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1、第九章第九章 内燃机的使用特性与匹配内燃机的使用特性与匹配oo内燃机的特性是内燃机的特性是内燃机性能内燃机性能的综合反映。特性的形式有很的综合反映。特性的形式有很多，除了前几章已经介绍的多，除了前几章已经介绍的内燃机调速特性内燃机调速特性与与调整特性调整特性(如如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性点火提前角调整特性、供油提前角调整特性)外，本章外，本章将重点介绍内燃饥的基本特性，如将重点介绍内燃饥的基本特性，如负荷特性、速度特性、负荷特性、速度特性、万有特性万有特性等。由于内燃机是为其他动力装置或工作机械提等。由于内燃机是为其他动力装置或工作机械提供动力的，相互之间的配合特性不仅涉及到工作
2、机械的性供动力的，相互之间的配合特性不仅涉及到工作机械的性能，也与内燃机本身的特性密切相关，为此，本章将介绍能，也与内燃机本身的特性密切相关，为此，本章将介绍内燃机与工作机械的匹配方法。内燃机与工作机械的匹配方法。oo对内燃机的特性及其匹配进行研究，不仅是为了对内燃机的特性及其匹配进行研究，不仅是为了评价内燃评价内燃机的性能机的性能，为正确、合理地选用内燃机提供依据，同时，为正确、合理地选用内燃机提供依据，同时，还可以通过对影响内燃机特性还可以通过对影响内燃机特性各种因素的分析各种因素的分析。提出改进。提出改进特性以适应匹配要求的各种技术措施，以优化整个动力装特性以适应匹配要求的各种技术措施，
3、以优化整个动力装置的性能。置的性能。主要内容主要内容o第一节第一节 内燃机的工况内燃机的工况 o第二节第二节 内燃机的负荷特性内燃机的负荷特性 o第三节第三节 内燃机的速度特性内燃机的速度特性 o第四节第四节 内燃机的万有特性内燃机的万有特性 o第五节第五节 内燃机的功率标定及大气修正内燃机的功率标定及大气修正 o第六节第六节 内燃机与工作机械的匹配内燃机与工作机械的匹配第一节第一节 内燃机的工况内燃机的工况内燃机工况就是指内燃机实际运行的工作状况。内燃机工况就是指内燃机实际运行的工作状况。工况的定义工况的定义表示工作频率的转速表示工作频率的转速n表示工作负荷的转矩表示工作负荷的转矩Ttq、功
4、率、功率Pe，Ttq与与pme成正比成正比内燃机的工作区域内燃机的工作区域上边界线上边界线上边界线上边界线3 3为内燃机油为内燃机油为内燃机油为内燃机油量控制机构处于最大量控制机构处于最大量控制机构处于最大量控制机构处于最大位置时，不同转速下位置时，不同转速下位置时，不同转速下位置时，不同转速下内燃机所能发出的最内燃机所能发出的最内燃机所能发出的最内燃机所能发出的最大功率大功率大功率大功率 左侧边界线为内燃机最低稳定左侧边界线为内燃机最低稳定左侧边界线为内燃机最低稳定左侧边界线为内燃机最低稳定工作转速工作转速工作转速工作转速n nminmin限制线，低于此限制线，低于此限制线，低于此限制线，低
5、于此转速时，由于曲轴飞轮等运动转速时，由于曲轴飞轮等运动转速时，由于曲轴飞轮等运动转速时，由于曲轴飞轮等运动部件储存能量较小，导致转速部件储存能量较小，导致转速部件储存能量较小，导致转速部件储存能量较小，导致转速波动大，内燃机无法稳定工作波动大，内燃机无法稳定工作波动大，内燃机无法稳定工作波动大，内燃机无法稳定工作 右侧边界线为最高转右侧边界线为最高转右侧边界线为最高转右侧边界线为最高转速速速速n nmaxmax限制线，受到限制线，受到限制线，受到限制线，受到转速过高所导致的惯转速过高所导致的惯转速过高所导致的惯转速过高所导致的惯性力增大、机械摩擦性力增大、机械摩擦性力增大、机械摩擦性力增大、
6、机械摩擦损失加剧、充量系数损失加剧、充量系数损失加剧、充量系数损失加剧、充量系数下降、工作过程恶化下降、工作过程恶化下降、工作过程恶化下降、工作过程恶化等各种不利因素的限等各种不利因素的限等各种不利因素的限等各种不利因素的限制制制制 内燃机的工况分类内燃机的工况分类点工况：点工况：运行过程中，转速和负荷保持不变，如排灌所用的水泵的动力点工况：点工况：运行过程中，转速和负荷保持不变，如排灌所用的水泵的动力线工况线工况线工况线工况2 2：其特点是内燃机的其特点是内燃机的其特点是内燃机的其特点是内燃机的功率与转速接近于幂函数关功率与转速接近于幂函数关功率与转速接近于幂函数关功率与转速接近于幂函数关系
