内燃机特性
第九章 内燃机的使用特性与匹配
内燃机的工作特性是内燃机性能的对外反映。特性的表现形式有很多，除了前面已经介绍过的调整特性(如燃料调整特性和点火正时、供油正时调整特性等)和调速特性外，本章将重点介绍内燃机的基本使用特性，如负荷特性、速度特性、万有特性等。由于内燃机作为动力机械是为其他工作机械提供动力的，两者之间的匹配不仅涉及工作机械的性能，而且也与内燃机本身的使用特性密切相关。为此，本章将简要介绍内燃机与常用工作机械的匹配要点。 研究内燃机的使用特性及其与工作机械的匹配，不仅是为了评价内燃机的使用性能，为工作机械正确选用内燃机提供依据，同时，还可以通过对影响内燃机使用特性的各种因素的分析，提出改进内燃机的特性以适应匹配要求的技术措施，来优化整个动力装置的使用性能。
第一节 内燃机的工况
内燃机的使用特性表明它在不同工况下的使用性能。内燃机工况就是指它实际运行的工作状况。表征内燃机工况的参数有表示工作频率的转速n 以及表示工作负荷的转矩tq T 、功率e P 等。由于tq T 与内燃机的平均有效压力me P 成正比，所以也经常用me P 表示内燃机的负荷。用me P 表示的负荷与内燃机的尺寸无关，便于比较不同内燃机真正的负荷水平。这些工况参数之间有下列关系：
n P T P m e tq e ∝=∝ （9-1）
可见 e P 、tq T (或 me P )、n 三个参数中，只有两个是独立变量，即当任意两个参数确定后，第三个参数就可通过与式(9—1)类似的关系式求出。
以e P -n 坐标系绘出的内燃机可能运行的工况和工作范围，如图9—1所示。显然，内燃机可能的工作区域被限定在一定范围内。上边界线3为内燃机油量控制机构处于最大位置时不同转速下内燃机所能发出的最大功率(外特性功率线)。左侧边界线为内燃机最低稳定工作转速min n ，低于此转速时，由于飞轮等运动件储存能量较小，导致内燃机转速波动过大，不能稳定运转，或者工作过程恶化，不能高效运转。右侧边界线为内燃机最高工作转速min n ， 它受到转速过高引起的惯性力增大、机械损失加大、充量系数下降、工作过程恶化等各种不利因素的限制。图中n n 为标定转速。因此，内燃机可能的工作范围就是上述三条边界线加上横坐标轴所围成的区域。
图9—1 内燃机的各种工况和工作范围
A —标定点 1—等转速工况线
2—螺旋桨工况线 3—外特性功率线
不同用途的内燃机实际可能遇到的王况将是各种各样的，典型的工况分为以下三类：
(1)点工况 运行过程中转速和负荷均保持不变(图9—1中的A 点)的内燃机称为点工况内燃机。例如带动排灌水泵用的内燃机，除了起动和过渡工况外，一般都按点工况运行。
(2)线工况 当内燃机发出的功率与曲轴转速之间有一定的函数关系时，属于线工况内燃机。例如，当内燃机作为船用主机驱动螺旋桨时，内燃机所发出的功率必须与螺旋桨消耗的功率相等，后者在螺旋桨节距不变的条件下与3
n 成正比，这类工况常被称为螺旋桨工况或推进工况(图9—1曲线2)。发电用的内燃机，其负荷变化没有一定的规律，然而内燃机的转速必须保持稳定，以保证输出电压和频率的恒定，反映在工况图上就是一条垂直线(图9-1曲线1)，这也是一种线工况。
(3)面工况 当内燃机作为汽车及其他陆地运输和作业机械的动力时，它的转速取决于
车辆的行驶速度，而它的功率则取决于车辆的行驶阻力，而行驶阻力不仅与车辆的行驶速度有关，更主要地取决于道路的情况或土壤的条件等，功率 e P 和转速n 都独立地在很大的范围内变化。这时，内燃机的可能工作范围就是它的实际工作范围。这种内燃机称为面工况内燃机。
对于点工况内燃机来说，标定功率点的指标足以说明一切，而对于线工况特别是面工况的内燃机来说，光是标定点的指标是不够的，还要研究不同工况下的工作情况。内燃机的动力性指标(如e P 、tq T 、m s P
等)、经济指标(燃油消耗率 e b 等)、排放指标(法定污染物的排放量)等随其运行工况的变化规律，称为内燃机的使用特性，常用的有负荷特性、速度特性、万有特性等。用来表示特性的各指标随工况的变化曲线称为特性曲线。
本章讨论的均是针对内燃机的稳态工况，即环境不变、内燃机的调整不变、输出不变的情况。实际内燃机经常在非稳态工况(或称过渡工况或瞬态工况)下工作，尤其是车用内燃机，非稳态工况要占很大的比例。车用内燃机的排放测试，大多也是在瞬态下进行的。但考虑到瞬态工况下的内燃机的工作过程变得十分复杂，很多情况尚未有定论，所以暂不详述。 第二节 内燃机的负荷特性
内燃机的负荷特性是指当内燃机的转速不变时，性能指标随负荷而变化的关系。这时，性能指标主要指燃料消耗率e b ，有时也加上燃料消耗量B 和排气温度 r t 等。由于转速不变，内燃机的有效功率e P 、转矩tq T 与平均有效压力me P 之间互成比例关系，均可用来表示负荷的大小。
负荷特性是在内燃机试验台架上测取的。测试时，变动测功器负荷的大小，并相应调整 内燃机的油量调节机构位置，以保持规定的内燃机转速不变，待工况稳定后记录数据，得到一个试验点。将不同负荷的试验点相连即得到负荷特性曲线。
由于负荷特性可以直观地显示内燃机在不同负荷下运转的性能，且比较容易测定，因而在内燃机的研发、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，为了满足全面评价性能的需要，常常要测出不同转速下的多条负荷特性曲线，其中最有代表性的是标定转速n n 和最大转矩转速 tq n 。驱动发电机的内燃机，一般按负荷特性运行。
图9-2所示是内燃机的典型负荷特性曲线。在负荷特性曲线上，最低燃料消耗率越小内燃机经济性越好；e b 曲线变化平坦，表示在宽广的负荷范围内，能保持较好的燃料经济性，这对于负荷变化较大的内燃机来说十分重要。此外，无论是柴油机还是汽油机，都是在中等偏大的负荷范围下，e b 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。在低负荷区，e b 显著升高。为使内燃机在实际使用时节约燃料，希望负荷接近经济负荷。内燃机负荷特性主要是体现其燃料经济性的特性。
图9-2 内燃机的负荷特性 a)柴油机 b)汽油机 为了具体分析内燃机负荷特性，尤其是e b 的变化趋势，应注意e b 与有效热效率et η成反比，而et η又是指示热效率it η与机械效率m η的乘积，即
m it e b ηη1∝ （9-2）
当内燃机负荷为零(不输出动力)时，0=me p ，所以
mi mm
me mm mi me m p p p p p p -=+==1)/(11η （9-3） 也等于零(mm p 为平均机械损失压力)，e b 为无穷大。小负荷时，me p 很小，而mm p 在转速不变的条件下变化不大，所以m η很低，导致e b 很高(图9-2)。当负荷增大时，me p 随负荷提高而增大，按式(9-3) m η上升较快。因此，按式(9-2) e b 曲线在负荷增加时下降很快，到达某一负荷时，e b 达到最低值。随着负荷进一步加大，e b 逐渐加大(原因后述)。
一、柴油机的负荷特性
对于自然吸气柴油机来说，当它按负荷特性运行时，由于转速不变，其充量系数c φ
基本保持不变。当负荷变化时，通过燃料量调节机构改变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，可燃混合气的过量空气系数a φ将随负荷的增加而减小，随负荷的减小而增大。
柴油机当负荷较大时，a φ变得较小，混合气形成和燃烧开始恶化，it η下降。当it η下降速率超过m η上升速率时，e b 曲线逐渐上升。如果继续增加负荷，部分燃料由于周围缺乏足够的空气，不能完全燃烧，生成较多的不完全燃烧产物CO 和碳烟，e b 上升，且排气烟度急剧上升，活塞、燃烧室表面积炭，发动机过热，可靠性和耐久性受损。当排气烟度达到国家标准允许值时的柴油机负荷称为冒烟界限。为了保证柴油机安全、可靠、环保地运行，一般不允许它超过冒烟界限工作。
对于增压柴油机来说，由于随负荷的增大，排气能量加大，涡轮增压器转速上升，从而
