第五章 运行特性与整车匹配

1、 一、一、 内燃机运行工况内燃机运行工况 稳定工况（稳定工况（ ， ） tq Tn 运行工况运行工况 工况：工况：代表代表ICE运行状态的参数（运行状态的参数（ ， ） n tq T 动态变工况（瞬态工况）动态变工况（瞬态工况） )(tfn )(tgTtq 二、二、 工况平面工况平面 以以 和和 为坐标轴构成的平面。为坐标轴构成的平面。 n tq T 1、点工况、点工况 ICE大多稳定工作在某一稳定工况点。如：抽水机。大多稳定工作在某一稳定工况点。如：抽水机。 转矩外特性转矩外特性 功率外特性功率外特性 调速特性线调速特性线 标定工况点标定工况点 最低稳定转速最低稳定转速 限制线限制线 线工况

2、（发电机）线工况（发电机） 反拖线反拖线 空转转速线空转转速线 螺旋桨特性（船舶）螺旋桨特性（船舶） 最高转速最高转速 最大转矩转速最大转矩转速 点工况点工况 面工况面工况 标定转速标定转速 2、线工况、线工况 发电机组：近等速发电机组：近等速 3 nkP e 船舶船舶 ：螺旋桨特性：螺旋桨特性 ICE按某一确定线段运行按某一确定线段运行 3、面工况、面工况 ICE运行工况点构成的工况平面。如：运输车辆、坦克运行工况点构成的工况平面。如：运输车辆、坦克 三、三、 内燃机功率标定内燃机功率标定 标定工况：标定工况：ICE铭牌上规定铭牌上规定 和和 en P n n 15分钟功率分钟功率 ICE可

3、连续运行可连续运行15min仍能保持正常状态的最大功率。仍能保持正常状态的最大功率。 如：汽车、摩托车、摩托艇如：汽车、摩托车、摩托艇 如：船舶、机车、发电机组。如：船舶、机车、发电机组。 1小时功率小时功率 ICE可连续运行可连续运行1h仍能保持正常状态的最大功率。仍能保持正常状态的最大功率。 如：拖拉机、工程机械如：拖拉机、工程机械 12小时功率小时功率 ICE可连续运行可连续运行12h仍能保持正常状态的最大功率。仍能保持正常状态的最大功率。 如：拖拉机、抽水机如：拖拉机、抽水机 持续功率持续功率 ICE可持续长时间仍能保持正常状态的最大功率。可持续长时间仍能保持正常状态的最大功率。 一、

4、特性、特性曲线及分类一、特性、特性曲线及分类 1、ICE特性特性 在一定条件下，在一定条件下，ICE特性指标、特性参数随各种可变因素特性指标、特性参数随各种可变因素 的变化规律。的变化规律。 特性指标：特性指标：动力性、经济性、排放；动力性、经济性、排放； 特性参数：特性参数：对性能有影响的参数，对性能有影响的参数， 、 、 等。等。 t a c 特性特性 动态特性动态特性 稳态特性稳态特性 调整特性调整特性 运行特性运行特性 转速延迟转速延迟 转矩延迟转矩延迟 动态转矩动态转矩 动态转速动态转速 怠速怠速 稳态转矩稳态转矩 A B SI-ICE 动态特性动态特性 动态特性问题：动态特性问题：

5、 转速和转矩升高延迟；转速和转矩升高延迟； 转速转矩稳定延迟；转速转矩稳定延迟； 加速性能低于对应的稳态性能。加速性能低于对应的稳态性能。 原因：原因： 机件惯性阻力，降低有效功率输出；机件惯性阻力，降低有效功率输出； 进气充量惯性及动态效应的变化，使充量系数下降；进气充量惯性及动态效应的变化，使充量系数下降； 加速过程中水温、油温、油压等未达到稳定状态，加速过程中水温、油温、油压等未达到稳定状态， 点火提前角等调整参数受机件惯性影响，不是最佳值。点火提前角等调整参数受机件惯性影响，不是最佳值。 油门瞬时变化，混合气组织不理想；油门瞬时变化，混合气组织不理想； 调整特性调整特性 转速和油量调节