7、，如图中的曲线系，如图中的曲线系，如图中的曲线系，如图中的曲线2 2示的三次示的三次示的三次示的三次幂函数幂函数幂函数幂函数()()。当内。当内。当内。当内燃机作为船用主机驱动螺旋燃机作为船用主机驱动螺旋燃机作为船用主机驱动螺旋燃机作为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发出的功率桨时，内燃机所发出的功率桨时，内燃机所发出的功率桨时，内燃机所发出的功率必须与螺旋桨吸收的功率相必须与螺旋桨吸收的功率相必须与螺旋桨吸收的功率相必须与螺旋桨吸收的功率相等，而吸收功率又取决于螺等，而吸收功率又取决于螺等，而吸收功率又取决于螺等，而吸收功率又取决于螺旋桨转速的高低，且与转速旋桨转速的高低，且与转速旋桨转速的高
8、低，且与转速旋桨转速的高低，且与转速成幂函数关系，这样，内燃成幂函数关系，这样，内燃成幂函数关系，这样，内燃成幂函数关系，这样，内燃机功率就呈现一种十分有规机功率就呈现一种十分有规机功率就呈现一种十分有规机功率就呈现一种十分有规律的变化。该类工况常被称律的变化。该类工况常被称律的变化。该类工况常被称律的变化。该类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况，为螺旋桨工况或推进工况，为螺旋桨工况或推进工况，为螺旋桨工况或推进工况，也属于线工况。也属于线工况。也属于线工况。也属于线工况。面工况：其特点是功率与转面工况：其特点是功率与转面工况：其特点是功率与转面工况：其特点是功率与转速都在很大范围内变化，它速都
9、在很大范围内变化，它速都在很大范围内变化，它速都在很大范围内变化，它们之间没有特定的关系。汽们之间没有特定的关系。汽们之间没有特定的关系。汽们之间没有特定的关系。汽车及其他陆地运输用内燃机，车及其他陆地运输用内燃机，车及其他陆地运输用内燃机，车及其他陆地运输用内燃机，都居于这种工况。此时，内都居于这种工况。此时，内都居于这种工况。此时，内都居于这种工况。此时，内燃机的转速决定于行驶速度、燃机的转速决定于行驶速度、燃机的转速决定于行驶速度、燃机的转速决定于行驶速度、可以从最低稳定转速一直变可以从最低稳定转速一直变可以从最低稳定转速一直变可以从最低稳定转速一直变到最高转速；负荷取决于行到最高转速；
10、负荷取决于行到最高转速；负荷取决于行到最高转速；负荷取决于行驶阻力，在同一转速下，可驶阻力，在同一转速下，可驶阻力，在同一转速下，可驶阻力，在同一转速下，可以从零变到全负荷。内燃机以从零变到全负荷。内燃机以从零变到全负荷。内燃机以从零变到全负荷。内燃机可能的工作区域就是该种类可能的工作区域就是该种类可能的工作区域就是该种类可能的工作区域就是该种类型内燃机的实际工作区域，型内燃机的实际工作区域，型内燃机的实际工作区域，型内燃机的实际工作区域，相应的上况区域称为面工况。相应的上况区域称为面工况。相应的上况区域称为面工况。相应的上况区域称为面工况。研究内燃机特性的必要性研究内燃机特性的必要性 为了评
11、价内燃机在不同工况下运行的动为了评价内燃机在不同工况下运行的动力性指标力性指标(如功率、转矩、平均有效压如功率、转矩、平均有效压力等力等)、经济性指标、经济性指标(燃油消耗率燃油消耗率)、排、排放指标以及反映工作过程进行的完善程放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标度指标(如指示热效率、充量系数以及如指示热效率、充量系数以及机械效率机械效率)等，就必须研究内燃机的特等，就必须研究内燃机的特性。性。有关定义有关定义o所谓内燃机的特性内燃机的特性，就是指上述性能参数随参数调整情况或运转工况变化的规律。o性能指标随调整情况变化的特性称为调整特调整特性性，如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性等；
12、o性能指标随运行工况变化的特性称为性能特性能特性性，如负荷特性、速度特性和调速特性等。o用来表示特性的曲线称为特性曲线特性曲线，它是评价内燃机的一种简单、直观、方便的形式。第二节第二节 内燃机的负荷特性内燃机的负荷特性o定义 o测试方法 o作用 o曲线及说明 o 定义定义 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。驱动发电机、压缩机、风机、水泵等动力装置的内燃机，就是按负荷特性运行的。测试方法测试方法 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
13、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。作作 用用 由了负荷特性可以直观地显示发动机在不同负荷下运转的经济性以及排温等参数，且比较容易测定，因而在内燃机的调试过程中，经常用来作为性能比较的依据。由于每一 条负荷特性仅对应内燃机的一种转速，为了满足实际应用的要求，需要侧出不同转速下的多个负荷特性曲线。同时，根据这些特性曲线，可以得到发动机的另外一个重要的特性万有特性。利用负荷特性评价内燃机的燃油经济性利用负荷特性评价内燃机的燃油经济性 o在负荷特性曲线图上，最低燃油消耗率越小，内燃在负荷特性曲线图上，最低燃油消耗率越小，内燃机的经济性越好；机的经济性越好；o燃油消耗率曲线变
