内燃机原理第十章节4h幻灯片

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1、 10-1 内燃机的运行工况和调节,一、内燃机的运行工况 1、内燃机的运行状态称为工况。 稳定工况：n和Me两个基本参数均有 确定值。 非稳定工况：至少有一个基本参数的 量值呈变化状态。它是前后两 个稳定工况之间的过渡工况 。 2、内燃机的工况范围 对某种特定的内燃机而言，它只 能在有限的转速和扭矩范围内正常运行。 如图101示。,图101 内燃机的工况范围,第十章 内燃机的运行特性,Me： 该机在不同转速下所能够输出的最大扭矩； B： 该机的设计工况点或称为标定工况点； Mr：该机外界阻力从点B开始急剧减小，直至为零时的扭矩 特性； nb： 标定工况下的转速； nmin:为最低稳定工作转速；

2、 nmax:最高空载转速 阴影部分:该机实际运行工况点 的范围； Mc：该机作为原动力的工程机械或交通运输工具的阻力 矩曲线。,二、内燃机工况的标定 所谓工况的标定也称功率的标定，是指制造厂商根据其内燃机产品的性能和用途，规定该产品在标准大气条件下所输出的有效功率(标定功率)Ne及其对应的转速（标定转速）nb。 根据国家标准GB 110587内燃机台架性能试验方法的规定，内燃机的标定功率依不同的用途分为以下四类： 15分钟功率 适于作为汽车、军用车辆动力和快艇主机的标定功率。 1小时功率 适于作为舰用主机、坦克发动机、工程机械动力 的标定功率。 12小时功率 适于作为拖拉机等农用机具动力的标定

3、功率 持续功率 适于作为船舶、内燃机车、电站、及排灌机械等机具动力的标定功率。 一般： 持续功率90 12小时功率 12小时功率90 1小时功率 1小时功率90 15分钟功率,图102 内燃机的功率标定,图102所示的为某内燃机产品根据其不同的用途所规 定的四种标定功率间的相对关系。,三、内燃机工况的稳定性及调节,在稳定工况下，内燃机的输出扭矩Me与从动机具的阻力矩Mc相平衡。如图 103所示的a点（设计匹配工作点），若以两种不同的内燃机与之匹配，其扭矩特性曲线分别为Me1和Me2。当阻力矩Mc因某种原因而减小为Mc时，两种内燃机在原工,图103 工况稳定性的比较,况点a处的扭矩大于实际阻力矩

4、，其转速将升高，工况匹配点将按各自的特性曲线右移，分别到达新的平衡点b和c。由于曲线Me1的斜率比曲线Me2的陡，所以，到达点b的平衡过程比,到达点c的要快；同样，当阻力特性曲线变陡，即由Mc变为Mc时，到达点d的平衡过程也比到达点e的要快。可见，扭矩特性曲线越陡的内燃机，其工况的稳定能力越强，转速的变化率也越小。 在实际内燃机中，汽油机的扭矩特性曲线如同曲线Me1一样，比较陡峭；而柴油机的扭矩特性曲线则与曲线Me2相似，较为平坦，所以，汽油机一般都不需配备调速装置，即使是阻力矩突变为零，也不会出现超速现象，这是因为汽油机喉管处节流作用，随n上升， v下降， Me急剧下降，使得n不会上升太多。

5、而柴油机则必须借助调速装置，根据阻力矩的变化自动调节其循环供油量，以控制其转速变化率，防止发生超速事故。 四、内燃机常用的调速装置 内燃机工况的自动调节是由调速器来完成的。不同用途的内燃机所配备的调速器也不尽相同。,如前所述，汽油机因其扭矩特性陡峭，因此工况的自稳定能力强，一般都不配备调速器；而柴油机因其扭矩特性平缓，因此工况的自稳定能力差，则必须配备调速器。 1、调速器的型式 柴油机常用的调速器按其功能可分为单制式、两极式、分级式和全程式等四类；按其结构又可分为机械式、液压式、气动式和电子式等。 (1) 气动式调速器因需要在柴油机的进气管内装上节流装置，因此充气系数v会下降，且其感应膜片的寿

