《汽车发动机原理》读书笔记6

《汽车发动机原理》读书笔记6
第六讲：内燃机特性
第⼀讲中我们介绍了表⽰内燃机主要性能指标，前⾯各讲中还分别阐述了内燃机各个过程的特性参数。

内燃机的⼯况时变化的，内燃机可以在不同转速、不同负荷下⼯作。

当内燃机⼯况（转速和负荷）发⽣变化时，其相应的各项参数和指标也要发⽣变化。

这种变化与内燃机以及其与之配套的⼯作机械（如汽车、拖拉机、发电机、风扇、⽔泵、耕作机械、船舶、牵引机、⼯程机械等）是否相适应，有着密切的关系。

内燃机主要性能指标，如功率、转矩、耗油量、耗油率及噪声和各种效率随内燃机转速或负荷变化的关系，称为内燃机特性。

内燃机特性以图线形式表⽰的称为内燃机特性曲线。

特性曲线由实验测定，经整理后绘制成表和图。

内燃机特性分为性能特性和调整特性。

性能特性有负荷特性、速度特性、万有特性、调速特性等。

调速特性有柴油机供油提前⾓调整特性、汽油机点⽕提前⾓调整特性和混合⽓调整特性等。

调整特性
前⾯⼏讲已经讲述了调整特性，本讲着重讲述性能特性。

内燃机的特性和设计参数有着密切的关系，它⼜是与其配套机械之间的纽带，也是内燃机改进的依据和⽅向。

内燃机的⼯作范围，转速在最⾼许⽤转速和最低稳定转速之间，功率在0与最⼤功率Pe的范围内，如下图所⽰：
与内燃机配套的机械不同，内燃机的⼯作范围也不同。

如⽤于驱动⽔泵的内燃机，其符合。

转速时不变的（上图Ⅰ点）。

驱动发电机的内燃机，负荷经常变化，但是转速要维持不变（上图Ⅱ曲线）。

驱动螺旋桨的内燃机则按螺旋桨所吸收的功率曲线（上图线Ⅲ）⼯作，螺旋桨说吸收的功率与转速三次⽅成正⽐。

与测量配套的内燃机则可能在任⼀负荷、任⼀转速下⼯作，在曲线1-2-3范围内任何⼀个⼯况都需要⼯作。

⼀般来说，与汽车相配套⼯作的内燃机随汽车的种类和⾏驶范围不同⽽不同。

在城市道路⾏驶的汽车，起动、刹车频繁、车速⼜不⾼，内燃机经常在中、⼩负荷和怠速下⼯作。

在城市间公路或⾼速公路上⾏驶的汽车，车速较⾼且要求经济车速负荷公路的⾏驶有求，内燃机的负荷和转速都较⾼，偶尔超车要求能迅速超越，以接近满负荷的最⾼车速⾏驶。

因此，评价⼀台内燃机性能的好坏，不只是⼏个主要性能指标，还要考察其在各种⼯况下的性能是否满⾜要求。

⼀.内燃机试验台架
内燃机各项性能指标及其特性是在内燃机试验台架（下图所⽰）上按照规定的⽅法测定的，在内燃机试验台架上进⾏的试验称为台架试验。

1.基础
⼀般由钢筋⽔泥浇筑⽽成。

上⾯固定底板。

它是固定内燃机和测功机的基础。

其需有⾜够的质量以保证振幅不⼤于0.05-0.1mm。

四周布置隔振装置，防⽌内燃机振动对外部仪表的⼲扰。

2.测功机
它是⽤来吸收试验时内燃机发出功的设备。

它与内燃机主轴相连接并固定在基础上。

通过测功机可以测出内燃机发出的转矩Trq（Nm），并同时测量转速n（r/min），根据公式Pe=Trq*n/9550（KW），计算内燃机功率。

常⽤的测功机有⽔⼒测功机、电⼒测功机和电涡流测功机。

它们吸收的功率分别由⽔吸收转换成热后转换为电能或电涡流转换成热由⽔来冷却。

它配置有测⼒机构显⽰测功机读数，内燃机转矩与测功机读数的关系是Trq=9.55P（Nm），与功率的关系是Pe=0.001Pn（kW）。

3.油耗测量装置——油耗仪
燃油消耗测量有容积法和质量法两种，如下图所⽰，分别适⽤于汽油机和柴油机。

其基本原理是测量消耗⼀定量燃油所需要的时间Δt（s）。

4.供⽔系统
供⽔系统包括内燃机冷却⽔系统和测功机供⽔系统。

内燃机冷却⽔系统要保证试验时循环⽔温度保持在60-80℃之间。

测功机供⽔系统，根据测功机的型式提供要求的⽔压和⽔量。

⼀般由稳压⽔箱和循环⽔池组成（下图所⽰），⽔⼒测功机⽔头⾼度H>2.5m，电涡流测功机H>10m。