14、化越平坦，表示在宽广的负荷范燃油消耗率曲线变化越平坦，表示在宽广的负荷范围内，能保持较好的燃油经济性，这对于负荷变化围内，能保持较好的燃油经济性，这对于负荷变化大的内燃机来说十分重要。大的内燃机来说十分重要。o此外，无论是汽油机还是柴油机，都是在中等偏大此外，无论是汽油机还是柴油机，都是在中等偏大的负荷范围下，燃油消耗率最低。全负荷时，虽然的负荷范围下，燃油消耗率最低。全负荷时，虽然内燃机功率输出最大，但燃料经济性并不是最好。内燃机功率输出最大，但燃料经济性并不是最好。在低负荷区，燃油消耗率显著升高。在低负荷区，燃油消耗率显著升高。o为使内燃机在实际使用时节约燃料，希望负荷接近为使内燃机在实际
15、使用时节约燃料，希望负荷接近中等负荷。中等负荷。对于一条特定的对于一条特定的对于一条特定的对于一条特定的负荷特性曲线而负荷特性曲线而负荷特性曲线而负荷特性曲线而言，转速是固定言，转速是固定言，转速是固定言，转速是固定不变的，这样有不变的，这样有不变的，这样有不变的，这样有效功率效功率效功率效功率PePe、有效、有效、有效、有效转矩转矩转矩转矩TtqTtq与平均有与平均有与平均有与平均有效压力效压力效压力效压力p pmeme互成比互成比互成比互成比例关系，均可用例关系，均可用例关系，均可用例关系，均可用来表示负荷的大来表示负荷的大来表示负荷的大来表示负荷的大小。小。小。小。负荷特性的横坐标通常是
16、上述三个参数之一，较为常用负荷特性的横坐标通常是上述三个参数之一，较为常用负荷特性的横坐标通常是上述三个参数之一，较为常用负荷特性的横坐标通常是上述三个参数之一，较为常用的是有效功率的是有效功率的是有效功率的是有效功率PePe或平均有效压力或平均有效压力或平均有效压力或平均有效压力p pmeme。纵坐标主要是燃。纵坐标主要是燃。纵坐标主要是燃。纵坐标主要是燃油消耗量油消耗量油消耗量油消耗量B B、燃油消耗率、燃油消耗率、燃油消耗率、燃油消耗率bebe以及排温、烟度、机械效率以及排温、烟度、机械效率以及排温、烟度、机械效率以及排温、烟度、机械效率 mm等。图等。图等。图等。图8282所示的就是典
17、型的负荷特性曲线。所示的就是典型的负荷特性曲线。所示的就是典型的负荷特性曲线。所示的就是典型的负荷特性曲线。一、柴油机的负荷特性燃油消耗率曲线的变化趋势，通过燃油消耗率曲线的定义式分析如下 (92)对于非增压柴油机而吉，当柴油机按负荷特性运行时，由于转速不变，其充量系数基本保持不变。当负荷变化时，通过燃料调节机构调整循环供油量以适应负荷的变化，负荷增大时油量增加，反之则减少。这样，过量空气系数随负荷的增加而减小，这一负荷调节过程被称为“变质调节”。柴油机的负荷特性走势分析柴油机的负荷特性走势分析 当负荷为零当负荷为零当负荷为零当负荷为零(空载空载空载空载)时，因无动力输出，平均有效压力时，因无
18、动力输出，平均有效压力时，因无动力输出，平均有效压力时，因无动力输出，平均有效压力p pmeme为零，为零，为零，为零，故机械效率故机械效率故机械效率故机械效率 mm为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身消耗，这样从式消耗，这样从式消耗，这样从式消耗，这样从式(92)(92)可知燃油消耗率可知燃油消耗率可知燃油消耗率可知燃油消耗率bebe为无穷大。当负荷逐渐为无穷大。当负荷逐渐为无穷大。当负荷逐渐为无穷大。当负荷逐渐增大时，由于平均机械损失压力增大时，由于平均机械损
19、失压力增大时，由于平均机械损失压力增大时，由于平均机械损失压力p pmmmm在转速不变时变化不大，而在转速不变时变化不大，而在转速不变时变化不大，而在转速不变时变化不大，而平均有效压力平均有效压力平均有效压力平均有效压力p pmeme则随负荷提高而增大，因此机械效率则随负荷提高而增大，因此机械效率则随负荷提高而增大，因此机械效率则随负荷提高而增大，因此机械效率 随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率bebe，曲线在负，曲线在负，曲线在负，曲线在负荷增加时下降得很快。
