示热效率不变，当a变化时，其指示热效率i也变化，Pi随之变化。(我们的目的是找出Pi的变化规律)。,有效功率Pe对进气量GA与燃油量GF的敏感性,当小负荷时，GA增加，Pe不敏感（此时空气足够多，再增加空气无大影响）；Gf增加， Pe敏感（Gf 增加， Pe成倍增加）。 当大负荷时（超、满负荷），GA增加， Pe敏感（成倍增加）；Gf增加， Pe不敏感（此时燃油足够多，再增加空气只能增加烟度）。 不同的供油量对GA有不同的影响，即不同的Gf时， Pe对GA的敏感性不同，反之亦然。 （最后对不同机器得出一个带，取中间的一种作为修正）,校正公式,fa大气因素 标准状况下进气量与实际进气量之比。,校正系数,与温度有关 s指干空气,油量修正系数,fm表示空气比增量对单位有效功率的影响，称油量修正系数或柴油机特性指数。,大量试验统计得出,式中,k增压度，（非增压机k1 ） g每循环单位气缸容积的供油量，单位：毫克,柴油机燃油耗率的换算公式,按等供油量法,其中等供油量的,三、汽油机功率修正,假设条件及理论依据 空燃比a不变时，指示热效率i不变； i不变，Pi与G