使增压压力提高，进气密度增大，所以在大负荷时，其a φ和it η的下降速率比自然吸气柴油机小，因而，在大负荷一侧e b 曲线较为平坦。与自然吸气柴油机不同的是，增压柴油机限制me p 的因素主要是最高燃烧压力和增压器的可靠性。
二、汽油机的负荷特性
对于预混合强制点火的汽油机来说，由于对应燃烧良好的a φ在很小的范围内变化，负荷变化是通过改变进气系统中的节气门的开度，从而改变进入气缸的可燃混合气数量来实现的。
从典型汽油机的负荷特性(图9—2b)可以看出，汽油机的e b 大大高于柴油机。其主要 原因是汽油机的压缩比c ε比柴油机低，而且汽油机的a φ比柴油机小，导致工质等熵指数κ较小，这均导致汽油机的it η远低于柴油机。虽然一般说来，汽油机的m η，高于柴油机，但这种m η的差别不足以弥补it η的影响。当汽油机负荷减小时，由于节气门的节流作用，造成较大的泵气损失，使e b 的上升比柴油机更快；当负荷很小时，汽油机燃烧室中残余废气相对增多，为保证燃烧稳定，不得不加浓混合气，使e b 上升尤为明显；当汽油机的负荷接近全负荷时，为了增加最大功率，采取加浓混合气的措施，导致燃料燃烧不完全，生成大量C0，燃烧效率下降，e b 上升。
负荷特性中的燃料消耗量B 曲线(图9-2)一般作为特性测试的原始数据记录b 随着e p 的增加而增加，但不完全呈线性变化，B 线对线性的偏离决定于et η的变化。
负荷特性中经常表示出排气温度 r t 随负荷的变化(图9-2)。从图9-2a 与b 的对比可以看出，汽油机的r t 要比柴油机高得多，主要原因有二：一是汽油机的燃料a φ较小；二是汽油机 c ε小，导致膨胀比也小。还可以看出，柴油机的r t 随负荷的减小而迅速降低，这是因为a φ随负荷减小而增大；而汽油机的r t 虽然也随着负荷的减小而下降，但下降幅度较小，这是因为汽油机的a φ并不随负荷减小而增大，在很小负荷时反而减小(在很宽广的中等负荷范围a φ基本不变)。汽油机在很大负荷(接近全负荷)时r t 上升势头被抑制，主要原因是混合气加浓到 a φ<1，燃烧温度下降，而且燃烧速率增大，有效膨胀比增加。
第三节 内燃机的速度特性
内燃机的速度特性，是指内燃机在供油量调节机构(对柴油机为油量调节杆，下面简称油门，对汽油机为节气门)保持不变的情况下，性能指标随转速而变化的关系。这时，能指标主要指内燃机的转矩 tq T 、功率e P 、燃料消耗率e b 和排气温度r t 等。油量调节机构位置不同，得出不同的速度特性。其中，当柴油机的油门固定在标定位置，或汽油机的节气门全开时得出的速度特性，称为内燃机的外特性。油量低于标定位置时的速度特性称为部分速度特性。由于外特性反映内燃机所能达到的最高动力性能，确定最大功率或标定功率、最大转矩及它们相应的转速，因而是十分重要的。内燃机外特性是体现其工作能力即动力性的特性。所有内燃机出厂时，至少必须提供外特性数据或曲线。
速度特性也是在内燃机试验台架上测取的。测试时，将油门或节气门位置固定不动，调 节测功器的负荷，内燃机的转速相应发生变化，待工况稳定后记录数据，得到一个试验点。 将不同转速的试验点相连即得到速度特性曲线。实际上，当汽车或其他行驶机械沿阻力变化 的道路行驶时，若驾驶员保持节气门位置不变，内燃机的转速会因路况的改变而发生变化， 这时内燃机就是沿速度特性运行。
图9—3为内燃机的典型速度特性曲线，其中不同的数字表示不同的油门或节气门位置。 当然，速度特性中以全负荷速度特性即外特性最为重要，所以，下面主要分析内燃机外特性 的变化趋势，附带提一下其他的速度特性。
图9—3 内燃机的速度特性
a)柴油机 b)汽油机
外特性曲线中最重要的是内燃机的转矩tq T 曲线，因为根据式(9—1)，很容易由 计算
出功率tq T 成正比，而me P 可表示为 m it a c m it b me g P ηηφφηη∝∝ （9-4）
式中，b g 为每循环供油量。
一、柴油机的速度特性
柴油机的tq T 和me P 曲线历程取决于m it b g ηη、、的变化趋势。在自然吸气柴油机的情况下，这些参数随转速的变化趋势都比较平坦。
对于常用的柱塞式喷油泵，当油门位置固定且无特殊的油量校正装置时， 随转速的提高逐渐上升。加装校正装置后，可使b g 随转速的增加基本保持不变或略为下降，具体视校正程度而定(详见第六章)。
柴油机的it η主要取决于换气和燃烧过程。充量系数c φ一般在柴油机中等转速下有不太显著的峰值，在高转速下由于流动阻力增加而下降，在转速很低时由于配气相位不匹配导致鳖气发生倒流也使c φ下降。柴油机燃烧过程一般也在中等转速下进展最好。在高转速下由于燃烧及时性差使效率下降，而在低转速下由于充量运动减弱，混合气形成不理想而影响燃葩过程，同时传热损失增加。因此，这两方面综合起来，使柴油机的n it -η曲线呈现中间高两头低的趋势，但总的来说，变化不剧烈。
柴油机的m η随n 的变化可根据式(9—3)分析。当柴油机的n 降低时mm p 将逐渐减小，
而me p 虽也有变化，但其幅度小于mm p 的变化。所以，)。随转速下降而升高，随转速升高而降低。
综上所述，自然吸气柴油机的n T q t -曲线变化平坦，在某一中等转速有一不很显著的峰值(图9-3a 中曲线1)，其曲线形状主要取决于供油系统的速度特性。当油门关小时，由于费油泵的泄漏比例随着n 的下降越来越大，b g 下降幅度较大，传热损失比例也增大。因此部分速度特性的tq T 曲线不但总体上说都比外特性低，而且在低速端下降更多些(图9—3a 中曲
惹2、3)。
柴油机的e b 的速度特性也比较平坦，在某一中等转速e b 最低，两端略有上翘，这也可利用式(9—2)加以解释。前面已指出，m η随n 的下降而上升，而it η在某一中等转速有一不很显著的峰值。所以，外特性e b 曲线呈现图9-3a 曲线1的趋势。柴油机最高转速越高，高速端 m η 和 it η 恶化越严重，e b 曲线上翘越多。当油门关小时，由于a φ增大，燃烧过程改善，e b 曲线可能有所下降(图9-3a 中曲线2)；但当油门进一步关小时，由于m η下降占优势， e b 曲线变得较高(图9-3a 中曲线3)。
至于柴油机的排气温度r t ，则随n 的升高而升高，随油门开度的减小而下降(图9—3a)。 r t 随n 升高的原因在于柴油机高转速下燃烧热损失减小，燃烧相对滞后。 r t 随油门减小而下降的原因在于过量空气系数a φ增大，燃烧温度下降。
柴油机采用涡轮增压后，tq T 和e P 均显著增加，而e b 略有下降。tq T 和e P 的增加程度主要取决于增压比。tq T 随n 的变化趋势取决于涡轮增压器的性能及其与柴油机机的匹配，还与柴油机油机供油系统的调整及其增压补偿系统有关。用普通涡轮增压器，且按中等转速匹配时，因增压压力随n 提高而提高，tq T 和曲线的峰值向高转速方向移动；采用带排气旁通阀的涡轮增压器并采用低速匹配时，tq T 峰值可以向低转速方向移动，tq T 曲线形状恢复到与自然吸气柴油机差不多的形状；采用可变喷嘴增压器可以使柴油机的tq T 曲线达到理想的丰满度。涡轮增压柴油机e b 下降的原因在于利用了排气能量，减小泵气损失。
二、汽油机的速度特性
汽油机的速度特性(图9-3b)与柴油机的速度特性(图9-3a)相比，主要差别有下列两点：
1) 柴油机的tq T 曲线都比较平坦，在油门关小后，tq T 甚至随n 而升高(因为这时a φ很大，tq T 基本取决于gb)；而汽油机的tq T 曲线基本上是随着n 的升高而降低，节气门开度越小，这种降低的趋势越强烈，导致e P 曲线在高转速段上升趋缓，甚至开始下降。
2) 柴油机的e b 曲线都比较平坦，仅在高低速两端略有上翘，经济运行的转速范围很宽；而汽油机的e b 曲线一般均随n 的提高而上升，只是在最低速端略有上翘，而且当节气门关小时，e b 迅速增大，特别在高速范围尤其剧烈，经济运行的转速范围越来越窄。 为了解释这样的现象，可以利用式(9-4)分析 c φ 、a φ 、it η和m η对汽油机me P 的影响。汽油机的过量空气系数a φ基本上不随n 变化，所以tq T 的变化就取决于c φit η m η 的乘积随n 的变化趋势。