20、并且，到达某一负荷时，荷增加时下降得很快。并且，到达某一负荷时，荷增加时下降得很快。并且，到达某一负荷时，荷增加时下降得很快。并且，到达某一负荷时，bebe达到最低值。达到最低值。达到最低值。达到最低值。随着负荷的进一步增加，过量空气系数随着负荷的进一步增加，过量空气系数随着负荷的进一步增加，过量空气系数随着负荷的进一步增加，过量空气系数a a变得更小，混合气形变得更小，混合气形变得更小，混合气形变得更小，混合气形成与燃烧开始恶化，指示热效率成与燃烧开始恶化，指示热效率成与燃烧开始恶化，指示热效率成与燃烧开始恶化，指示热效率 it it开始明显下降，其下降速度开始明显下降，其下降速度开始明显下
21、降，其下降速度开始明显下降，其下降速度逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从而使燃续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从而使燃续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从而使燃续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从而使燃油消耗率上升很快，且柴油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室油消耗率上升很快，且柴油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室油消耗率上升很快，且柴
22、油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室油消耗率上升很快，且柴油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室积碳积碳积碳积碳.，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。二、汽油机的负荷特性二、汽油机的负荷特性与柴油机不同的是，在测取与柴油机不同的是，在测取汽油机的
23、负荷特性时，油量汽油机的负荷特性时，油量是通过改变节气门的开度来是通过改变节气门的开度来调整的，这样相应地改变了调整的，这样相应地改变了进入气缸的混合气数量，而进入气缸的混合气数量，而混合气的浓度变化不大，故混合气的浓度变化不大，故称为称为“变量调节变量调节”。图图882b2b是汽油机的负荷特性。初是汽油机的负荷特性。初看起来，汽油机的负荷特性看起来，汽油机的负荷特性与柴油机负荷特性似乎没什与柴油机负荷特性似乎没什么区别。么区别。柴油机与汽油机负荷特性的区别1)汽油机的燃油消汽油机的燃油消耗率普遍较高，且耗率普遍较高，且在从空负荷向中、在从空负荷向中、小负荷段过渡时，小负荷段过渡时，燃油消耗率
24、下降缓燃油消耗率下降缓慢，仍维持在较高慢，仍维持在较高水平，燃油经济性水平，燃油经济性明显较差明显较差。2)汽油机排温汽油机排温普遍较高，普遍较高，且与负荷关且与负荷关系较小。系较小。3)3)汽油机的燃汽油机的燃汽油机的燃汽油机的燃油消耗量曲线油消耗量曲线油消耗量曲线油消耗量曲线弯曲度较大，弯曲度较大，弯曲度较大，弯曲度较大，而柴油机的燃而柴油机的燃而柴油机的燃而柴油机的燃油消耗量曲线油消耗量曲线油消耗量曲线油消耗量曲线在中、小负荷在中、小负荷在中、小负荷在中、小负荷段的线性较好。段的线性较好。段的线性较好。段的线性较好。特性差别的解释（特性差别的解释（1）因为两种类型发动机的机械效率变化情况
25、基本类似，根据式因为两种类型发动机的机械效率变化情况基本类似，根据式因为两种类型发动机的机械效率变化情况基本类似，根据式因为两种类型发动机的机械效率变化情况基本类似，根据式(8(82)2)，造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于，造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于，造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于，造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于指指指指示热效率示热效率示热效率示热效率的差异。由于柴油机的压缩比比汽油机高出较多，其的差异。由于柴油机的压缩比比汽油机高出较多，其的差异。由于柴油机的压缩比比汽油机高出较多，其的差异。由于柴油机的压缩比比汽油机
