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1、内燃机的特性与匹配,第二节 内燃机与工作机械的匹配,除发电外，一般内燃饥联合工作的工作机械，理想驱动特性都是在运行速度较低时，驱动力或牵引力较大。 内燃机的速度特性，当转速下降时，其输出转矩变化并不大。因此，不能直接驱动工作机械运行，必须通过传动系统装置来输出动力，这就涉及到发动机选择、传动系统的设计等内燃机与工作机械的匹配问题。 内燃机与工作机械的匹配，一般从两个方面进行，即经济性匹配和动力性匹配。,一、汽车的动力性与受力平衡,汽车在行驶过程中的平衡关系式为,式中： F1为驱动力，由发动机提供； F 为汽车在行驶过程中的各种行驶阻力之和。,(一)汽车的驱动力,发动机输出并作用在驱动轮上的转矩
2、Ttqt，使车轮对道路产生作用力F0 ； 道路对车轮的反作用力Ft是驱动汽车行驶的外力，称汽车驱动力，它与F0大小相等、方向相反 如车轮半径为r，则汽车的驱动力 根据汽车变速器的工作原理，Ttqt与发动机输出转矩Ttq关系为 Ttqt=Ttqiciot 式中，ik及io为变速器及主传动器的传动比； t为传动系的效率。 于是,图8-11 汽车的驱动特性示意图,汽车驱动力与发动机输出转矩Ttq、传动系统的效率t 、传动比ic和io以及车轮半径r有关。 据发动机的特性曲线，可求出汽车的驱动特性，即驱动力与行驶速度的关系。,Ft1 一挡时的驱动力 Ft2 二挡时的驱动力 Ft3 三挡时的驱动力,(二)
3、汽车的行驶阻力,汽车在水平路面上等速行驶时，须克服： 来自行驶道路的滚动阻力 Ff 来自空气的空气阻力 Fw 当汽车在上坡行驶时，须克服 汽车重力沿坡道的分力(称为坡道阻力) Fi 汽车在加速行驶时惯性力(称为加速阻力) Fj 汽车的总行驶阻力为 F=Ff+Fw+Fi+Fj,1滚动阻力,滚动阻力是指车轮沿水平面滚动时产生的各项阻力的总和， Ff=f W=f mg 式中：W 为作用于汽车上的重力； m 为汽车的总质量； f 为轮胎滚动的阻力系数；,2空气阻力,3坡道阻力,汽车沿坡道上坡行驶时，需克服与道路坡度有关的阻力,坡度为的坡道，汽车的上坡阻力 Fi=Wsin 与路况和车重有关的滚动阻力和坡
4、道阻力统称为道路阻力，记为 F=Ff+Fi=W(fcos +sin ) 较小时，cos 1，sin i tan F W(f+i) =W 令 =f+i，称作道路阻力系数,4. 加速阻力,汽车任行驶过程中，无论加速或减速都要承受惯性阻力，这一阻力统称为加速阻力，它等于汽车质量和加速度的乘积。 由于惯性力是由平移质量和旋转质量两部分引起的，而旋转质量难以进行汁算，引入旋转部分等效质量换算系数( 1)，以将旋转质量转化为平移质量。 汽车相对于路面的行驶速度为u，汽车的加速度为du/dt，则加速阻力为,(三)汽车的动力特性,1. 驱动力特性,用于分析汽车沿典型路面的行驶能力，确定汽车在节气门全开时可能达
5、到的最高车速、加速能力和爬坡能力等，即确定汽车的动力性能。,图8-13 汽车驱动力与行驶阻力的平衡图,最高档位的最高车速，可用Ft4线与Ff+Fw线的交点确定。 车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，汽车可用剩余驱动力加速或爬坡。 关小节气门开度，发动机沿部分负荷速度特性工作，相应地得到虚线所示的驱动力曲线，以使汽车达到新的平衡。,在驱动力图上画出滚动阻力和空气阻力，形成汽车驱动力与行驶阻力的平衡图。,2动力特性,引入汽车动力因数指标 D，评价不同质量的汽车在动力性能上的差异,不同汽车，只要动力因数D相同，便可以克服同样的坡度，产生同样的加速度。,图8-14 两种不同质量汽车的动力特性图,动
