第十一章 内燃机特性

章节内容第一节概述第二节内燃机速度特性第三节内燃机负荷特性第四节万有特性第五节内燃机的功率标定及大气修正学习目标知识目标1．能正确描述发动机的工况和运转特性的基本概念；2．能简单叙述发动机负荷特性及其参数分析；3．能简单叙述发动机速度特性及其参数分析；4．能简单叙述发动机万有特性及其参数分析；技能目标1．能根据发动机各种特性分析发动机的运行特点；2．能结合发动机参数分析初步判断发动机的工作状态。第一节概述

一、内燃机工况内燃机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时刻内燃机输出的有效功率和转速表示。表征内燃机运行工况的参数可由下式给出

Pe∝Men

式中：Pe——有效功率（kw）；

Me——内燃机的扭矩；

n——内燃机的转速。第一节概述

一、内燃机工况内燃机工况的类型根据使用条件大致可分为以下三类：第一类工况：

内燃机功率变化，但曲轴转速几乎保持不变。例如内燃机带发电机工作时，必须保持稳定的转速，这种工况如图11－1中的曲线1所示，称为线工况。第一节概述

一、内燃机工况内燃机工况的类型根据使用条件大致可分为以下三类：第二类工况：

内燃机功率与曲轴转速接近于三次幂函数关系（Pe∝n3）。当内燃机作为船用主机带动螺旋桨工作时，内燃机发出的功率必须与螺旋桨的吸收功率相等，而螺旋桨的吸收功率与其转速成三次幂函数关系，此时内燃机工况的特点由螺旋桨特性决定，所以又称作螺旋桨工况或推进工况。如图11－1中的曲线2所示，也称为线工况。第一节概述