26、高出较多，其过量空气系数也要比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情过量空气系数也要比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情过量空气系数也要比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情过量空气系数也要比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情况下进行的，所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高。这样，况下进行的，所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高。这样，况下进行的，所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高。这样，况下进行的，所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高。这样，从数值上看，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机。从数值上看，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机。从数值上看，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机。从数值上看
27、，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机。另一方面，另一方面，另一方面，另一方面，从指示热效率曲线的变化趋势上来看，两者也有比较明显的差从指示热效率曲线的变化趋势上来看，两者也有比较明显的差从指示热效率曲线的变化趋势上来看，两者也有比较明显的差从指示热效率曲线的变化趋势上来看，两者也有比较明显的差异。在转速不变的前提下，柴油机进人气缸的空气量基本上不异。在转速不变的前提下，柴油机进人气缸的空气量基本上不异。在转速不变的前提下，柴油机进人气缸的空气量基本上不异。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，而每循环供油量则随负荷的增大而增大，随负荷大小而变化，而每循环供油量则随负
28、荷的增大而增大，随负荷大小而变化，而每循环供油量则随负荷的增大而增大，随负荷大小而变化，而每循环供油量则随负荷的增大而增大，这样过量空气系数就随负荷的增大而减小，因此，指示热效率这样过量空气系数就随负荷的增大而减小，因此，指示热效率这样过量空气系数就随负荷的增大而减小，因此，指示热效率这样过量空气系数就随负荷的增大而减小，因此，指示热效率也就随负荷的增大而降低；汽油机采用定质变量的负荷调节方也就随负荷的增大而降低；汽油机采用定质变量的负荷调节方也就随负荷的增大而降低；汽油机采用定质变量的负荷调节方也就随负荷的增大而降低；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指示热效
29、率明显下降，法，在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降，法，在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降，法，在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降，而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷减小时泵气损失增大，速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷减小时泵气损失增大，速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷减小时泵气损失增大，速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷
30、减小时泵气损失增大，导致指示热效率下降。这样导致指示热效率下降。这样导致指示热效率下降。这样导致指示热效率下降。这样,汽油机的燃油消耗率在中、小负汽油机的燃油消耗率在中、小负汽油机的燃油消耗率在中、小负汽油机的燃油消耗率在中、小负荷区远高于柴油机。荷区远高于柴油机。荷区远高于柴油机。荷区远高于柴油机。特性差别的解释（特性差别的解释（2）排气温度曲线排气温度曲线的差异也可以用上述原因来解释。的差异也可以用上述原因来解释。汽油机的压缩比比柴油机低，相应的膨胀比也低，汽油机的压缩比比柴油机低，相应的膨胀比也低，排温就要比柴油机高出许多。在负荷变化时，尽排温就要比柴油机高出许多。在负荷变化时，尽管由于