汽油机在节气门全开情况下(外特性上)低速运转时，由于缸内气流运动减弱，火焰传播速度降低，传热损失以及漏气损失相对增加，导致it η略有下降；而高转速运转时，由于以曲轴转角计的燃烧持续期增大，燃烧定容度恶化，加上泵气损失增加，也使it η下降。 所以it η随n 的整体变化趋势是在中等转速达到最大值，而低速和高速均下降。当节气门关小后(部分速度特性上)，随着转速的提高，进气节流作用越来越强，泵气损失所占比重增大，残余废气增加使燃烧减速，导致it η随n 的提高越来越迅速地下降。
汽油机在节气门全开时，充量系数c φ在中低速处达到最大值，随着n 的提高由于进气阻力增大，c φ逐步下降；当n 过低时，由于配气相位不匹配，发生进气倒流，也使c φ下降。当节气门关小后，由于进气节流严重，c φ随n 的下降加快。
汽油机按外特性运行时，平均机械损失压力mm P 随n 提高而显著增大而mi P 略有下降，根据式(9-3)可知，机械效率m η将随n 提高而下降。按部分速度特性运行时，mm P 虽比外特性上的值低，但仍随n 提高而显著增大，而mi P 显著下降，所以，m η随n 提高而下降的趋势，随节气门的关小而加快。当节气门关小到一定程度，转速高于某一值后，就会出现mi mm P P =的情况，而使m η= 0，意味着汽油机高速空转，对应图9-3b 曲线4右端n ≈2600r ／min 时tq T = 0的情况。
综上所述，汽油机外特性的tq T 曲线呈现随n 提高而下降的趋势，只是在最低速范围才有一小段随n 下降而下降的情况。而部分速度特性是tq T 不但随n 的提高而下降，且下降的速率随节气门开度的减小而增大。
汽油机e b 的速度特性曲线按式(9-2)取决于m it ηη。根据上述对it η和m η的分析可知，e b 基本上将随n 的提高而增加，只有在最低速范围才有一小段相反的趋势。当节气门从全开到略为关小时，由于可燃混合气由浓的功率混合气变为化学计量比混合气，e b 会略为下降(图9-3b 从曲线 1''2''变到曲线2'')，但当节气门开度继续减小时，由于m η和it η的减小，使e b 曲线整体抬高，而且在高速端上升更多(从曲线2''变到曲线3'')。
三、适应性系数
内燃机的外特性不但表征内燃机的动力性能，而且可以根据外特性曲线判断内燃机的工 作转速范围和工作稳定性。
图9-4 内燃机工作阻力变化时
其工作点的过渡情况
下面以最典型的车用内燃机为例进行讨论。如图9-4所示的曲线I 和Ⅱ表示内燃机的两
条外特性转矩曲线，而曲线c T 和C
T '表示汽车行驶阻力换算到内燃机飞轮上的两条阻力矩曲线。当内燃机以曲线I 和阻力矩c T 工作时，内燃机将在与这两曲线的交线 a 相对应的转速
a n 稳定工作。如遇汽车上坡等阻力突然增加，阻力矩曲线从c T 变为C
T '，则如内燃机保持节气门或油门最大开度不变，则内燃机工作点将从a 点过渡到1点，转速从a n 降到1n 。这时，驾驶员不用加以干预，内燃机自动调整，转速降低1n ?而转矩增大1tq T ?，以适应外界阻力的变化对于另一内燃机，其转矩外特性如图9—4中曲线Ⅱ所示，由于其转矩曲线较平坦，
则在汽车阻力同样从c T 变为C T '时，工况点将从a 点过渡到2点，转速降低较多(12n n ?>?)，
而转矩增加较少(12tq tq T T ?
T '恢复到c T ,内燃机从1n 恢复到a n 的速度显然要比从2n 恢复到a n 快，因1tq T ?>
2tq T ?。这说明，外特性 tq T 曲线越陡，内燃机工作稳定性越好。
进一步分析可知，当阻力特性曲线的斜率大于动力特性曲线的斜率，即 dn dT dn dT tq e //> 时，系统工作是稳定的，且两者差距越大，稳定性越好。由于内燃机外特性tg T 曲线在峰值 max tq T 点右边具有负斜率，左边具有正斜率，所以，一般认为它的稳定使用范围在最大转矩转速tq n 与最大功率转速p n 或标定转速n n 之间。当工作转速超过 p n 或n n 时，内燃机的燃料经济性和工作可靠性恶化，因而不能使用；当工作转速低于tq n 时，内燃机工作易于陷入不稳定，性能也不好，一般也不使用。
衡量内燃机动力性能对外界阻力变化的适应能力的指标称为适应性系数 tqn φ。
tqn φ=n tq φφ （9-5） 式中，tq φ为转矩储备系数，tq φ=max tq T /tqn T （tqn T 为标定功率点的转矩）；n φ为转速储备系
数，n φ=n n /tq n 。
一般汽油机tq φ=1.25~1.35，n φ=1.6~2.5；柴油机tq φ=1.05~1.25，n φ=1.4~2.0。所以，汽油机的适应性优于柴油机。但是，近年来随着机组功率储备的提高，外特性
的应用概率减小，适应性系数的重要性下降。
第四节 内燃机的万有特性
负荷特性和速度特性只能用来表示某一转速或某一节气门(或油门)位置时，内燃机各参数随负荷或转速的变化规律。车用内燃机工况变化范围很广，要弄清它们在各种不同使用工况下的性能，就需要有对应不同转速的多张负荷特性曲线图或对应不同节气门位置的多张速度特性曲线图，这样既不方便，也不直观。为了能在一张图上较全面地表示内燃机各种性能参数的变化，经常应用多参数的特性曲线，称为万有特性。
万有特性一般是在以转速n 为横坐标、平均有效压力me p (或转矩tq T )为纵坐标的坐标平面内绘出一些重要特性参数的等值曲线族，其中最重要的就是燃油消耗率,e b 此外还有排气温度r T 、过量空气系数a φ以及各种排放参数等。应该注意，万有特性图上等功率曲线族 可根据纵横坐标按 n T P tq e =公式自动生成(图9—5a)。
一、燃油经济性特性
图9-5所示为典型的内燃机关于e b 的万有特性，也可称为燃油经济性特性曲线族，简称
油耗特性。为了绘制内燃机的油耗特性曲线，可以先绘制不同转速下的多条负荷特性或不同节气门位置下的多条速度特性曲线，然后把不同特性曲线上的各等值e b 点连接起来即可。现在自动控制工况的内燃机试验台已经广泛应用，可以很方便地测得在全工况范围内足够多工况的e b 等参数，然后用计算机对数值进行插值处理，很容易得出其等值线族。 在内燃机的油耗特性上(图9—5)，等 e b 曲线族由封闭的回线和半封闭甚至不封闭的曲线组成，最内层e b 最低的等e b 回线对应内燃机的最经济运行工况区，等值线越向外，燃油经济性越差。等e b 曲线的形状与它们在n P me 工况图上的位置对内燃机在实际使用中的燃油
图9-5 内燃机的油耗特性
a)柴油机 b)汽油机 经济性有重要的影响。如果等e b 回线横向较长，说明内燃机在负荷变化不大而转速变化较大的工况下工作时，e b 变化较小；如果等e b 回线纵向较长，则表示内燃机在转速变化不大而负荷变化很大的工况下工作时，e b 变化较小。对于车用内燃机，希望最经济区域落在万有特性的中间位置，而且对轿车和轻型车偏低速小负荷，货车和重型车偏高速大负荷。 从油耗特性可以直观地看出内燃机的绝对最低燃油消耗率min e b ，这是说明该内燃机燃油经济性的最重要指标。
从图9-5可以看出，汽油机和柴油机的油耗特性有明显差异。首先，汽油机的e b 普遍比柴油机高；其次，汽油机的最经济区域处于偏向高负荷的区域，且随负荷的降低，油耗增加较快，而柴油机的最经济区则比较靠近中等负荷，且负荷改变时，油耗增加较慢。所以，在实际使用时，柴油车与汽油车在燃油消耗上的差距，比它们在最低燃油消耗率min e b 上的差距更大。如何提高汽车在实际使用条件下的燃油经济性，对于汽车的节能有重要意义，而提高负荷率是改善内燃机特别是汽油机使用燃油经济性的有效措施。
二、排放特性
也可以用万有特性的形式表示内燃机其他参数的变化特性，例如排放特性。虽然内燃机的排放性能不是以特性曲线形式进行评估，而是按规定的测试工况加权计算的比排放量或按规定的行驶循环累计的整车单位里程的排放量评估的，此外，用户在使用中也不会刻意寻求排放最低的工况，但是，对于内燃机的研发和调试来说，测定排放特性对于拟定改善法定排放指标的途径有一定帮助。
(一) 汽油机的排放特性