6、位置不变转速和油量调节位置不变(节气门或油量调节杆节气门或油量调节杆)，发动机，发动机 性能指标随调整参数的变化规律性能指标随调整参数的变化规律 。(目的目的:使发动机性能最优使发动机性能最优) 调整参数：调整参数：影响影响ICE性能和排放的各种参数；性能和排放的各种参数； 如：如： 、 、 、 、配气相位，配气相位， 气门升程，气门升程， 歧管长度，歧管长度， 涡轮喷嘴流通面积等。涡轮喷嘴流通面积等。 ig fj a 作用：作用：实现实现ICE性能与排放的优化控制。性能与排放的优化控制。 GT-POWE计算计算 进气管长度进气管长度 MAP 原机功率原机功率优化功率优化功率 机械式点火系统点

7、火提前角机械式点火系统点火提前角MAP 电子点火系统点火提前角电子点火系统点火提前角MAP 二、运行特性及分析方法二、运行特性及分析方法 cn 负荷特性负荷特性 c 速度特性速度特性 油门开度油门开度 在一定条件下，在一定条件下，ICE性能指标随运行工况参数（转速、转性能指标随运行工况参数（转速、转 矩）的变化规律。矩）的变化规律。 负荷, nf 全特性全特性 性能指标性能指标 作用：作用：寻找寻找ICE的运行区域，与相应机械匹配。的运行区域，与相应机械匹配。 运行特性运行特性 in TR p V l H P ss s sc a u mtce 2 0 运行特性分析方法运行特性分析方法 umtc

8、 e H b 1 i TR p V l H T ss s sc a u mtctq 0 in TR p V l B ss s sc a 21 0 CI-ICE化简式化简式 ngKB gKT K b ngKP b bmittq mit e bmite 8 7 6 5 SI-ICE化简式化简式 nKB KT K b nKP a c a c mittq mit e a c mite 4 3 2 1 分析方法分析方法 理论分析各变量的变化规律，经叠加，理论分析各变量的变化规律，经叠加， 得到性能变化规律得到性能变化规律 一、一、SI-ICE速度特性分析速度特性分析 1、指示效率、指示效率 低速时，指示

9、效率小低速时，指示效率小 l总热量小总热量小漏气量大；漏气量大； l等容度小等容度小速度低，湍流弱；速度低，湍流弱； l散热损失大散热损失大活塞速度低。活塞速度低。 高速时，指示效率小高速时，指示效率小 等容度下降等容度下降燃烧持续曲轴转角大。燃烧持续曲轴转角大。 高、低负荷混合气加浓，指示效率小于中等负荷。高、低负荷混合气加浓，指示效率小于中等负荷。 指示效率曲线形状：两头略低，中间平坦指示效率曲线形状：两头略低，中间平坦 2、机械效率、机械效率 转速增大，机械效率下降转速增大，机械效率下降转速升高，机械损失增大。转速升高，机械损失增大。 3、容积效率、容积效率 低速时：随转速的下降，工质温

10、升提高，充量系数下降；低速时：随转速的下降，工质温升提高，充量系数下降； 高速时：转速升高，进气压降增大，充量系数下降。高速时：转速升高，进气压降增大，充量系数下降。 4、混合气浓度、混合气浓度 转速升高，燃烧速度加快，可燃烧稀混合气。转速升高，燃烧速度加快，可燃烧稀混合气。 大负荷和小负荷，混合气需要加浓大负荷和小负荷，混合气需要加浓 n a c mittq KT 3 mit e K b 2 nTKP tqe1 tq T 全全 中中 小小 e P 全全 中中 小小 e b 小小 全全 中中 i b 小小 中中 全全 二、二、CI-ICE速度特性分析速度特性分析 低速时，指示效率小低速时，指示

11、效率小 l总热量小总热量小漏气量大；漏气量大； l等容度小等容度小速度低，速度低， 涡流、挤流弱；涡流、挤流弱； l散热损失大散热损失大 活塞速度低。活塞速度低。 高速时，指示效率小高速时，指示效率小 等容度下降等容度下降燃烧持续燃烧持续 曲轴转角大曲轴转角大 n bmittq gKT 7 nTKP tqe1 mit e K b 6 tq T 全全 中中 小小 e P 全全 中中 小小 e b 全全 中中 小小 i b 全全 中中 小小 tq T maxe P e b 三、三、SI-ICE和和CI-ICE速度特性对比速度特性对比 SI-ICE斜率大；斜率大；CI-ICE平坦平坦容积效率受节气门