31、混合气总量的增加引起加入气缸总热量的管由于混合气总量的增加引起加入气缸总热量的增加，使排温随负荷的提高而上升，但由于在大增加，使排温随负荷的提高而上升，但由于在大部分区域内过量空气系数保持不变，故排温上升部分区域内过量空气系数保持不变，故排温上升幅度不大。在柴油机中，随着负荷的提高，过量幅度不大。在柴油机中，随着负荷的提高，过量空气系数随之降低，排温显著上升。空气系数随之降低，排温显著上升。第三节第三节 内燃机的速度特性内燃机的速度特性 内燃机速度特性，是指内燃机在油量调节机构内燃机速度特性，是指内燃机在油量调节机构(油量调节齿条、拉杆或节气门开度油量调节齿条、拉杆或节气门开度)保持不变的保持
32、不变的情况下，主要性能指标情况下，主要性能指标(转矩、油耗、功率、排转矩、油耗、功率、排温、烟度等温、烟度等)随内燃机转速的变化规律。当汽车随内燃机转速的变化规律。当汽车沿阻力变化的道路行驶时，若油门位置不变，转沿阻力变化的道路行驶时，若油门位置不变，转速会因路况的改变而发生变化，这时内燃机是沿速会因路况的改变而发生变化，这时内燃机是沿速度特性工作。速度特性工作。定义定义测试方法测试方法 速度特性也是在内燃机试验台架上测出的。测速度特性也是在内燃机试验台架上测出的。测量时，将油量调节机构位置固定不动，调整测功量时，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，然后记器
33、的负荷，内燃机的转速相应发生改变，然后记录有关数据并整理绘制出曲线，一般是以发动机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。转速作为横坐标。部分速度特性与外特性部分速度特性与外特性 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。部分负荷速度特性。由于外特性上反映了内燃机所能达到的最高性能，确定了最大功率、最大转矩以及对应的转速，因而是十分重要的，所有发动机出厂时都必须提供该特性。特性曲线一、柴油机的速度特性 图83a是柴油机的速度特性。对图中主要参数(如有效转矩与燃油消耗率)的变化趋势，可作如下分
34、析。由于转矩Ttq正比于平均有效压力pme，而pme可以表示为 (93)式中，gb为每循环供油量。可见，在柴油机中，转矩的大小取决于每循环供油量gb，指示热效率it以及机械效率m，图84给出了外特性上主要参数的变化情况，其趋势可分别阐述如下。1)1)对于常用的柱塞式供油泵，对于常用的柱塞式供油泵，对于常用的柱塞式供油泵，对于常用的柱塞式供油泵，当油量调节机构位置固定且无当油量调节机构位置固定且无当油量调节机构位置固定且无当油量调节机构位置固定且无特殊的油量校正装置时，随柴特殊的油量校正装置时，随柴特殊的油量校正装置时，随柴特殊的油量校正装置时，随柴油机转速的下降，通过柱塞与油机转速的下降，通过
35、柱塞与油机转速的下降，通过柱塞与油机转速的下降，通过柱塞与柱塞套间的燃油泄漏增多，且柱塞套间的燃油泄漏增多，且柱塞套间的燃油泄漏增多，且柱塞套间的燃油泄漏增多，且柱塞有效行程由了斜槽节流作柱塞有效行程由了斜槽节流作柱塞有效行程由了斜槽节流作柱塞有效行程由了斜槽节流作用的减弱而降低，导致每循环用的减弱而降低，导致每循环用的减弱而降低，导致每循环用的减弱而降低，导致每循环供油量供油量供油量供油量gbgb有所减少，如图有所减少，如图有所减少，如图有所减少，如图8484中的曲线中的曲线中的曲线中的曲线1 1。加装校正装置后。加装校正装置后。加装校正装置后。加装校正装置后的油泵，其的油泵，其的油泵，其的
36、油泵，其gbgb随转速的变化趋随转速的变化趋随转速的变化趋随转速的变化趋势如图中的曲线势如图中的曲线势如图中的曲线势如图中的曲线2 2和曲线和曲线和曲线和曲线3 3，即，即，即，即在转速降低时可以保持供油量在转速降低时可以保持供油量在转速降低时可以保持供油量在转速降低时可以保持供油量的基本不变或略有上升。曲线的基本不变或略有上升。曲线的基本不变或略有上升。曲线的基本不变或略有上升。曲线的具体形状取决于校正方法。的具体形状取决于校正方法。的具体形状取决于校正方法。的具体形状取决于校正方法。根据机械效率的分析式，根据机械效率的分析式，根据机械效率的分析式，根据机械效率的分析式，式中，式中，式中，式
37、中，A A为一常数。为一常数。为一常数。为一常数。当内燃机的转速降低当内燃机的转速降低当内燃机的转速降低当内燃机的转速降低时，平均机械损失压力时，平均机械损失压力时，平均机械损失压力时，平均机械损失压力p pmmmm将逐渐减少，将逐渐减少，将逐渐减少，将逐渐减少，it it及及及及c c有适当的增加，特别是有适当的增加，特别是有适当的增加，特别是有适当的增加，特别是p pmmmm的下降占主导地位，的下降占主导地位，的下降占主导地位，的下降占主导地位，故机械效率故机械效率故机械效率故机械效率 mm将随转速将随转速将随转速将随转速的降低而提高。的降低而提高。的降低而提高。的降低而提高。2)2)在发