图9-6所示为一台具有代表性的2L 排量4气门进气道喷射汽油机的CO 、HC 和NO x 排放特性。各种排放都用比排放量[g ／(kW ．h)]表示。当然也可用其他单位表示，如小时排放质量(g ／h)或排放物体积分数，但不同单位将引起特性曲线形状的改变。如图9-6a 所示，现代车用汽油机在常用的部分负荷区，为了满足三效催化转化器高效工作的要求，将过量空
气系数a 控制在1.0左右，所以CO 排放较低。在负荷很小(me P <0.2MPa )时，为保证燃烧稳定，混合气适当加浓，导致CO 排放略有上升，尤其以比排放量形式表达时，看上
去上升较多。当负荷超过全负荷的95％左右时，CO 的比排放量开始急剧上升(绝对排放浓度和质量则上升更快)，显然是由于混合气显著加浓，使发动机能发出较大的功率和转矩。 图9—6b 所示为汽油机未燃HC 比排放量的变化趋势。可见HC 的变化趋势与CO 有些类似，都是中等负荷比排放量较小，大负荷和小负荷时相对增加。不同之处有两点：一是全负荷时HC 排放增加不如CO 严重；二是小负荷时HC 比排放随负荷的减小增加得比CO 更快。排放规律不同的原因可用CO 和HC 生成机理不同来解释。大负荷时混合气过浓，主要生成CO ，碳氢燃料完全不氧化是不大可能的。HC 排放主要来自淬熄等多相因素，每循环绝对排放量变化不大，它的比排放在负荷增大时应下降。在达到全负荷时HC 比排放增大，可能是因为排气中严重缺氧，使未燃HC 的后期氧化受阻所致；在负荷很小时HC 比排放急剧增加。除了因输出功率减小外，还在于排气温度过低，未燃HC 后期氧化减弱。
汽油机x NO 的排放特性与CO 、HC 截然不同。正如图9-6c 所示，在中等转速以上当转 速一定时，x NO 比排放随负荷增大而下降，而且当接近全负荷时下降更快。实际上，在中等负荷区域，x NO 的绝对排放量是随负荷增大而增加的(原因是燃烧温度提高)，但x NO 的增加未与负荷成正比，所以比排放逐渐下降。此外，当负荷一定时，x NO 的比排放随转速升高而增大，当然绝对排放量增加更快。由此可知，转速上升造成的燃烧温度提高，促进x NO 的生成，这一影响要超过反应时间下降的影响。
总之，从汽油机的排放特性可知，为使车用汽油机排放较少的有害污染物，应尽可能在 中等负荷下运行。
(二)柴油机的排放特性
图9-7所示为一台具有代表性的1．9L 排量增压中冷直喷式车用柴油机的CO 、HC 、
x NO 和滤纸烟度S F 的排放特性。
如图9-7a 所示，柴油机在整个工况范围内排放的CO 均很少，在绝大多数工况下CO 比排放量BSCO <5g/(KW ·h) 。与此相对照，汽油机一般BSCO=20~100g ／( KW ·h )，比柴油机大10~20倍。对于柴油机，CO 比排放也是中速中负荷工况最少。接近全负荷时，部分燃油因与空气混合不足而缺氧，造成CO 排放急剧增大。当柴油机转速很低，由于燃烧室内气流运动过弱，混合气形成不均，不完全燃烧产物CO 较多。柴油机负荷很小时，单位功率的CO 排放量增大。
图9-7 车用柴油机的排放特性 a) CO 排放特性 b) HC 排放特性 c) x NO 排放特性 d) 滤纸烟度S F 排放特性
如图9-7b 所示，柴油机的HC 排放也比汽油机低得多，平均来说，后者约为前者的2~4倍。还可看出，柴油机的HC 比排放基本上随负荷的增大而下降，而绝对排放量大致不变。这是由于柴油机HC 排放有很大一部分决定于喷嘴的后滴，绝对量与负荷无关。当负荷不变而转速变化时，HC 比排放变化不大。
图9-7c 所示是柴油机的x NO 排放特性。可以看出，柴油机在中等偏大负荷时x NO 排放量最大，因为这时燃烧温度高，而且燃气中含氧很多。负荷再加大，则含氧相对减少, x NO 排放量不再增加甚至略有减少。在中等负荷区，当负荷不变而转速提高到中高转速时，比排放不断增大，说明x NO 绝对排放量增加更快。在小负荷区域，x NO 比排放大致不随转速变化，绝对排放量基本上与转速成正比。
柴油机排气烟度F S 的变化比较有规律(图9-7d)。当转速不变时，F S 随负荷提高而增大，这主要与平均过量空气系数的下降有关。当负荷不变时，F S 在某一转速达到最小值，这时对应燃烧过程的最优化，而偏离这一转速均使F S 上升。在低速大负荷工况，由于空气相对不足(这对涡轮增压柴油机尤其明显)，气流运动减弱，常导致F S 急剧上升，即柴油机冒烟严重。
第五节 内燃机的功率标定及大气校正
一、功率标定
内燃机的功率标定，是指生产者根据内燃机的用途规定该机在标准大气条件下输出的有 效功率及对应的转速，即标定功率与标定转速。我国的内燃机的功率标定分为4级，分别 为：
(1) 15 min 功率 这一功率为内燃机允许连续运转15 min 的最大有效功率，适用于需要
较大功率储备或短时间需要发出最大功率的摩托车、轿车、轻型汽车、快艇等用途的内燃机。
(2) 1h 功率 这一功率为内燃机允许连续运转1h 的最大有效功率，适用于需要一定功率储备以克服突增负荷的工程机械、中小型拖拉机和重型汽车等用途的内燃机。
(3) 12h 功率 这一功率为内燃机允许连续运转12h 的最大有效功率，适用于需要在12h 内连续运转而又需要充分发挥功率的重型拖拉机、移动式发电机组、船舶主机和铁道牵引等用途的内燃机。
(4) 持续功率 这一功率为内燃机允许长期连续运转的最大有效功率，适用于需要长期连续运转的固定动力、农业排灌、电站、内燃机车、远洋船舶等用途的内燃机。
对于同一种内燃机，用于不同场合时，可以有不同的标定功率值，其中15 min 功率最高，持续功率最低。在内燃机的铭牌上应标明上述4种功率中的1种或2种功率及其对应转速。同时，内燃机的最大供油量限定在对应标定功率的位置上。
除持续功率外，其他几种标定功率具有间歇性工作特点，故常被统称为间歇功率。按间歇功率运转超过上述限定的时间将使内燃机的可靠性和使用寿命受到影响。但近年来，用户对内燃机的可靠性和耐久性要求越来越高，标定功率的区分逐渐淡化，例如，车用发动机也要求能全负荷连续运行数百甚至数千小时，与原来的15 min 和1h 功率定义相差很远。
二、大气校正
内燃机的功率取决于吸人气缸的空气质量流量，而后者与运行现场环境大气状态即压 力、温度、湿度等有关。因此，进行功率标定时，必须规定标准大气状态。为了对在不同大 气状态下试验得出的功率进行比较，需要进行大气校正，换算到与标准大气状态相对应的标 准功率或校正功率。在对内燃机进行性能考核或鉴定时，应根据考核试验现场大气状态将实 测功率值按规定的校正方法换算成校正功率值。
国家标准规定，内燃机测试的标准大气状态对应温度0T =298K(25℃)，干空气压0s P =99kPa(总气压为100KPa ，水蒸气分压为1kPa)。并且规定测试时的大气状态应在如下范围内：
点燃式发动机大气温度 K T K 308288≤≤
压燃式发动机大气温度 K T K 313283≤≤
干空气压 80kPa ≤P s ≤110kPa
有效功率按下式校正：
对点燃式发动机 e a e P P α=0 (9-6a)
对压燃式发动机 e d e P P α=0 (9-6b)
式中， 0e P 为标准大气状态下的校正功率；e P 为实测功率，a α和d α分别为点燃式和压燃式发动机的大气校正系数 ，可分别按式（9-7）、式（9-8）计算。
6.02.129899??? ?????? ??=T P s a α （9-7）
式中，s P 为为试验现场干空气压，可按式（9-9）计算；T 为试验现场进气温度（K ）。
fm a f =d α （9-8）
sw s P P P φ-= （9-9）
式中，P 为试验现场总气压（kPa ）；φ为试验现场大气相对湿度；sw P 为大气条件下水蒸气饱和分压（ kPa ）, 可按下式计算：
47352321077.51049.11063.11031.4613.0t t t t P sw ----?+?+?+?+= （9-10） 式中，t 为大气温度（℃）
a f 为压燃式发动机的大气因子：
对自然吸气和机械增压压燃式发动机
7.029899??? ?