6、命短，所以很少被应用。 (2) 电子式调速器尚在研究、开发之中，还未达到普及的程度。 (3) 机械式调速器是由感应元件（一般都用离心式飞锤）经杠杆机构来直接调节供油量，也称直接作用式调速器。,为了提高灵敏度，飞锤必须做得比较轻巧，因此，离心力不大，工作能力较弱，调速精度也不高，这种调速器主要用作小功率柴油机上。 (4) 液压式调速器，将感应元件的作用力放大后间接作用于油量调速机构，工作能力强、调速精度高，但结构较复杂，成本较高，适合于油量调节机构摩擦阻力较大的大功率柴油机。 2、调速器的选用 为保证内燃机运行工况的稳定性，不同用途的柴油机应配备具有相应功能的调速器。 （1） 对船用主机而言，从

7、理论上讲只需用极限调速器即可正常运行，但为了使船舶在阻力变化的情况下能维持航速基本不变，常常还是给它配备上全程式调速器。,（2） 对交替驱动螺旋桨和发电机的船用柴油机而言，应采用具有精密调速和极限调速功能的专用调速器。 （3） 对于多台柴油发电机组并联运行的情况，其柴油机应配备具有复合反馈功能的特种调速器，以保证各机组间负荷的均衡性。 （4） 对于工程机械、拖拉机和坦克所用的柴油机，因其阻力矩变化频繁，因而必须采用全程式调速器来自动调节运行工况。 车用柴油机多数是采用两极式调速器，也有采用全程式调速器的。 运输式车辆经常需要改变车速，若采用全程式调速器，则须频繁地改变油门位置来调整车速，这样容

8、易引起排气冒烟，且使燃油经济性下降；若是采用两极式调速器，则不必经常改变油门位置，让柴油机按其速度特性运行即可满足调整车速的,需要。当道路情况发生变化时，驾驶员可直接调节油门位置来改变车速。 近年来所研制的分级式调速器是一种集两极式和全程式两种调速器的优点于一体的调速装置，它更适用于车用柴油机。 102 内燃机的基本运行特性 一、内燃机的速度特性及调速特性 1、速度特性定义 内燃机在循环供油量保持不变的情况下，其主要性能参数(Me、Ne、ge、Tr以及烟度、噪声级等)随转速n而变化的规律被称为内燃机的速度特性。,当柴油机的循环供油量被限制在对应于标定工况点的位置或汽油机的节气门全开时，其主要性

9、能参数随转速不同而变化的规律被称为全负荷速度特性，俗称为外特性，如106曲线4所示。,图106 内燃机的速度特性及柴油机的极限调速特性 （a）汽油机； （b）柴油机,若将油量调节手柄固定在使内燃机能达到其极限工作能力的位置上，则所对应的速度特性被称为极限外特性，如曲线6所示。内燃机产品在出厂前，其最大供油量已被限制在极限外特性所对应的油量以下，因此，内燃机事实上不可能按极限外特性运行。 柴油机的外特性是在其燃油泵的最大供油量受到油量限制器的作用下测取的。若没有油量限制器的作用，所测得的外特性称为冒烟外特性，如图106(b)曲5所示。 当装有两极式调速器的柴油机其循环供油量被限制在任一低于标定工

10、况点的位置，或汽油机的节气门不全开时，其主要性能参数随转速不同而变化的规律称为部分负荷速度特性，如曲线3、2、1所示。,2、调速特性定义 柴油机的调速特性是将油量调节手柄锁定，其循环供油量受制于调速器的调节时，主要性能参数随转速不同而变化的规律。 图106(b)的曲线4、3、2和1所示的为装有极限调速器的柴油机在不同油门位置下所测得的调速特性曲线。 3、速度特性分析 内燃机在稳定工况下，其有效功率Ne和扭矩Me之间的关系可用下式表示：,由上式知Me与s、v、i、和m有关。,（1）进气总管内的空气密度s 对非增压内燃机而言，可以认为，s不随转速不同而变化。 对增压内燃机，s与增压比k成正比，同时

11、还与中冷器的冷却度c成正比。 a）当增压内燃机按速度特性运行时，其增压比k随转速的下降而减小。 b）在相同的增压比k下，中冷度c越高，则s越大。,图107 中冷度c对s的影响,图107所示的是中冷度c对s的影响，曲线0表示无中冷器的情况，曲线1、2、3和4依次表示中冷度越来越高。因增压比k随内燃机转速的升降而升降，所以，该图实际上反映了s与内燃机转速n之间的关系。,（2）充气系数v,对确定的内燃机而言，当它按速度特性运行时， (1) 当n/nb0.41时， ； (2) 当n0.4nb时，因配气相位对v不利， 。,图108 各种发动机v与n的关系,当汽油机按部分负荷速度特性运行时，负荷不同，节气