⽤离⼼泵向稳压⽔箱供⽔，⽔池除蓄⽔外还兼做散热之⽤，因为测功机吸收内燃机的功，转化的热量为⽔吸收，⽔温如果过⾼在测功机中容易产⽣⽓泡，影响精度。

5.内燃机供⽓系统与排⽓系统
为保持试验间的整洁和试验需要（如测量进⽓流量等），在内燃机进⽓管前应配备相应的管道和设备。

排⽓应密封引出室外，管道阻⼒要⼩并有隔热设备。

试验间还应配备通风设备，防⽕设备和隔⾳装置，以改善试验条件。

6.其他仪器与设备
按照试验要求配备必要的仪器、仪表，如烟度计。

流量计，温度计（测量⼤⽓温度与湿度、冷却⽔温、油温等）、热电偶（测排温）、⽰功仪，噪声仪、废⽓分析仪等。

⼆。

内燃机功率标定、标准⼤⽓状况及功率修正
1.功率标定
国家标准（GB1105.1—87）规定，在标准环境状况下，制造⼚根据内燃机的⽤途和特点，在标定转速下所规定的有效功率[单位以千⽡（kW）或马⼒（PS）表⽰]，有以下四种表⽰⽅法。

（1）15分钟功率
内燃机允许连续运转15分钟的标定功率。

⽤于汽车、摩托车、摩托艇⽤内燃机功率的标定。

（2）1⼩时功率
内燃机允许连续运转1⼩时的标定功率。

⽤于拖拉机、⼯程机械、船舶⽤内燃机功率的标定。

（3）12⼩时功率
内燃机允许连续运转12⼩时的标定功率。

如拖拉机、排灌机械，电站⽤内燃机功率的标定。

（4）持续功率
内燃机允许长期连续运转的标定功率。

如农业排灌、电站、船舶。

铁路机车⽤内燃机功率的标定。

（5）根据本⾏业内燃机的特点和要求规定的其他种类的标定功率
⼀般情况下，标定功率为12⼩时或持续功率的内燃机应具有超负荷功率，其值分别规定为这两种标定功率的110%，并在12⼩时运转期内连续运⾏1⼩时。

标定功率和超负荷功率之差由专业标准规定，但其值最⼤应不超过标定功率或超负荷功率的
±5%。

2.标准⼤⽓状况
由于内燃机运⾏与试验地点环境⼤⽓状况不同，同⼀台内燃机其性能差别较⼤，为使功率标定不致混乱，产品质量有统⼀标准。

GB1105.1—87规定的标准环境状况为
⼤⽓压⼒ 100kPa（750mmHg）
相对湿度 30%
环境温度 298K或25℃
中冷器冷却介质进⼝温度 298K或25℃
对于特殊使⽤环境的内燃机，可以补充规定其他的环境状况。

试验时如果⼤⽓状况与标定状况不符合，其功率按照
《GB1105.1—87 内燃机台架性能试验⽅法标准环境状况及功率、燃油消耗和机油消耗的标定》第五款的详细的修正⽅法和公式进⾏修正，修正⽅法有可调油量法与等油量法两⼤类适⽤于不同⼯作状况的内燃机。

三。

内燃机的负荷特性
内燃机的负荷特性是内燃机在转速不变的情况下，内燃机的其他性能参数随负荷改变⽽变化的关系。

由于转速是常数，有效
功率可作为度量负荷的参数，所以它的横坐标是有效功率，纵坐标主要是经济性参数qmf、be等（下图所⽰）。

因此，负荷特性主要是显⽰各种负荷情况下的经济性。

如果需要也可以显⽰其他参数（如排温Tt、烟度BSU、机械效率等参数）随负荷的变化关系。

1.柴油机的负荷特性
制取特性时，油泵供油量按照标定功率要求调整好，供油提前⾓、冷却⽔温、油温调到最佳状态。

改变柴油机供油量，同时调节测功机来调节负荷，测取耗油量、耗油率随Pe的变化关系并绘制下图所⽰的负荷曲线。

在负荷特性上，随柴油机负荷的增加，机械效率相应增加。

这是因为转速不变，机械损失功率Pm基本不变，当负荷增加时，即Pe增加时，机械效率也增加。

当Pe=0时，内燃机发出的指⽰功率全部消耗在克服机械损失上，即Pt=Pm，机械效率为0。

由于柴油机的负荷调节⽅式是质调节，在部分负荷时，过量空⽓系数较⼤，⽽使燃烧效率有所提⾼，在负荷为0时
（Pe=0）时，be趋于⽆穷⼤，随负荷增加，be迅速下降，随之变缓，到⾼负荷时，由于过量空⽓系数减⼩，燃烧恶化，be曲线上翘。