????? ??=T P f s a （9-11a ）
对涡轮增压式压燃式发动机（无论中冷与否） 5
.17.029899??? ?????? ??=T P f s a （9-11b ） m f 为压燃式发动机的发动机因子：
14.1036.0-=b c
m q f π （9-12）
式中，b π为增压比；c q 为单位排量的循环供油量（mg/（L ·循环））。
6
10120?=st c nV B q τ
（9-13） 式中，τ为冲程数：B 为标定功率时的燃油消耗量（kg/h ）；n 为发动机转速（r/min ）;V st 为发动机排量（L ）。
注意：式（9-12）只对/65~40/mg q b c =π（L ·循环）适用。若/40/mg q b c <π（L ·循环），则;3.0=m f 若/65/mg q b c >π（L ·循环），则2.1=m f 。
对点燃式发动机，燃油消耗率不必进行大气校正。对压燃式发动机，仅对标定工况下的燃油消耗进行大气校正，其公式为
d e
e b b α=0 （9-14）
式中，0e b 为标准大气状态下的校正燃油消耗率；e b 为实测燃油消耗率。
为使试验有效，校正系数应满足的条件为
07.193.0≤≤a α
1.19.0≤≤d α
若超过此限值，在试验报告中应给出所得到的校正系数值，并精确说明试验的大气温度、压力和湿度。
近年来，大气状态可控制的全封闭空调的内燃机试验室广泛应用，大气校正这个曾引起不少争议的难题可得到缓解，并有望最终得以彻底解决。
第六节 内燃机与工作机械的匹配
本节介绍的内容为内燃机与工作机械的合理匹配。由于工作机械种类繁多，匹配的要点也各不相同。其中，汽车的运行工况比较复杂，内燃机与汽车底盘的匹配具有一定的代表性，所以本节重点介绍车用内燃机的匹配。此外，还将简要介绍发电机组、船舶动力等的匹配要点。
一、车用内燃机的匹配
(一)动力性匹配
车用内燃机的转矩)·(m N T tq 在汽车驱动轮上产生的驱动力F t
(N)按下式计算 r i i T F t
k tq t η0= (9-15)
式中，k i 、0i 分别为汽车变速器、主传动(减速)器的传动比；t η为传动系的效率：对机械式变速器85.0~70.0=t η；r 为驱动轮的工作半径（m ）。
汽车行驶速度 (km ／h)与发动机转速n(r ／min)的关系为
0377.0i rni k a =υ (9-16)
于是，可根据发动机外特性转矩曲线tq T (n)得出变速器不同挡位(不同)汽车的驱动特性曲线族，如图9-8所示。
图9-8汽车驱动力t F 与行驶阻力+f F +w F i F （汽车行驶性能曲线）
汽车的行驶阻力F r 按下式计算：
j i w f r F F F F F +++= (9-17)
式中，f F 为汽车滚动阻力，有
mgf mgf F f ≈=αcos (9—17a)
式中，m 为汽车总质量；g 为重力加速度；f 为轮胎滚动阻力系数，对货车可取f=0．02~0．03，对轿车为f=0.013[1+0.01(50-a u )] ；a υ为汽车的行驶速度(km ／h)；α为坡道角，当α不大时，COS α≈1；F w 为汽车空气阻力，它与汽车迎风投影面积)(2m A 和汽车对空气相对速度的动压 2/2r a νρ成正比。
221r a D w A C F νρ=
式中，D C 为汽车的空气阻力系数，轿车取0.4~0.6，客车取0.6~0.7，货车取0.8~1.0；A 对货车为前轮距×总高，轿车为0.78×总宽×总高； a ρ为空气密度，在常温下可取a ρ=1.226kg ／m 3；r ν为汽车对空气的相对速度，在无风时即为汽车行驶速度a ν。于是
20473.0a D W A C F ν= （9-17b ）
i F 为爬坡阻力
mgi mg F i ≈=αsin (9-17c)
式中，当坡道角α<15℃时，sin α≈tan α=i i ,为道路的坡度。
j F 为加速阻力
dt d m F a
j νδ= (9-17d)
式中，δ为汽车旋转质量换算为平移质量的换算系数，
2211δδδ++=k i ，06.0~04.01=δ，05.0~03.02=δ。
根据驱动力t F 与行驶阻力F r 的平衡可得汽车的行驶方程如下
dt d m A C mgf r i i T a
a D t
k tq υδυη++=200473.0 （9-18）
于是可画出汽车行驶性能曲线图。图9—8所示的是一辆用排量为1L 的汽油机的轻型轿车的行驶性能曲线。横坐标为汽车的行驶速度a υ，纵坐标为驱动力 t F 和行驶阻力r F ，以及发动机转速n 。图中的三族曲线分别是随变速器挡位变化的驱动力线、随道路坡度变化的行驶阻力线以及不同挡位下发动机转速与车速关系线。
从汽车行驶性能曲线可以看出，最高档驱动力曲线与水平路面行驶阻力曲线的交点，即 表示汽车所能达到的最高速度max υ(图9-8所示142km/h 左右)；而与最低挡驱动力曲线上最大驱动力点max 1t F 相切的行驶阻力曲线所对应的道路坡度，就是汽车的最大爬坡极限(图9-8所示40％)。还可看出，该汽车发动机的最高使用转速将达到6000r/min 左右。
在给定的行驶速度和变速器挡位下，最大驱动力与行驶阻力之差，就是后备驱动力?F ，可用于加速，且可根据?F =j F 按式(9-17d)算出汽车的加速度dt d a /υ。
利用力平衡公式(9-18)和类似图9-8所示的汽车行驶性能曲线图可以选择发动机的外特性，并可分析不同匹配情况下的汽车行驶性能。
(二)燃油经济性匹配
汽车的使用油耗100q (L/100km)可根据发动机的负荷(功率e P 。或阻力r F )和燃油消耗率e b 计算
f 3
1001078.2ρηt r r b F q -?= （9-19a ）
或 τυr i i b p V B q k e me st a 010000884.0100== (9-19b)
式中，r F 为汽车的行驶阻力(N)；e b 为发动机的燃油消耗率[g/(kW ·h)] ；t η为汽车传动系
的效率；f ρ为燃油的密度(kg/L)；B 为发动机的燃油消耗量(kg/h)；a υ为汽车行驶速度(km/h)；
st V 为发动机的排量(L)；me P 为发动机的平均有效压力(MPa)；k i 、0i 分别为变速器和主传动器的传动比；r 为驱动轮的工作半径(m)；τ为发动机的冲程数(四冲程机τ=4，二冲程机τ=2)。
从汽车使用油耗的公式(9-19b)可知，在其他不变的条件下，汽车的使用油耗100q 与乘积k e me i b P 成正比，只有当这个乘积为最小时，100q 才达到最小。发动机在min e b 下工作时，汽车的100q 不一定最低，只是在车速与发动机功率都不变时，汽车的100q 才与发动机的e b 变化趋势相同。
所以，单纯改变传动比，使发动机在me P 较高而e b 较低的工况运行，并不能降低汽车的100q 。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，也就是说，设法使发动机的经济区位于常用挡位、常用车速区。这就要求在选择发动机时，对其特性提出具体的要求，或者设法改变发动机的特性，以适应与汽车配套的要求。
汽车用不同的变速器挡位行驶时，100q 差异较大。在同一道路条件与车速下，虽然发动 机发出的功率不变，但挡位越低(传动比越大)，后备驱动力越大，发动机的负荷率越低，e b 越高，100q 也越大。使用高挡位的情况则与此相反。因此增加变速器的挡位，加大通过选用合适挡位使发动机处于经济工况的概率，有利于汽车的节油。近年来，汽车变速器挡位有逐渐增加的趋势，轿车变速器已有5挡，重型货车甚至达10挡以上。自动控制的无级变速在这方面可达到最优化。