6、力因数为表征汽车动力特性的指标。 汽车在各挡下的动力因数与车速的关系曲线称为动力特性图。,3行车性能图,汽车一定速度时的全部行驶阻力，及发动机所能发出的最大驱动能力计算出的变速器在每挡位的驱动力，绘成曲线，即是行车性能曲线。,图8-16 最高车速和最大爬坡能力,图8-17 后备驱动力,4. 汽车的功率平衡,汽车行驶过程中，发动机发出的功率始终等于机械传动损失与全部运动阻力所消耗的功率。 汽车运动阻力消耗的功率有：滚动阻力功率Pf；空气阻力功率Pw；坡道阻力功率Pi；加速阻力功率Pj，还有部分消耗于传动系中，故实际驱动功率为,图8-18 汽车功率平衡图,不同挡位时，发动机输出的最大功率不变，只是
7、各挡发动机功率曲线所对应的车速不同。 低速挡位时，所对应的车速变化区域窄，高档速时，车速变化区域宽。,不同挡位下发动机输出功率、经常遇到的阻力功率与车速画在一张图上，称汽车功率平衡图。,功率平衡图,从功率平衡图上可以分析出后备功率的大小。 当汽车在良好的水平路面以车速ua等速行驶时，仅需维持部分开度即可维持汽车的等速行驶。此时所需功率与发动机在此车速下所能发出的最大功率之差称为后备功率。 汽车的后备功率越大，汽车的动力性能越好。,二、内燃机与汽车的经济性匹配,发动机的经济性能与汽车的经济性能是两个既密切相关又有明显差异的概念； 发动机的经济性以有效燃油消耗率be g/(kWh)衡量， 汽车的经
8、济性能以汽车每行驶百公里所消耗的燃油量(又称使用油耗)用g100 (kg/100km)表示。,B 发动机的燃油消耗量(kg/h)； ua 汽车行驶速度(km/h),汽车的最佳经济性能,Pe为有效功率(kW)；be为燃料消耗率g/kWh；pme为平均有效压(MPa)；Vs为单缸工作容积(L)；n为发动机转速(r/min)；r为轮胎工作半径(mm)。 缸数i、单缸排量Vs、轮胎工作半径r、主传动比io等参数一定时，汽车的使用油耗g100仅与变速器某挡的速比ik、pme以及be有关。 当ikpme be最小时，汽车经济性能最佳。,=4,对发动机,(一)汽车万有特性,在发动机万有特性曲线上，绘出各种使
9、用条件(不同挡位)的驱动功率线、等百公里油耗线(使用油耗)以及车速与发动机转速的对应关系线，形成汽车万有特性。 该曲线的上半部分是发动机的万有特性，中间是不同挡位的牵引功率线以及等使用油耗线，而在其下部是不同挡位的汽车速度与发动机转速的对应关系线。,图8-19 一辆轻型载货汽车的万有特性,在己知车速与挡位的前提下，在曲线下部确定发动机的转速，然后从该点引垂直线向上，在曲线的中部与该挡位对应的牵引功率曲线相交，即为此时发动机的工况点，从而可以求出发动机此时的有效燃油消耗率、功率以及汽车的使用油耗等值。,(二)经济性匹配的基本原则,在汽车万有特性曲线上，要求直接挡或超速挡的常用道路阻力曲线接近发动
10、机低油耗区，且范围要大。 可适当减小总减速比io或略加大轮胎半径，使直接挡或超速挡的常用道路阻力曲线接近发动机低油耗区，降低使用油耗。 g100随车速的增加而增大。相同车速下，不同排挡对应的使用油耗差别很大。 高档时的使用油耗低于低挡时的使用油耗值。,(三)改善经济性匹配的途径,发动机最低燃油消耗率时，往往汽车的经济性并不是最佳； 仅在车速与发动机的功率都不变时，汽车的使用油耗才与发动机的有效燃油消耗率变化趋势相同。,1发动机,改变传动比，使发动机在pme高、be低的情况下工作，并不能降低g100，应设法使发动机万有特性的低油耗区移至中等转速、较低负荷区。 发动机的经济区应位于常用排挡及车速区