12、影响大容积效率受节气门影响大 SI-ICE是标定功率，是标定功率，CI-ICE不是标定功率不是标定功率 CI-ICE较平坦较平坦受指示效率影响。受指示效率影响。 四、外特性对汽车动力性影响四、外特性对汽车动力性影响 1、汽车动力性评价指标、汽车动力性评价指标 在平直良好路面上，汽车能达到的最高稳定车速。在平直良好路面上，汽车能达到的最高稳定车速。 最低档运行的最大爬坡度。最低档运行的最大爬坡度。 起步加速时间：起步、换挡到某一车速起步加速时间：起步、换挡到某一车速 最高稳定行驶车速最高稳定行驶车速maxa v 最大爬坡度最大爬坡度 max i 加速时间加速时间 a t 基础条件：基础条件：满载

13、、风速小于满载、风速小于3m/s 超车加速时间：直接档从低速到高速时间超车加速时间：直接档从低速到高速时间 车速与内燃机转速关系车速与内燃机转速关系 全油门全油门 与车速关系与车速关系 t F 与车速关系与车速关系 R F maxa v max i 驱动力行驶阻力驱动力行驶阻力 平衡图平衡图 驱动力；驱动力； 行驶阻力；行驶阻力； 最高车速；最高车速； 最大爬坡度。最大爬坡度。 t F R F maxa v max i 汽车功率平衡图汽车功率平衡图 Rt PP 最佳换档点最佳换档点 功率储备；功率储备；or 加速功率；加速功率；or 后备功率。后备功率。 Rt PP 1档档2档档3档档 驱动功

14、率驱动功率 阻力功率阻力功率 加速时间计算：加速时间计算： m d d F t v a a 加速驱动力：加速驱动力： a t v Rta vm d d PPP a 加速功率：加速功率： a v Rt a t d PP vm d 时间计算：时间计算： a a ab v v vRt a d PP v mt max max最大加速时间：最大加速时间： r iiT F taktq t 0 车轮驱动力：车轮驱动力： etat PP 驱动功率：驱动功率： 2、外特性曲线的动力适应性与特性校正、外特性曲线的动力适应性与特性校正 转矩适应性系数：转矩适应性系数： ICE转矩外特性线上，最高转矩与标定功率点转矩

15、的比值。转矩外特性线上，最高转矩与标定功率点转矩的比值。 tqn tq T T T K max 转矩储备系数：转矩储备系数： ICE转矩外特性线上，最高转矩和标定功率点转矩的差，转矩外特性线上，最高转矩和标定功率点转矩的差， 与标定功率点转矩的比值。与标定功率点转矩的比值。 1 max T tqn tqntq K T TT 转速适应性系数：转速适应性系数： ICE标定转速与外特性线上标定转速与外特性线上 最大转矩转速的比值。最大转矩转速的比值。 tq n n n n K tqR T 1 2 3 1tq n 2tq n A n n 1 2 3 3tq n l最大转矩相同的最大转矩相同的1和和2

16、12tqtq nn 21nn KK 21tqRtqR TT 转速适应性系数越大，转速适应性系数越大， 克服阻力能力强。克服阻力能力强。 l对于对于1和和3 31tqtq TT 31tqRtqR TT 转矩适应性系数越大，转矩适应性系数越大， 克服阻力能力强。克服阻力能力强。 SI-ICE： CI-ICE（未校正）：（未校正）： 35. 125. 1 Tg K 05. 1 Td K 5 . 26 . 1 ng K 0 . 24 . 1 nd K 未校正的未校正的CI-ICE转矩线比较平坦转矩线比较平坦 SI-ICE CI-ICE n n A tqg n B tqd n C d n F g n E

17、 tqR T lSI-IC相对于相对于CI-ICE 具有较低的稳定转速具有较低的稳定转速 lSI-IC相对于相对于CI-ICE具有具有 更高的转矩适应性系数更高的转矩适应性系数 （或储备系数）和转速适（或储备系数）和转速适 应性系数应性系数 SI-ICE比未校正的比未校正的CI-ICE 具有具有更好的动力更好的动力适应性适应性 2、外特性曲线的动力适应性、外特性曲线的动力适应性 CI-ICE需要转矩校正和调速需要转矩校正和调速 五、外特性曲线的运行稳定性与柴油机调速特性五、外特性曲线的运行稳定性与柴油机调速特性 1、ICE稳定工作原理稳定工作原理 SI-ICE具有良好的具有良好的 运行稳定性。