汽车在中低速行驶时，100q 最低。高速行驶时虽然发动机负荷率较高，但汽车行驶阻力
由于空气阻力与2a υ成正比而急剧增大，导致100q 上升。但低速行车造成生产率下降，所以
真正的经济车速应使a q υ/100最小。
二、发电用内燃机的匹配
当内燃机用于发电时，内燃机一般与发电机直接相连，不需中间传动装置。这时，发电机输出频率)(Hz f 与内燃机转速min)/(r n 之间有如下关系
p f n 60=
（9-20）
式中，p 为发电机磁极对数。 由于我国的电网频率Hz f 50=，而p 只能为整数，因此我国发电用内燃机的转速只能是3000、1500、1000、750、500r ／min 等有限几种，对应发电机的p=1，2，3，4，6等。
内燃机类型的选择要根据发电设备的动力要求而定。10kW 以下的应急发电机组多为便携式，为求结构轻巧，主要以小型汽油机(四冲程或二冲程)为动力。20~1500kW 移动式发电站多以四冲程中、高速柴油机为动力，作为备用、应急或基本电源。固定式基本电源或船用
常备电源以四冲程中速柴油机或二冲程中、低速柴油机为动力，最大功率可达数万kW。
发电用内燃机一般在稳定工况下运转，负荷率较高。因此，应急和备用电源一般标定
为12h功率，基本电源应标定为持续功率。为了克服发电机的励磁损失以及适应短期超负荷
的需要，内燃机功率要大于发电机功率，两者之比就是电站的匹配比。对于小型移动式柴油
发电机组，功率匹配比在1.18~1.32之间，对大型固定式电站在1.03~1.18之间。发电柴油b的最经济点附近运转，以节省能源。
机应尽量在min
e
为了保持发电机电流频率的稳定性，内燃机要有高性能的调速装置，电控调速系统已广泛采用。
三、船用柴油机的匹配
运输用船用主机绝大部分时间在稳定工况下运转，负荷率较高，一般标定为12h功率
或持续功率。拖轮和渡轮由于间歇运转为主，一般标定为1h功率。为了保险，主机装船功
率是标定功率的85％左右，即采用“减额输出”匹配方法。船用柴油机功率范围很宽，可
从几十到几万kW，转速范围从最低的56r／min到2000r／min左右。因为一般船用螺旋桨
的转速不超过300r／min，所以低速船用主机直接驱动螺旋桨，而中、高速柴油机都通过减
速器驱动。减速器应有倒车挡。当采用双机驱动时，要求装备左、右机型配对。
进行船机匹配时，首先应根据船舶类型、吨位、航速等，加上必要的储备功率，确定船舶要求的最大连续输出功率及其相应的转速。
主机选定后，就要进行柴油机与螺旋桨的合理匹配。一般来说，船舶螺旋桨所吸收的功率大致与转速的立方成正比(图9-1曲线2)。可见，螺旋桨工况线与柴油机本身的速度特性，
例如外特性3是很不一致的。只有在两曲线的交点A 处，柴油机功率才与螺旋桨功率相等，
n的情况下运转时，必须减小柴油机的循环供油量，并达到稳定转速。在所有低于标定转速n
也就是说柴油机是在一系列部分负荷点上运转。这意味着，只要在低于标定转速的情况下运
转，柴油机的能力就不能充分发挥，尚有一定功率储备。为使船用柴油机在实际使用时省油，
希望其万有特性上的低油耗区与螺旋桨特性比较重合。
一般12h标定或持续标定的柴油机在部分负荷运行时经济性变差，为了充分利用船舶主机在低速运转时的储备功率，提供机桨联合运行更好的经济性，可采用可调节距型螺旋桨(调距桨)。它是一种桨叶螺旋面可相对桨叶轴线转动的螺旋桨，借助一套转叶机构改变桨叶螺距。这样一来可使船机在航行中沿外特性工作，而不再沿螺旋桨特性工作。节距从正值调到负值，即可实现船舶的倒航。
参考文献
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12 蔡进民，贺正，戚毅男编．柴油电站设计手册．北京：中国电力出版社，1997
思考题与习题
9-1 除了本章讨论的内燃机使用特性外，请总结前面各章已经涉及的各调整特性，如燃料调整特性(空燃比或过量空气系数调整特性)、点火(或喷油)定时调整特性、调速特性，
请画出各特性曲线走向，并分析其原因。
9-2 试讨论内燃机瞬态工况性能与稳态的差别，并指出改善瞬态性能的途径。
9-3 试分析内燃机的负荷特性和速度特性与缸内工作过程的关系。
94 内燃机的机械效率随转速和负荷如何变化?分析它对内燃机使用特性的影响。
9-5 试比较柴油机和汽油机在负荷特性曲线和速度特性曲线走向的差异，并分析其原因。
9-6 讨论一台自然吸气柴油机在采用涡轮增压以后负荷特性和速度特性的变化，并请对比地画出增压前后的特性曲线。
9-7 请根据汽油机和柴油机的特性曲线，综合评价两种发动机的动力性和经济性。
9-8 请编制一个计算机程序，能根据内燃机多工况台架试验结果自动打印出万有特性曲线。
9-9 试分析不同用途内燃机对适应性系数的不同要求，并讨论涡轮增压系统和供油系统对柴油机适应性系数的影响。
9-10 试在柴油机外特性曲线上标出四种不同的标定点，并分析其相对位置。
9-11 如何从以比排放量表示的排放特性换算到以小时质量排放量和体积分数表示的排放特性，请针对图9-6试行计算。
9-12 试述内燃机不同功率标定的物理意义。
9-13 试分析汽油机和柴油机不同的大气校正公式的物理实质。
9-14 如何从图9-8所示的汽车行驶性能曲线评价汽车的动力性能。
9-14 如何从图9-8所示的汽车行驶性能曲线评价汽车的动力性能。试变动发动机的外特性和汽车变速器的传动比分析汽车动力性能的变化。
9-15 试推导汽车使用油耗的公式(9-19)，并根据此式分析改善汽车燃油经济性的途径。
发动机外特性曲线：效率与转速特性曲线
汽车的效率大小很大程度上决定于发动机的性能。在许多汽车产品介绍上，都标有“最高输出功率”和最高输出扭矩”在两项重要的发动机指标，并用曲线图来反映发动机的上述指标。那么，这些发动机指标是怎样测出来呢？ 当发动机运转的时候，其功率、扭矩和耗油量这三个基本性能指标都会随着负荷的变化而变化。这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映发动机特性的曲线图。根据发动机的各种特性曲线，可以全面地判断发动机的动力性和经济性。反映发动机运行状况常用速度特性曲线。 汽油发动机曲线图 发动机的速度特性曲线表示有效功率N（千瓦）、扭矩M（牛顿米）、比燃料消耗量g （克/千瓦小时）随发动机转速n而连续变化的表现。发动机的速度特性是在制动试验台架上测出的。保持发动机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等，然后调整被测机载荷（扭距变化），使发动机转速改变，再测得另一转速下的功率、比耗油。按照一定转速间隔依次进行上述步骤。就能测出在不同转速下的数值，将这些数值点连点地组成连续曲线，就产生了功率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。 当汽油机节气门完全开启（或者柴油机喷油泵在最大供油量时）的速度特性，称为发动机的外特性，它表示发动机所能得到的最大动力性能。从外特性曲线上可以看到发动机所能输出的最大功率、最大扭矩以及它们相应的转速和燃料消耗量，汽车产品介绍书上大都采用发动机外特性曲线图，但一般只标出功率和扭矩曲线。 发动机外特性曲线是在发动机最好的工作状态下能使发动机发出最大功率的情况下测出来的。它表现的曲线特征是∶功率曲线和扭矩曲线都呈现凸形曲线，但两者表现是不一样的。在汽油发动机外特性曲线中∶
第二章往复式活塞内燃机的定义与分类