2.汽油机的负荷特性
汽油机负荷特性与柴油机负荷特性的基本形式和变化趋势差不多，但存在以下区别：
（1）汽油机的be普遍偏⾼，燃油经济性较差。

这是因为汽油机的效率低于柴油机的缘故。

汽油机转速较⾼，机械效率相差不⼤。

（2）汽油机负荷调节是量调节，过量空⽓系数变化不⼤，效率变化也不⼤，所以be的变化趋势略有不同。

此外，汽油机在接近满负荷时，省油器要加浓混合⽓，耗油量突然变⼤，过量空⽓系数下降，效率也下降，be上翘较快。

（3）汽油机制取负荷特性时，转速维持不变。

负荷调节依靠改变节⽓门开度。

低负荷时节⽓门开度⼩，过量空⽓系数⼩，随负荷增加，过量空⽓系数增加。

所以，汽油机在接近满负荷时，经济性最好。

四。

内燃机的速度特性
内燃机速度特性是指内燃机油量调节机构（柴油机为调节齿杆。

汽油机为节⽓门）的位置⼀定，内燃机性能参数（Pe、Ttrq、be、qmf等）随转速n的变化关系，油量调节机构固定在标定功率位置（油门全开位置）的速度特性称为全负荷速度特性，通称外特性，它表⽰内燃机所能达到的最⾼性能。

1.汽油机的速度特性
1）外特性
汽油机的外特性如下图所⽰。

测取时，点⽕提前⾓、化油器要调整到最佳状态，油温、⽔温正常。

在外特性曲线上，可以看出：①汽油机所能发出的最⼤功率（1点）；②最⼤转矩及其转速（2点）；③最低油耗率
bemin（3点）。

（1）转矩Ttrq曲线
扭矩Trq曲线变化趋势主要取决于热效率、机械效率和过量空⽓系数随转速n的变化趋势。

汽油机在节⽓门开度⼀定时过量空⽓系数基本不变。

在转速较低时因⽓流扰动减弱、燃烧速度减慢及损失增加，热效率略低；⽽⾼速时，燃烧所占曲轴转⾓增加，热效率也略低；整条曲线随转速n呈中凸变化（上图b）。

机械效率随转速增加⽽下降，过量空⽓系数呈中凸变化。

因此Trq的变化在转速由低升⾼的过程中，Trq也呈上升趋势，并出现最⼤值Trq_max之后，随即随转速升⾼⽽下降。

（2）功率Pe曲线
根据功率Pe=Trq*n/9550可知，Pe随转速升⾼的变化趋势，取决于Trq*n。

转速从低速增加时Pe迅速上升，并逐渐变缓，出现最⼤值，转速再升⾼，功率反⽽下降。

（3）耗油率be曲线
其变化趋势取决于机械效率乘上热效率，呈中凸的形式。

从以上可知，汽油机最⼤功率不⼀定出现在标定转速（最⾼转速）处，⼀般⽐最⾼转速略低。

2）部分速度特性
部分速度特性，由于固定节⽓门开度位置的不同有很多条，通常情况下取90%、80%、60%、50%、40%等有代表性的节⽓门开度来制取。

汽油机在部分特性⼯作时，节⽓门开度⼩。

节⽓门开度越⼩，进⽓节流损失越⼤，过量空⽓系数越低；随着转速增加，过量空⽓系数下降的更快；所以扭矩下降也越快，功率、扭矩的最⼤值点不但数值低⽽且向低速⽅向移动（参见下图）。

2.柴油机的速度特性
柴油机速度特性见下图a，其基本变化趋势与汽油机相同。

由于⼯作过程的不同，有以下⼀些差异。

1）外特性
（1）转矩Trq曲线
在没有专门的油量校准装置下，油门开度不变时，每循环供油量随转速n上升呈上升趋势（下图b）。

机械效率随转速升⾼⽽下降。

热效率则因过量空⽓系数减⼩⽽呈略降的趋势。

转矩Trq随转速升⾼的变化决定于每循环供油量、热效率和机械效率的综合影响。

可知，柴油机转矩曲线⽐较平坦，中凸形式不如汽油机明显，较平直的转矩曲线使柴油机在运⾏过程中遇到外界阻⼒变化时，转矩变化较⼤，且克服阻⼒增加的能⼒变差（图6-11）。