18、运行稳定性。 2tq T 1tq T 1R T 2R T 1 n B n SI-ICE n tq T 0 n o2 o1 A 标定点运行时，快速标定点运行时，快速 下降的转矩线，不会出下降的转矩线，不会出 现现“超速超速”现象；现象； 小负荷时，快速下降小负荷时，快速下降 的转矩线，具有良好的转矩线，具有良好 的自调节特性；的自调节特性； 2 n C 2tq T 1tq T 3tq T 2R T 1R T 3R T CI-ICE o1 o2 0 n A 2 n 1 n B C n tq T n n C CI-ICE的运行稳定的运行稳定 性较差。性较差。 标定点运行时，平坦的标定点运行时，平坦的

19、 转矩线，易出现转矩线，易出现 “超速超速”现象；现象； 小负荷时，上翘的小负荷时，上翘的 转矩线，使稳定性转矩线，使稳定性 较差。较差。 必须使用调速装置，必须使用调速装置， 以调整以调整CI-ICE的运的运 行稳定性。行稳定性。 调速特性调速特性 2、CI-ICE的两种基本调速器的两种基本调速器两极和全程调速器两极和全程调速器 调速器的功能调速器的功能：高速不超速，低速稳定运行。高速不超速，低速稳定运行。 调速特性调速特性：调速器起作用时，调速器起作用时，CI-ICE的性能指标随转速的性能指标随转速 或负荷的变化规律。或负荷的变化规律。 调速特性调速特性 油门操纵杆油门操纵杆 凸轮轴凸轮轴

20、 支架支架 飞锤飞锤 油量调节拉杆油量调节拉杆 弹簧座弹簧座 从动杆从动杆 怠速弹簧怠速弹簧 高速弹簧高速弹簧 z 滑套滑套 1 z p 2 A E 支持力：支持力： znfA pp , 2 恢复力：恢复力： )(zfE 操纵杆与调速无关操纵杆与调速无关 两极调速器两极调速器 凸轮轴凸轮轴 支架支架 飞锤组件飞锤组件 全负荷油量调整螺钉全负荷油量调整螺钉 校正弹簧校正弹簧 稳定弹簧稳定弹簧 支撑摆杆支撑摆杆 怠速限位螺钉怠速限位螺钉 调速弹簧调速弹簧 支持力支持力 恢复力恢复力 起动弹簧起动弹簧 操纵杆操纵杆 全程调速器全程调速器 两种调速器的比较两种调速器的比较 性能性能全程调速器全程调速器

21、两极调速器两极调速器 转速控制性能转速控制性能 各工况均可控制转速在较小范各工况均可控制转速在较小范 围内波动围内波动 高、低速控制转速在小范围内高、低速控制转速在小范围内 波动波动 过渡过程性能过渡过程性能 加速性能好，但加减速有前后加速性能好，但加减速有前后 颠簸感颠簸感 加速过渡平稳，无颠簸感加速过渡平稳，无颠簸感 操作性能操作性能 踏板力大，但无需反复调整踏踏板力大，但无需反复调整踏 板位置板位置 踏板力小，但需经常调整踏板踏板力小，但需经常调整踏板 位置位置 排放情况排放情况加速时，易排烟加速时，易排烟 除全负荷工况，其它工况排烟除全负荷工况，其它工况排烟 少少 作业效率作业效率 满

22、负荷减速时，只需减小加速满负荷减速时，只需减小加速 踏板位置，不需频繁换挡，作踏板位置，不需频繁换挡，作 业效率高业效率高 满负荷减速时，转矩下降，必满负荷减速时，转矩下降，必 须换低档，作业效率低须换低档，作业效率低 六、提高汽车动力性的措施六、提高汽车动力性的措施 ICE合理选配合理选配 优点：体积小、重量轻、加速性好优点：体积小、重量轻、加速性好 缺点：油耗高、输出功率低缺点：油耗高、输出功率低 优点：输出功率高、油耗低优点：输出功率高、油耗低 缺点：转速低、噪声大、重量大缺点：转速低、噪声大、重量大 SI-ICE CI-ICE ICE 当前技术条件下：当前技术条件下：SI-ICE用于轿

23、车、家庭机械等；用于轿车、家庭机械等； 中重型运输机械等用中重型运输机械等用CI-ICE。 套合适的外特性线套合适的外特性线 针对用途，配套合适的外特性线，达到需要的转矩储备。针对用途，配套合适的外特性线，达到需要的转矩储备。 v v c v d v d v c v R P R F t F a v a v 无级变速无级变速 无级变速无级变速 t P 结论：结论： l档位越多，储备功率越大；档位越多，储备功率越大； l无级变速具有最大的储备功率；无级变速具有最大的储备功率； l无级变速可获得更高的最高车速；无级变速可获得更高的最高车速； l无级变速可获得更大的低速车轮驱动力。无级变速可获得更大的