一、内燃机工况内燃机工况的类型根据使用条件大致可分为以下三类：第三种工况：功率和转速都独立地在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。作为汽车等陆地运输机械动力的发动机，都属于这种工况。此时发动机的转速决定于行驶速度，可以从最低稳定转速ｎmin一直变到最高转速ｎmax；负荷取决于行驶阻力，在同一转速下，可以从零变到全负荷（图11－1中的曲线3）。内燃机可能的工作区域就是该种类型发动机的实际工作区域，相应的工况区域称为面工况。第一节概述二、内燃机特性研究内燃机特性的主要目的：在于分析内燃机在各种工况下的动力性、经济性、稳定性、适应性和可靠性等等，从而确定内燃机正常工作的范围及适宜的工作区域。当内燃机运转工况变化时，其性能指标也随之变化。因此，评价一台内燃机的好坏，需要考察它在各种工况下的性能指标，然后才能作出判断。对于工况在很大范围内变化的汽车、拖拉机以及工程机械所用的内燃机尤其是这样。第一节概述二、内燃机特性内燃机性能指标随运转工况而变化的规律称为内燃机特性。内燃机特性的种类很多，其中主要有速度特性和负荷特性等。内燃机特性往往是以曲线形式表示的。它是通过内燃机的台架试验，测取有关参数，经过整理后绘制而成的。用以表示内燃机特性的曲线就称为特性曲线。它是评价内燃机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。根据特性曲线可以合理的选用内燃机，并能有效地利用它了解内燃机特性的成因以及影响因素，就可以按需要的方向改造它，使内燃机性能进一步提高，并设法满足使用要求。第二节内燃机速度特性内燃机速度特性是指油量调节机构（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（扭矩、油耗、功率、排温及烟度等）随转速变化的规律。研究速度特性的目的在于找出内燃机在不同的转速下其动力性和经济性的变化规律，确定内燃机的最大功率、最大转矩和最小燃油消耗率。一、柴油机的速度特性柴油机的速度特性曲线如图11-2所示实线1分别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的变化趋势，其余虚线分别表示部分负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的变化趋势。一、柴油机的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲线的变化规律由于柴油机输出的有效扭矩Ｍe正比于平均有效压力ｐe，而ｐe又与每循环供油量ｇｂ、指示热效率ηi及机械效率ηm成正比。柴油机的有效扭矩Ｍe的大小决定于每循环供油量ｇｂ、指示热效率ηi及机械效率ηm一、柴油机的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲线的变化规律对无油量校正装置的柴油机，转速降低时，由于每循环供油量ｇｂ的减少，相应抵消了指示热效率ηi和机械效率ηm，提高的影响，综合作用的结果是使柴油机外特性上的转矩Ｍe曲线很平坦。部分负荷速度特性时，有效扭矩Ｍe随转速变化规律与外特性时相似，只是由于每循环供油量ｇｂ的减少，使其曲线偏低。一、柴油机的速度特性⒉有效功率Ｐｅ曲线的变化规律有效功率Ｐe与有效转矩Ｍe和转速ｎ的乘积成正比，由于转矩Ｍe随转速变化不很大，使得功率Ｎe几乎随转速成正比增加，其特性曲线近似一斜线，故在最高转速下有最大功率。⒊有效燃料消耗率ｇe曲线的变化规律根据燃料消耗率定义式可知，ｇe∝１／ηi﹒ηm。ｇe曲线在整个转速变化范围内，两端略有上翘，在某一中间转速最低。当高于此转速时，因ηi和ηm同时下降使ｇe上升；当低于此转速时，充气系数ηv降低，加上燃油雾化差，涡流减弱，使ηm同的上升幅度弥补不了ηi的下降幅度，ｇe同样上升。柴油机的燃料消耗率ｇe曲线变化比较平坦，这说明柴油机在广泛的转速范围内经济性好。⒊有效燃料消耗率ｇe曲线的变化规律部分负荷速度特性时，燃料消耗率由于ηm较低而较外特性上的燃料消耗率曲线有所上升，但随转速的变化规律基本不变。二、汽油机的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲线变化规律汽油机在低转速时，随转速的升高，扭矩Ｍe越来越大，在低速区某一转速时，扭矩Ｍe达最大值。此后，随转速的继续升高，扭矩Ｍe反而下降（曲线1）。在部分速度特性（节气门在部分开度）时，转矩随转速升高而下降，节气门开度越小，曲线越陡（图中2、3、4曲线）。二、汽油机的速度特性⒉有效功率Ｐe曲线的变化规律当转速从很低值增加时，由于扭矩Ｍe和转速n同时增加,Ｐe迅速上升,直至扭矩Ｍe达到最大值。继续提高转速,Ｐe上升逐渐缓慢,至某一转速时,扭矩与转速的乘积达最大值,Ｐe也达最大值.若转速继续升高,由于Ｍe降低的影响已超过转速上升的影响,功率Ｐe反而下降（图中1'曲线）。二、汽油机的速度特性⒉有效功率Ｐe曲线的变化规律在部分负荷下工作时，随着节气门开度减小，进气阻力增大使充气系数ηv下降，而且随着转速的提高ηv下降的速度加快。所以在节气门部分开启时，Ｐe曲线总是低于外特性的Ｐe曲线。而且转速越高，部分特性与外特性的差别就越大，并且功率最大点向低转速方向偏移（图中2′、3′、4′曲线）。二、汽油机的速度特性⒊有效燃料消耗率ｇe曲线的变化规律由于燃料消耗率ｇe与ηi﹒ηm成反比关系，在某一中间转速，ηi﹒ηm最大时，ｇe最小。当转速较高时ηm下降较快，而转速较低时ηi下降明显，都使ｇe上升，因此ｇe曲线呈明显的下凹形状（图中1″曲线）。二、汽油机的速度特性在部分负荷下工作时，燃料消耗率ｇe曲线的变化与Me、Ｐe曲线有所不同。当节气门从全开逐渐减小时，混合气的加浓程度逐渐减轻，ｇe曲线的位置降低。节气门开度为80%左右时，ｇe曲线的位置最低（图中2″曲线）。节气门开度再减小，由于残余废气相对增多，燃烧速率下降，使ηi下降，燃料消耗率增加，ｇe曲线的位置又逐渐升高（图中3″、4″曲线）三、内燃机工作的稳定性由于汽油机的Ｍe曲线不如柴油机的Ｍe曲线平坦，呈上凸形状，使得汽油机自动适应阻力矩变化的能力较强，运转的稳定性好。为了表示内燃机工作的稳定性，往往采用适应性系数Ｋｍ来评定：式中Ｍemax－最大扭矩值；ＭＮｅ—标定功率点的扭矩值三、内燃机工作的稳定性为改善柴油机工作的稳定性，在喷油泵上采用了油量校正器，用来校正油泵特性，使其在最大负荷工况工作时，随着转速的下降提供额外的供油量，以提高柴油机的适应系数。