11、。 在选择发动机时，对其特性要提出具体的要求，或者设法改变发动机的特性曲线，以适应汽车使用的要求。,2挡位,在同一道路与车速下，相同发动机Pe，挡位越低，后备功率越大，发动机pme越低，be越高，g100就越大；而使用高挡的情况则与此相反。 排挡无限多，即所谓无级变速器，可提供任何条件下发动机工作处于经济工况的可能性。 目前采用较多的是自动液力变速器，或者将自动与手动变速相结合，以达到既提高经济性，又便于驾驶的目的。,3行驶车速,在接近低速的中等车速时，使用油耗最低； 高速时使用油耗随车速的增加而迅速增加。因为在高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力增加很大，从而导致使用油耗的增
12、加。 汽车的运行过程中不仅仅消耗了燃油，还要支付许多其他相关的费用。比较理想的经济车速，应当使g100/ua最小，此时，既可保证节油而生产率又可得到保证，称实用车速。,三、内燃机与汽车的动力性匹配,(一)发动机功率的选择 据预期的最高车速初步选择发动机应有的功率。 最高车速反映了汽车加速能力和爬坡能力。最高车速越高，要求的发动机功率越大；汽车的后备功率越大，加速与爬坡能力必然较好。 车用发动机的功率应大于或等于以最高车速行驶时的行驶功率,(二)传动系参数的选择,itmin的选定视汽车对经济性及动力性的侧重而定。 侧重动力性时，最大行驶速度对应的发动机转速略高于其标定转速；侧重于经济件时，可略低
13、于标定转速；两者兼顾时，使其相等。,汽车大部分时间是用最小传动比的挡位以最高档行驶的。,2最大传动比及各挡速比的分配,最大传动比itmax是变速器最低挡的减速比i1与主减速比io的乘积； 中、大型货车在第1挡行驶时，应保证动力因数D1max0.30.4。 一般来说，汽车的最大总传动比对货车为3550，轿车为1218。 在确定挡位数后，通常采用等比级数来进行各挡传动比的分配，级数一般不大干1.71.8，档数为n 时，中间某挡值数为m的传动比是,2最大传动比及各挡速比的分配,若排挡选择适当，按等比级数分配传动比的变速器，能使发动机经常在接近外特性标定点的较大功率范围内运转，从而增大了汽车的后备功率
14、，提高了汽车的加速和爬坡能力，同时也可以使发动机在换挡过程中转速变化比较平缓。 完全按等比级数分配，会出现某些挡位间隔太小、利用率低的问题；,四、内燃机与其他工作机械的匹配 (一)发电用内燃机,转速n与工作频率f之间的关系是 n=60f/p，p为磁极对数。 10kW以下多以小型汽油机为动力。201500kW移动式电站多以柴油机为动力。 内燃机功率要大于电站功率，以克服传动损失和励磁损失并留有一定的功率储备，两者之比就是电站的匹配比。 为保持电流频率的稳定性，内燃机稳定调速率要求低于5，瞬时调速率低于10，稳定时间小于35s，转速波动率低于0.5(汽油机低于1)。,(二)船用柴油机的匹配,船机包括用于推进的主机和用于发电的辅机。辅机发电用柴油机大致相同，主机用柴油机匹配过程的特点如下： 高可靠性、良好的平衡能力以及在船舶纵、横摇摆的条件下能正常工作，是船机的特殊要求。 对于直接驱动螺旋桨的柴油机，还要求配有换向机构，以便可以比较方便地实现发动机的反转，实现船舶的倒车。 当采用双机驱动时，要求装备有左右机型；,