38、动机转速从最高在发动机转速从最高在发动机转速从最高在发动机转速从最高转速逐渐降低时，柴油转速逐渐降低时，柴油转速逐渐降低时，柴油转速逐渐降低时，柴油机的充量系数机的充量系数机的充量系数机的充量系数c c由于气由于气由于气由于气流速度的下降、节流损流速度的下降、节流损流速度的下降、节流损流速度的下降、节流损失的降低而逐渐提高，失的降低而逐渐提高，失的降低而逐渐提高，失的降低而逐渐提高，这对改善燃烧、提高指这对改善燃烧、提高指这对改善燃烧、提高指这对改善燃烧、提高指示热效率示热效率示热效率示热效率 it it有好处。然有好处。然有好处。然有好处。然而，在转速过低时，出而，在转速过低时，出而，在转速
39、过低时，出而，在转速过低时，出于不能利用气流惯性进于不能利用气流惯性进于不能利用气流惯性进于不能利用气流惯性进行过后充气，行过后充气，行过后充气，行过后充气，c c出现下出现下出现下出现下降趋势，会使得指示热降趋势，会使得指示热降趋势，会使得指示热降趋势，会使得指示热效率效率效率效率 it it下降下降下降下降 o根据以上分析可知，对于无油量校正装置的柴油机，在转速降低时，由于每循环供油量的减少，相应抵消了机械效率m和热效率it提高的影响。综合作用的结果是使得柴油机外特性上的转矩Ttq曲线很平坦。o在部分负荷速度特性上，在转速很低时充量系数c下降，导致了it的下降，且每循环供油量gb随转速下降
40、的幅度较大，使得it下降幅度超过了机械效率m随转速降低而增长的幅度，因而转矩曲线出现了如图83所示的随转速下降而降低的趋势。柴油机的燃油消耗率柴油机的燃油消耗率柴油机的燃油消耗率柴油机的燃油消耗率bebe曲线在整个速曲线在整个速曲线在整个速曲线在整个速度特性的变化范围内比较平坦，两端度特性的变化范围内比较平坦，两端度特性的变化范围内比较平坦，两端度特性的变化范围内比较平坦，两端略有上翘，同样可利用式略有上翘，同样可利用式略有上翘，同样可利用式略有上翘，同样可利用式(82)(82)来解来解来解来解释。释。释。释。bebe在某一中间转速时最低，当转在某一中间转速时最低，当转在某一中间转速时最低，当
41、转在某一中间转速时最低，当转速高于此转速时，因速高于此转速时，因速高于此转速时，因速高于此转速时，因 mm和和和和 it it同时下同时下同时下同时下降而使降而使降而使降而使bebe上升；而当转速低于此转速上升；而当转速低于此转速上升；而当转速低于此转速上升；而当转速低于此转速时，由于充量系数时，由于充量系数时，由于充量系数时，由于充量系数c c下降，加上燃下降，加上燃下降，加上燃下降，加上燃油雾化差，涡流减弱，使得油雾化差，涡流减弱，使得油雾化差，涡流减弱，使得油雾化差，涡流减弱，使得 mm的上升的上升的上升的上升弥补不了弥补不了弥补不了弥补不了 it it的下降幅度，的下降幅度，的下降幅度
42、，的下降幅度，bebe同样上升。同样上升。同样上升。同样上升。在部分负荷速度特性上，燃油消耗率在部分负荷速度特性上，燃油消耗率在部分负荷速度特性上，燃油消耗率在部分负荷速度特性上，燃油消耗率整体水平由于整体水平由于整体水平由于整体水平由于 mm较低而较外特性上的较低而较外特性上的较低而较外特性上的较低而较外特性上的燃油消耗率曲线有所上升，但随转速燃油消耗率曲线有所上升，但随转速燃油消耗率曲线有所上升，但随转速燃油消耗率曲线有所上升，但随转速的变化趋势基本与外特性相似。的变化趋势基本与外特性相似。的变化趋势基本与外特性相似。的变化趋势基本与外特性相似。二、汽油机的速度特性汽、柴速度特性的差别汽、
43、柴速度特性的差别 1)柴油机在各种负荷的速度特性下的转矩曲线都比柴油机在各种负荷的速度特性下的转矩曲线都比较平坦，在中、低负荷区，转矩甚至随转速升高而增较平坦，在中、低负荷区，转矩甚至随转速升高而增大；而汽油机的速度特性则不同，转矩曲线的总趋势大；而汽油机的速度特性则不同，转矩曲线的总趋势是随转速升高而降低，节气门开度越小，这种降低的是随转速升高而降低，节气门开度越小，这种降低的斜率越大，并导致功率曲线呈上凸形斜率越大，并导致功率曲线呈上凸形(图中曲线图中曲线3与与4)，随着节气门开度减小，相应的最大功率和对应，随着节气门开度减小，相应的最大功率和对应的转速降低。的转速降低。2)柴油机的燃油消