当外界阻⼒由曲线1增加到曲线2时，转矩曲线为A的柴油机转矩升⾼了Trq_A，⽽转矩曲线为B的柴油机转矩升⾼为Trq_B，Trq_A>Trq_B，显然A柴油机克服外界阻⼒升⾼能⼒较好且转速变化⼩，汽车在不换档情况下，车速变化也⼩。

⼀般⽤下⾯三个参数来表⽰这种适应性能⼒。

①转矩储备系数
转矩储备系数为外特性的最⼤转矩减去标定时的转矩除以标定⼯况时的转矩。

汽油机的转矩储备系数⼀般为10%-30%，⽽柴油机的5%-10%⼀般难以满⾜汽车⼯作需要，应给予校正。

②转矩适应性系数
转矩适应性系数等于最⼤转矩除以标定转矩。

汽油机⼀般为1.1-1.3，柴油机为1.05左右。

③速度适应性系数
速度适应性系数为标定转速除以最⼤转矩点转速。

为了使内燃机有较⾼的转速转矩，速度适应性系数⼤于1.65为宜，系数越⼤，内燃机稳定⼯作转速范围越⼤。

（2）功率Pe与油耗率be曲线
柴油机有效功率Pe随转速增加⽽增⼤，由于柴油机转矩曲线⽐较平直，其功率Pe曲线上升速率较汽油机为⼤，且最⼤功率往往都出现在标定转速处。

同理，油耗率be曲线与功率Pe曲线变化相反，随转速升⾼⽽迅速下降，在某⼀中间转速处出现最低点be_min，整个曲线变化⽐较平缓。

2）部分速度特性
由于柴油机的负荷调节是质调节，充量系数不受油门开度的影响，部分负荷时仅循环供油量下降，所以部分负荷变化趋势基本与外特性相同，仅数值不同，功率Pe、转矩Trq下降，油耗率be上升。

五.万有特性
万有特性也称综合特性，车⽤发动机⼯作时转速。

负荷变化范围很⼴，需要有⼀系列速度特性和负荷特性才能全⾯掌握其各种⼯况下性能指标的变化。

万有特性以转速为横坐标，平均有效压⼒为纵坐标，在图上画出等油耗曲线和等功率曲线。

根据需要还可以画出等油耗曲线和等功率曲线。

根据需要还可以画出等过量空⽓系数、冒烟极限等。

下图为NJ422A汽油机的万有特性。

绘制万有特性曲线的⽅法是：
1.等功率曲线
Pe=Pme*i*Vh*n*1000/30τ（kW）
在结构⼀定时，Pe∝K*Pme*n，式中K=i*Vh/（30τ*1000）。

所以，Pme与n呈双曲线关系，给定Pe即可做出等功率曲线。

2.等油耗曲线
等油耗曲线可以根据⼀系列的负荷特性或⼀系列的速度特性转化过来。

现仅介绍根据各种转速下的负荷特性曲线⽤作图法得到，如下图所⽰。

①将不同转速的负荷特性⽤同⼀⽐例花在同⼀张图上；
②在万有特性横坐标上以⼀定⽐例标出转速值，⽽纵坐标Pme⽐例与负荷特性图相同；
③将符合特性图横放在万有特性左侧，在其上引若⼲等be线与be曲线相交，各有1-2个交点，再从交点引⽔平线⾄万有特性的各相应的转速线上，将不同转速上等油耗点连接起来，即得到等油耗率线。

从万有特性可以看出最经济⼯作范围能否与其配套机械运⾏范围相适应。

如载重汽车，因经常在⼤负荷、转速不⾼的范围内运⾏，最经济区位于图中左上⽅为宜。

⼩轿车经常运⾏在⾼速⾼负荷区，要求经济区位于右上⽅。

六。

螺旋桨特性
内燃机驱动螺旋桨⼯作时，其功率全部由螺旋桨吸收，此时内燃机⼯作特性就是螺旋桨特性，固定螺距的螺旋桨所吸收的功率与转速的三次⽅成正⽐。

所以，内燃机驱动螺旋桨⼯作时，其有效功率也与转速呈三次⽅变化（见下图），即Pe=A*n*n*n 转矩Trq则与转速呈⼆次⽅变化，即Trq=B*n*n
式中：A、B均是与螺旋桨结构有关的常数，。