三、内燃机工作的稳定性汽油机的适应系数Ｋｍ比较大，一般在1.25～1.45之间，而无校正器的柴油机一般在1.05～1.15之间。汽油机转速变化系数Ｋｎ的值一般在1.6～2.5之间，无校正器的柴油机一般在1.4～2。有时也用最大扭矩与标定扭矩之差和标定扭矩之比，来表示发动机克服阻力的能力大小，并将其定义为扭矩储备系数μ，即μ＝（Ｍemax－ＭNe）/ＭNe＝Ｋｍ－１。四、调速器对速度特性的影响两级式调速器在ｎ１～ｎ２转速范围内，柴油机在稍低于原转速的条件下稳定运行而不致使转速继续下降。这就是调速器的低速稳定性。当转速超过ｎ２后，在ｎ２～ｎＮ区间两极式调速器不起作用，内燃机的速度特性仍沿原有曲线运行。当转速达到ｎＮ后，若转速继续上升，则调速器高速弹簧起作用，供油量减小，柴油机扭矩迅速下降，使其在稍高于转速ｎＮ条件下运行，柴油机进入怠速状态，转速不再上升。四、调速器对速度特性的影响全程式调速器当安装全程式调速器后，柴油机的速度特性出现了很大的变化，除一外特性仍与原来相同外，其部分特性则由原有的接近横向改变成近似纵向，其每一个纵向曲线表示一个功率调节机构的位置（即油门位置）。四、调速器对速度特性的影响由于柴油机的扭矩曲线过于平坦，这对于保持柴油机稳定工作是极其不利的。为此，在柴油机上必须安装调速器，其目的主要是：⒈防止超速。⒉保持怠速稳定。汽油机由于它的扭矩特性随转速的变化较陡，特别是在部分速度特性时更为显著，因此，在高速时超速的可能性很小，即使短时间少量超速，其所产生的危害性也远不如柴油机那么严重，低速时由于其扭矩曲线随转速下降而上升，能自动进行调节，而不会导致熄火，转速基本保持稳定。由此可见，汽油机不一定必须安装调速器。第三节内燃机负荷特性内燃机负荷是指内燃机在某一转速下运转，所输出的功率（或扭矩）与该转速下所能输出的最大功率（或扭矩）的比值（％）。通常用一定转速下的Pe/Pmax（％）或Me/Mmax（％）来表示内燃机负荷的大小。负荷特性是指内燃机的性能指标，随某一转速下的负荷而变化的规律。表示负荷特性的曲线称为负荷特性曲线。第三节内燃机负荷特性研究负荷特性的目的是为了了解内燃机在各种负荷下工作的经济性。负荷特性也是在试验台架上测取的。测量时，先将内燃机的供油（点火）提前角、冷却水温度、润滑油温度等调整到最佳值。然后将内燃机固定在某一转速下，改变循环供油量（节气门开度）的同时调整测功器的负荷，使转速不变，这样每调整一次可测取一个工况点的参数，把每个工况对应的参数画到以负荷为横轴的坐标上，然后把多个同类参数点连成线，就得到内燃机的负荷特性曲线。一、柴油机的负荷特性当柴油机保持某一转速（通常为标定转速）不变，而改变循环供油量时，其每小时燃料消耗量ＧT、燃料消耗率ｇe等性能指标随负荷变化的关系即为柴油机的负荷特性。柴油机是依靠改变循环供油量来适应外界负荷的变化，这样的调节方法称为“质调节”。⒈ＧT曲线的变化规律当转速n一定时，负荷增加则每循环供油量ｇｂ也增加，每小时燃料消耗量ＧT随负荷的增大成正比地增加，但由于气缸内空气量基本不变，过量空气系数α将随负荷的增加而减小，当每循环供油量ｇｂ过多时，将使燃烧过程恶化，ＧT虽然增加但功率增加很慢，甚至减小。⒉ｇe曲线的变化规律当发动机怠速运转时，负荷为零，输出的有效功率等于零，即ηm=0，所以ｇe无限大。而随着负荷的增加，机械效率ηm也相应增加，ｇe迅速减小。当负荷到达图中ｇe曲线Ａ点时，过量空气系数减小，热效率略有下降，但机械效率仍有明显增加，所以这时的ｇe最低。