44、耗率曲线在各种负荷的速度特性下都比较平坦，仅在两端略有翘起，最经济区的转速范围很宽；汽油机则有所不同，其油耗曲线的翘曲度随节气门开度减小而剧烈增大，相应最经济区的转速范围越来越窄。特性差别之分析（走势分析）特性差别之分析（走势分析）o对于上述现象，可以通过转矩的分析式来解释。与柴油对于上述现象，可以通过转矩的分析式来解释。与柴油机不同的是，汽油机采用定质变量的负荷调节方法，故机不同的是，汽油机采用定质变量的负荷调节方法，故转矩的变化与吸入气缸的混合气数量有密切的关系。为转矩的变化与吸入气缸的混合气数量有密切的关系。为此，根据充量系数的定义式，可得此，根据充量系数的定义式，可得 o o o将其代
45、入式将其代入式(83)，并化简为，并化简为 （85）o 由前所述可知，汽油机的过量空气系数由前所述可知，汽油机的过量空气系数a基本上不基本上不随转速而变化，故可将其看成一个定值。这样，转矩就随转速而变化，故可将其看成一个定值。这样，转矩就取决于指示热效率取决于指示热效率it、充量系数、充量系数c和机械效率和机械效率m的乘的乘积。积。以下分析三者随转速变化的规律以下分析三者随转速变化的规律(1)指示热效率指示热效率it 在节气门全开的情况下在节气门全开的情况下(外特性曲线外特性曲线)，发动机低，发动机低速运转时，由于气缸内气流扰动减弱，火焰传播速运转时，由于气缸内气流扰动减弱，火焰传播速度降低，
46、传热损失以及漏气损失相对增加，导速度降低，传热损失以及漏气损失相对增加，导致致it略有下降；而高转速时，由于以曲轴转角计略有下降；而高转速时，由于以曲轴转角计的燃烧持续期增大，以及泵吸功增加，对的燃烧持续期增大，以及泵吸功增加，对it也会也会产生不利的影响，故曲线整体呈现马鞍形的上凸产生不利的影响，故曲线整体呈现马鞍形的上凸状。当节气门开度减小后状。当节气门开度减小后(部分负荷部分负荷)，随转速的，随转速的提高，节气门的节流作用大大加强，泵气损失所提高，节气门的节流作用大大加强，泵气损失所占比重增大，导致指示热效率占比重增大，导致指示热效率it大大下降，而且大大下降，而且随节气门开度的降低，下
47、降幅度更大。随节气门开度的降低，下降幅度更大。(2)充量系数充量系数c 图图85a是汽油机充量系数是汽油机充量系数c随转速的变化情况。图中随转速的变化情况。图中的数字的数字15是表示节气门不同开度下的是表示节气门不同开度下的c曲线，数字越曲线，数字越大，则开度越小。汽油机沿速度特性运行而节气门全开大，则开度越小。汽油机沿速度特性运行而节气门全开(即外特性下即外特性下)时，时，c曲线在某一中间转速处呈上凸状，曲线在某一中间转速处呈上凸状，低于或高于此转速则有一定幅度的下降低于或高于此转速则有一定幅度的下降(图中曲线图中曲线1)。同。同样沿速度特性运行而节气门处于部分开度时，由于进气节样沿速度特性
48、运行而节气门处于部分开度时，由于进气节流严重，进气阻力增加，流严重，进气阻力增加，c减小，而且随转速升高，减小，而且随转速升高，c下降的斜率也增大；转速降低时，进气阻力减小，节气门下降的斜率也增大；转速降低时，进气阻力减小，节气门的节流作用减弱，的节流作用减弱，c增加增加(图中的曲线图中的曲线2、3、4、5)。(3)机械效率机械效率m o机械效率机械效率m随节气门开度的变化规律，如图随节气门开度的变化规律，如图85b所示。根据式所示。根据式(84)可知，当汽油机按外特性运行时，由于转速越高，机械损失压力可知，当汽油机按外特性运行时，由于转速越高，机械损失压力pmm越大，故机械效率越大，故机械效
49、率m随转速的增加而下降。当沿部分负荷速度随转速的增加而下降。当沿部分负荷速度特性工作时，节气门处于部分开度，特性工作时，节气门处于部分开度，m随转速的增加而下降的斜率随转速的增加而下降的斜率比节气门全开时大比节气门全开时大(比较图中曲线比较图中曲线1与与3)，这是因为，这是因为pmm与节气门全与节气门全开时一样随转速增加而增加，而充量系数开时一样随转速增加而增加，而充量系数c和指示热效率和指示热效率it则随转则随转速增加而下降很快，相应导致平均指示压力速增加而下降很快，相应导致平均指示压力pmi随转速增加而急剧降随转速增加而急剧降低。当转速高于某一值后，就会出现低。当转速高于某一值后，就会出现
50、pmipmm的情况，而使机械效的情况，而使机械效率为零，意味着内燃机在相应转速下空车运行率为零，意味着内燃机在相应转速下空车运行(无功率输出，图中曲无功率输出，图中曲线线4)。节气门开度越小，出现。节气门开度越小，出现m0的转速就越低的转速就越低(比较曲线比较曲线4与与5)。根据以上分析可知，对于汽油机而根据以上分析可知，对于汽油机而根据以上分析可知，对于汽油机而根据以上分析可知，对于汽油机而言，当节气门全开时，转矩曲线将言，当节气门全开时，转矩曲线将言，当节气门全开时，转矩曲线将言，当节气门全开时，转矩曲线将是一条上凸的曲线，且上凸的位置是一条上凸的曲线，且上凸的位置是一条上凸的曲线，且上凸