24、低速车轮驱动力。 负荷特性：负荷特性：ICE的转速不变时，性能指标和特性参数的转速不变时，性能指标和特性参数 随负荷的变化规律。随负荷的变化规律。 用途：用途：分析分析ICE的经济性的经济性 一、一、SI-ICE负荷特性负荷特性 特点：特点：在在80%90%负荷负荷 最低，且变化速度快。最低，且变化速度快。e b 原因：原因：指示效率和机械效率具有相似的变化规律。指示效率和机械效率具有相似的变化规律。 二、二、CI-ICE负荷特性负荷特性 特点：特点：存在较宽的存在较宽的 低值区域。低值区域。e b 原因：原因：指示和机械效率相反的变化规律。指示和机械效率相反的变化规律。 a B c 负荷负荷

25、 SI-ICE负荷特性分析负荷特性分析 e b it m 负荷负荷 i b nKB a c 4 ime bb iti Kb/ 转速一定转速一定 负荷负荷 负荷负荷 ngKB b8 转速一定转速一定 maxe P es P en P B b g maxe P es P en P it m i b e b ime bb iti Kb/ CI-ICE负荷特性分析负荷特性分析 e P e b 三、三、SI-ICE和和CI-ICE负荷特性对比负荷特性对比 maxe P en P SI-ICE CI-ICE 转速不变转速不变 mine b 小负荷差距大小负荷差距大 两种机型的指示效率随负荷变化，表现出相反

26、的变化规律；两种机型的指示效率随负荷变化，表现出相反的变化规律； CI-ICE存在较宽的低油耗区；存在较宽的低油耗区； 同等负荷下，同等负荷下，SI-ICE的有效燃油消耗率高于的有效燃油消耗率高于CI-ICE； 中小负荷差距加大。中小负荷差距加大。 四、内燃机的全特性（万有特性）四、内燃机的全特性（万有特性） 全特性：全特性：ICE转速和负荷均变化时性能指标和特性参数的转速和负荷均变化时性能指标和特性参数的 变化规律。变化规律。 用途：用途：表达各种经济性和各种特性参数的变化工况区。表达各种经济性和各种特性参数的变化工况区。 平面图形表达（等油耗线）平面图形表达（等油耗线） 1.9L轿车柴油机

27、轿车柴油机 经济圈经济圈 等油耗线等油耗线 外特性外特性 2.0L轿车汽油机轿车汽油机 经济圈经济圈 等油耗线等油耗线 外特性外特性 me p e b me p n 全特性制作方法全特性制作方法 负荷特性负荷特性 Origin Graph制图制图 曲面图形表达曲面图形表达 Word制图制图 0 200 400 600 800 1100170023002900 10 40 70 100 600-800 400-600 200-400 n /（rmin-1） Pl 100 be /g（kW）-1 /kPa /kW /（km/h） n/（r/min） be=275 300 290 300 320 3

28、35 350 12 14 15 16 18 u 五、汽车的全特性五、汽车的全特性 六、提高汽车经济性的措施六、提高汽车经济性的措施 能源法规能源法规 ICE与汽车的合理匹配与汽车的合理匹配 a ee a v bP v B g 100100 100 me s e p inV P 2 emek bpiiKg 0100 0 ii nr v k a k i档位传动比档位传动比 主传动比主传动比 0 i 驱动轮半径驱动轮半径r 促使内燃机新技术的发展促使内燃机新技术的发展 降低车重降低车重 降低行驶阻力降低行驶阻力 内燃机内燃机 整备质量（整备质量（kg） 第一阶段第一阶段 （2005.1） 第二阶段第二阶段 （2008.1） 第三阶段（第三阶段（2012） CM750 7.66.65.2 750CM8657.66.95.9 865CM9808.27.46.2 980CM1090 8.88.06.5 1090CM1205 9.48.66.8 1205CM1320 10.19.17.2 1320CM1430 10.79.87.6 1430CM1540 11.010.38.0 我国乘用车燃料消耗量限值（我国乘用车燃料消耗量限值（L/100km） 整备质量（整备质量（kg） 第一阶段第一阶段 （2005.1） 第二阶段第二阶段 （2008.1）