第二章往复式活塞内燃机的定义与分类 2.1定义 活塞机器是将能量从流体（气体或液体）转移到运动的（displacer）活塞或者从活塞转移到流体的机器。它们因而算是流体能量类机器，如从动机器，吸收机械能转换为被转移流体的能量。在主动机器中，正相反，机械能在活塞或者曲柄机构上以有用功的形式释放。 工作体积随活塞运动周期性变化，是活塞式发动机的工作特性。往复活塞式发动机与旋转活塞式发动机的一个区别就是活塞运动的本质不同。在往复活塞式发动机，活塞呈圆柱形，往返于气缸内的两个极限位置——“止点（dead center）”。术语“活塞（piston）”也常以非圆柱形式存在。在旋转活塞式发动机中，旋转的活塞负责改变工作容积。 燃烧式发动机是燃烧空气和燃油的可燃混合物，将其中的化学能转化为机械能的机器。最广为人知的燃烧式发动机是内燃机和汽轮机。图表2-1是对此的概述 内燃机是活塞式发动机。往复活塞发动机与旋转活塞发动机区别在于密封结构，工作容积的改变形式和活塞运动的形式。旋转活塞发动机又可以细分为旋转发动机（rotary engine，一个内转子，一个外转子绕固定轴纯粹的旋转）和行星旋转发动机（planetary rotary engine，一个内转子，圆周运动的轴）。图表2-2显示了不同的工作原理。只有汪克尔发动机（Wankel engine）—一种行星活塞发动机，实现了突破。 工作过程类型 开式过程闭式过程 内燃外燃 燃烧气体=工质 燃烧气体≠工质 工质的状态变化 不变变化燃烧类型周期性燃烧连续燃烧 发火形式自燃外缘点火 机器类 型发动机柴油机混合动 力 汽油 机 Rohs发动 机 stirling发 动机 蒸汽 机 轮机——————燃气（gas）过热蒸汽superheated steam 蒸汽 混合形式复杂多种混合 heterogeneous 均质混 合（复 杂多种 混合）复杂多种混合heterogeneous （在燃烧室内）连续火焰 依据工作过程区分内燃机与外燃机也是必要的。对于内燃机，工质同时也是燃烧所需的氧气的来源。燃料燃烧产生废气，必须在每个工作循环前换气。燃烧因而是周期性的，汽油机、
1、发动机负荷特性试验
实验一:发动机负荷特性实验 (车2、) 一、实验仪器设备 1．测功机： 长沙湘仪动力测式仪器有限公司生产的电涡流测功机：型号：GW160； 额定吸收功率：160kw；最高转速：1,0000r/mim 启东市联通测功器有限公司生产的电涡流测功机：型号： DW400； 额定吸收功率：400kw；最高转速：5000r/mim 2．实验用发动机型号： YC6L-280-30型柴油发动机：最大功率：206/2200 (kw/rpm)；排量：8.4L 3．发动机自动测控系统 4．数字智能油耗仪 二、实验步骤 起动发动机前，先检查发动机的燃油、润滑油、冷却水等是否正常，不正常不允许启动，正常则进行以下步骤： 1．起动发动机进行暖机，在热状态稳定旧准备进行测量。 2．调节测功器和油门，使发动机在预定的转速和测功器读数下运行，待运转稳定后，记录燃油消耗率，测功机读数和排气温度等数据，待测量记录完毕后，再调节测功机和油门大小，增加负荷至第一点预定值，同时保持发动机转速不变，待稳定后再测取第二点数据，依次进行，直至油门到达最大为止，每条曲线的测点在8个以上。试验时负荷可由低到高或由高到低进行调整。 3．改变发动机转速，重复上述过程，制取另一转速下的负荷特性。具体转速的确定应在最低稳定转速和标定转速之间取8个转速，应包括最大扭矩转速，每一转速下的测点不应少于8点。 在制取各条负荷特性时，必须绘制以输出功率e P为横坐标，比油耗e b为纵坐标的监督曲线。如在实验过程中发现个别点偏离曲线很大，应重新补做这点的数据。 4．测量完毕，减去测功器负荷并减小油门，使柴油机在空转数分钟后停机。 关掉所有开关，整理实验场地。
发动机的外特性和负荷特性
发动机的外特性和负荷特性 发动机的外特性和部分特性统称发动机的速度特性。它是指在正常温度、正常机油压力点火提前角（或喷油提前角）以及燃料供给系的调整均在最佳状态下，使节气门开度（或供油调节杆）保持在一定位置不变，发动机的有效扭矩（Me）、有效功率(Pe)以及油耗率(βe)随发动机转速而变化的规律，速度特性曲线是在节气门开度固定于某一开度下（或在供油调节杆固定于一定位置下），依次改变发动机转速，在每一转速下测算Pe、Me、mT、βe，就可得到节气门在该开度下的特性曲线，如果改变节气门开度，如从小到大，就可得到许多条速度特性曲线，但常采用节气门开度为25%、50%、75%和100%时的曲线作为代表，节气门开度为100%（全开）时的特性称为发动机的外特性，该开度下的特性曲线称为外特性曲线。节气门开度在其他情况下得到的特性称为部分特性，其相应开度下的特性曲线都称之为部分特性曲线，由此可见，一台发动机，部分特性有无数个，而外特性只有一个。因为发动机外特性是在节气门全开或油量调节杆处于最大供油量时测定的，所以外特性曲线上的每一点表示着发动机在不同转速下所能发出的最大功率和最大扭矩，因此，通过发动机的外特性可以得知发动机所能达到的最高性能指标以及对应于Pemax、Memax和βemax时的转速，也可以计算出扭矩适应性系数（或称扭矩储备系数）。一般发动机铭牌上标明的功率、扭矩及相应的转速都是以外特性为依据的。因此，外特性在速度特性中最为重要。发动机诸性能特性中有一个叫做负荷特性，它是指当发动机转速一定时，经济性指标的有效比燃油消耗量随发动机负荷的变化关系。利用这一变化曲线，可最全面地确定发动机在各种负荷和转速时的经济性。 在了解负荷特性前，首先要知道有效比燃油消耗量是什么。 衡量汽车耗油量大小一般用汽车在规定的速度下行驶100公里路程的实际耗油量（升）计算。例如汽车技术参数上常见有“90公里/小时等速”时100公里耗油量的参数，这是衡量汽车经济性指标。衡量发动机经济性指标，工程技术人员用有效比燃油消耗量这一个指标，简称油耗率，用ge表示，它指每小时单位有效功率消耗的燃油量，单位是g/kw.h。当然，衡量发动机经济性还有其它指标，
内燃机特性
第十二章 内燃机特性 内燃机的各种性能指标（Ne 、g e 、Me 、G ）随工况（n 、负荷）不同而变化的关系，称为内燃机的特性。 目的：根据其特性合理调整，配套，使用内燃机；客观、准确地评价内燃机的动力性和经济性；了解特性曲线的变化规律及其影响因素，寻求改善发动机性能的途径。 特性：负荷特性、速度特性、调速特性、万有特性，燃料调节特性、供油点火提前角调整特性等。 曲线：将各种指标，随工况变化的关系，用曲线在直角坐标系中表示出来，叫内燃机的特性曲线。 第一节 速度特性 当油门固定不变时，内燃机各性能指标，随n 变化而变化的关系，称为速度特性。 目的：研究n 与各指标的变化规律；找出Nemax 、Memax 、g emax 所对应的转速，确定常用转度范围；为调整调速器提供依据。 将油门固定在标定功率位置时，测得的特性，称为外特性或全负荷特性。 外特性确定内燃机的最大功率。 将油门在标定功率以内的任何位置所测得的特性称为部分特性。 部分特性确定车用发动机的经济转速范围。P 192图12－3 n min ：怠速下的最低稳定转速，称为最低空转转速。 n min ：满负荷下的最低稳定转速。 n Me ：最大扭矩转速。 n ge ：最低燃油消耗转速。 n en ：标定转速。 n r ：调速器起作用转速。 n rmax ：最高空转速。 车用机的稳定范围是：n Me---- n en 中速g e 最低，低速和高速g e 高。 一 汽油机速度特性 1 汽油机的外特性 制作：将油门置于最大位置。不断增大负荷至满负荷。测取8－10个点，同时记录，g e 、n 、 Ne 。 Me 曲线：∵e h kp Pe iV Me =?=τ3.318，m i CH c Pe ηα ηη= 式中：C-常数，充气系数-CH η，指示热效率-i η， 空气过量系数-α，机械效率-m η 最初随着↓↑↑m n ηη,,CH