随着负荷的进一步增加供油量进一步增加，燃烧不完全，后燃期延长，热效率急剧下降，引起ｇe上升。超过１点后排气中会出现黑烟，因此１点称为“冒烟界限”。供油量增至２点时，功率达到最大值。供油量在此点以后继续增加，因燃烧条件极度恶化，功率反而下降。二、汽油机的负荷特性汽油机在一定转速下工作，并且点火提前角和化油器调整完好时逐步改变节气门开度，每小时耗油量ＧT和耗油率ｇe随负荷变化的关系称为汽油机的负荷特性。由于汽油机的负荷调节，是靠改变节气门开度，直接改变进入气缸的混合气量，故称为“量调节”。⒈ＧT曲线的变化规律当汽油机转速一定时，每小时燃料消耗量ＧT主要由决定于节气门开度和混合气成分。节气门开度由小逐渐加大时，进入气缸的混合气量逐渐加多，ＧT也随之增加。当节气门开度增加全开度的７０％～８０％以后，化油器的加浓装置开始起作用，使混合气变浓，因而ＧT增加得更快。⒉ｇe曲线的变化规律当发动机怠速运转时，输出的有效功率为０，即机械效率ηm＝０，油耗率ｇe可以认为是无限大。随着负荷增加，因此使ｇe逐渐减小，当负荷增加到６０％～７０％时，ｇe达到最低值。当节气门接近全开时，为了发出最大功率，加浓装置起作用，供给α＜1的浓混合气，因燃烧不完全，ｇe又复增加。第三节内燃机负荷特性负荷特性主要是评价发动机工作的经济性。在同一转速下，最低油耗率ｇemin值越小，经济性越好。ｇe曲线的变化越平坦，表示在负荷变化较广的范围内，能保持较好的燃料经济生。选用内燃机时，在满足动力性要求的前提下，常用负荷应接近经济负荷（60％～70％），不宜装用功率过大的内燃机，以求提高功率利用率。第四节万有特性万有特性是表示内燃机运行时性能变化的多参数特性。应用最广的万有特性是以转速为横座标，平均有效压力为纵坐标，在图画出等燃料消耗曲线、等功率曲线等组成的曲线族。第四节万有特性最内层的等ｇe曲线相当于最经济区域，曲线越向外，经济性越差。车用内燃机的最经济区最好在万有特性的中间位置，使常用转速和负荷落在最经济区域内，并希望等油耗ｇe曲线在横向较长。第四节万有特性一般在万有特性曲线图中有以下一些特征点:点A，是带调速器的柴油机最高转速点。这时调速手柄位置最大，外界负荷为零，通常称为最高空转速点。点B，是内燃机的标定功率点。点C，是最大功率Ne或最大扭矩Me特征点。由此可以获得对汽车拖拉机工程机械内燃机十分重要的扭矩储备系数μ。第四节万有特性一般在万有特性曲线图中有以下一些特征点:点D，是标定功率速度特性（外特性）上的最低稳定点，从这点开始，内燃机几乎不能承受外界负荷的微小变动，只要变动一点负荷，转速将发生严重波动，使内燃机很容易熄火。此外，还有最低空转点，即内燃机的怠速点。第五节内燃机的功率标定及大气修正一、功率标定按照我国标准GB1105-87《发动机台架性能试验方法》规定，我国发动机的功率可以分为四级，分别为：1、15min功率

15min功率为发动机允许连续运转15min的最大功率，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、军用车辆和快艇等用途的发动机。第五节内燃机的功率标定及大气修正2、1h功率

1h功率为发动机允许连续运转1h的最大功率，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发动机。3、12h功率

12h功率为