12、门的开度也不同。在低负荷工况下，由于节气门的开度很小，其节流现象严重，所以，v随转速的提高而急剧下降，并渐渐接近于零。图109所示的是汽油机节气门开度分别为(5100)%时v与n之间的对应关系。,图109 汽油机在不同节气门开度下v与n的关系,（3）过量空气系数,汽油机在按速度特性运行时，其过量空气系数随转速的下降而缓慢减小。 对非增压柴油机而言，其过量空气系数随转速不同而变化的关系主要取决于循环供油量mfcyc随转速不同而变化的关系.当柴油机采用柱塞式喷油泵时，因泵油系数随转速的下降而减小，致使mfcyc随n的下降而缓慢减少，因而随n的下降而增大。,对增压柴油机而言，因为增压压力pk对过量空

13、气系数的影响比较大，所以，其随n的下降而减小。,（4）指示效率i,当柴油机按速度特性运行时，其指示效率i随转速不同而变化的关系主要是与过量空气系数和压力升高比有关 ：,随着转速的下降，值因循环供油量减少而增大；而值一般不会下降，甚至还可能增大，因此，i随n的下降而降低。反映燃烧过程质量的比值 (i/)也随转速的下降而降低，如图1010(a)所示。,对汽油机而言，在调整化油器时应保证汽油机在节气门接近全开时具有最佳空燃比。当其负荷加重，转速下降时，值会因进气速度的减慢而缓慢减小；i也随转速的下降而缓慢降低，所以，比值(i/)基本不随转速变化而变化，如图1010(b)所示。,图1010 、i、i/

14、 与n间的关系 (a)柴油机； (b)汽油机,（5）机械效率m,作为车辆、拖拉机和工程机械所用的动力，其外特性应具有较大的适应性系数Km或扭矩储备率m，其定义分别为,式中，Memax内燃机按外特性运行时的最大扭矩值。,对汽油机:,所以，Km较大，一般在1.251.35之间。,对柴油机，Km1.051.10 。 为了使柴油机的扭矩特性能适应车辆、拖拉机及工程机械的需要，必须设法增大其适应性系数。为此，应对喷油泵的供油特性进行校正。常用的校正方法是 在调速器内加装校正弹簧，或者是 将最大油量限位螺钉改为弹性限位 装置，其目的是使油泵在转速下降 时能额外增大供油行程而加大循环 供油量。图1013所示

15、的是喷油泵 供油特性经校正后得到的扭矩特性。 其中，曲线4表示喷油泵未经校 正时的特性，曲线4则表示校正后 的特性，曲线5为冒烟外特性。 图1013 柴油机扭矩特性的校正,/,非增压柴油机的扭矩特性经过校正以后，其适应性系数Km可达1.151.25。 增压柴油机的适应性系数一 般要比非增压柴油机的小， Km=1.051.17。 若采取特殊措施也可使增压柴 油机的适应性系数达到1.35以上。 如图1014。,图1014 OM422A型柴油机全负荷速度特性曲线,4、,图1015 装备两极式调速器的柴油机速度特性及调速特性,4、柴油机的调速特性分析 (1)柴油机在配备两极式调速器时 的调速特性 如图

16、1015(a)所示，图中点b所对应的供油量gb为柴油机标定工况的循环供油量。当柴油机的油门控制手柄被固定在此油量位置时，若负荷减轻，转速超过nb，则调速器在高速弹簧的作用下使供油量沿bhs线急剧减小。点h所对应的供油量为柴油机在最高空载转速nmax时所对应的供油量。当转速再上升到点s时，喷油泵的供油量为零，迫使柴油机停机。 曲线bhs被称为喷油泵的调速特性。,若柴油机的转速因负荷加重而从点b开始下降，则喷油泵的供油量在校正装置的作用下将有所增加，此时供油量大于gb，并且转速沿曲线1向低转速方向变化，在中速段，其供油量达到最大校正油量以后就开始减小。当转速进一步下降到接近于最低稳定工作转速时，尽管调速器的怠速弹簧在驱使油泵齿条往加大油量方向移动，但因油门控制手柄