发动机特性曲线
161 161 第11章 发动机特性 11.1基本概念 全面了解发动机在所有工况下的性能指标的变化，对合理使用、检查与维修发动机，都有很强的适用价值。 11.1.1 发动机特性与特性曲线 1．发动机特性 发动机性能指标随调整情况及运转情况而变化的关系称为发动机特性。发动机性能指标主要有功率、转 矩、燃料消耗率、排气温度、排气烟度等； 调整情况主要指柴油机的供油提前角、汽油 机的点火提前角、发动机燃料等可调因素对 发动机性能的影响；运转情况一般指发动机 转速和负荷等。 2．特性曲线 为了直观显示发动机的特 性，常以曲线形式表示，称为发动机特性曲 线。图11-1为Audi （奥迪） 2.4L 四缸5 气门汽油机的外特性曲线。 3.发动机特性分类 发动机特性分调节特性和性能特性两大 类。 （1）调节特性 指发动机的性能指标随 调节情况而变化的关系。如柴油机的供油提 前角调节特性、汽油机的点火提前角调节特 性、汽油机的燃料调节特性等。 （2）性能特性 指内燃机的性能指标随 运行工况而变化的关系。如负荷特性、速度特性、调速特性、万有特性、螺旋桨特性等。 图11-1 发动机特性曲线 （Audi 2.4L5气门V6汽油机外特性）
162 162 11.1.2 发动机特性的制取 发动机特性需在专门的试 验台（俗称发动机台架）上进 行，图11-2显示了带水力测功 器的试验台的基本组成。它可 以模拟发动机的实际工况，使 其在要求的转速和负荷下工 作，并可以同步测量发动机在 各种工况下的功率、燃料消耗、 废气排放、气缸压力等性能参 数。 发动机特性试验，国家已 有标准，需按有关标准，在规 定的条件下进行。 11.2 发动机调节特性 发动机调节特性对发动机的正确调整、使用与维修关系 密切，值得重视。 11.2.1 柴油机供油提前角 调节特性 它是指在发动机转速一定和油量控制机构（如喷油泵的供油拉杆）位置一定条件下，其功率、燃料消耗率等性能指标随供 油提前角变化而变化的关系。 图11-3为柴油机供油提前角调节特性曲 线。由曲线可见，随着供油提前角θ的改变， 发动机的功率与燃料消耗率也随着变化。对应 于最大功率和最小燃料消耗率的供油提前角即 为最佳供油提前角。发动机使用维修时，应注 意按照使用说明书要求，检查调整发动机静态 最佳供油提前角。 最佳供油提前角是随着发动机的转速变化 而变化的，它一般由供油提前角自动调节装置 来控制。对于电控柴油机，则由ECU 根据发动 机工况精确控制。 11.2.2 汽油机点火提前角调节特性 它是指在发动机转速和节气门开度一定条件下，其功率、燃料消耗率等性能指标随点火提前角变化而变化的关系。 图11-2 发动机试验台 1-发动机 2-数显水温表 3-数显油压表 4-数显排温表 5-油门执行器 6-转速表 7- 负荷表 8-水门执行器 9-水温传感器 10-油压传感器 11-排温传感器 12-气 缸压力传感器 13-油压传感器 14-针阀升程仪 15-电 荷放大器 16-电荷放大器 17-霍尔针阀传感器 18-示波器 19-水力测功器 20-转角信号发生器 21-电荷放大器 22-Ａ/Ｄ转换板 23-微机 24-打印机 25-显示器 图11-3 柴油机供油提前角调
发动机原理第二章答案
第二章 2.1、“车开得慢，油门踩得小，就—定省油”，或者“只要发动机省油，汽车就一定省油”，这两种说法对不对？ 答：均不正确。 ①由燃油消耗率曲线知：汽车在中等转速、较大档位上才是最省油的。 此时，后备功率较小，发动机负荷率较高燃油消耗率低，百公里燃油消耗量较小。 ②发动机负荷率高只是汽车省油的一个方面，另一方面汽车的结构参数 及使用因素也关系汽车是否省油。， 2.2、试述无级变速器与汽车动力性、燃油经济性的关系。 提示：①采用无级变速后，理论上克服了发动机特性曲线的缺陷，使汽车具有 与等功率发动机一样的驱动功率，充分发挥了内燃机的功率，大地改善了汽车动力性。②同时，发动机的负荷率高，用无级变速后，使发动机在最经济工况机会增多，提高了燃油经济性。 2.3、用发动机的“最小燃油消耗特性”和克服行驶阻力应提供的功率曲线， 确定保证发动机在最经济工况下工作的“无级变速器调节特性”。 答： 无级变速器传动比I’与发动机转速及期限和行驶速度之间有如下关系： a a u n A u ==0i nr 0.377i' （式中A 为对某汽车而言的常数 0 377.0A i r =） 当汽车一速度'u a 在一定道路沙锅行驶时，根据应该提供的功率：
T w P P ηφ+='P e 由“最小燃油消耗特性”曲线可求出发动机经济的工作转速为e n'。 将'u a ，e n'代入上式，即得无级变速器应有的传动比i ’。带同一φ植的道路上，不同车速时无级变速器的调节特性。 2.4、如何从改进汽车底盘设计方面来提高燃油经济性? 提示： ①缩减轿车总尺寸和减轻质量 大型轿车费油的原因是大幅度地增加了滚动阻力、空气阻力、坡度 阻力和加速阻力。为了保证高动力性而装用的大排量发动机，行 驶中负荷率低也是原因之一。 ②汽车外形与轮胎 降低D C 值和采用子午线轮胎，可显著提高燃油经济性。 2.5、为什么汽车发动机与传动系统匹配不好会影响汽车燃油经济性与动力性?试举例说明。 提示：发动机最大功率要满足动力性要求（最高车速、比功率）] ① 最小传动比的选择很重要，（因为汽车主要以最高档行驶） 若最小传动比选择较大，后备功率大，动力性较好，但发动机负荷率较低，燃油经济性较差。若最小传动比选择较小，后备功率较小，发动机负荷率较高，燃油经济性较好，但动力性差。 ② 若最大传动比的选择较小，汽车通过性会降低；若选择较大，则变速器传动比变化范围较大，档数多，结构复杂。
发动机外特性
4.什么是速度特性？汽油机、柴油机的外特性？分别分析其外特性曲线的变化规律（根据公式逐项分析并得到规律）？ 答：当负荷保持不变时，发动机的性能指标（有效功率Pe 、扭矩Ttq 、燃油消耗率be 、每小时耗油量B 等）随转速变化的关系，称为发动机的速度特性。 汽油机的外特性是指汽油机节气门全开时所测得的速度特性。 柴油机的外特性（标定功率速度特性）：油量调节机构固定在标定循环供油量位置时，测得的速度特性称为柴油机标定功率速度特性。 汽油机外特性曲线的变化规律： 扭矩曲线：m v i tq K T ηηηα2 =， （1）在节气门开度一定时，α基本为常数。 (2)在某中间转速时，指示热效率i η最大（曲线略凸起）。 在转速高时，燃烧转过的曲轴转角较大，燃烧在较大容积下进行，燃烧效率低，i η小； 转速低时，进气流速↓,紊流强度↓ →使雾化、混合状态↓，火焰传播速度↓，散热、漏气损失大，故i η小。 （3）v η在某一转速时最大，因在该转速时能最好的利用气流惯性进气。 。，进气倒流惯性↓↓↓v n η,, ，气体未全部进入惯性↑↑,n ；。，压降且↓↓?↑?↑↑v a a p p v n η,, （4）m η：随转速提高，机械效率下降，因转速高，机械损失增大。 i m m P P /1-=η，转速↑→ Pm ↑，但Pi 基本不变。故m η下降。 综合上述各参数变化规律：则随n 升高，tq T 增加，在某一n 达最大值，随后n 增大tq T 减小。 功率曲线：n T P tq e ∝，得出e P 的变化规律。 ） （直到迅速低速时：max ,tq T e tq n P n T n ↑↑→↑↑→； )max max e e tq T P P T n n tq （直到较缓慢后：↑↓→↑→； ↓↑→e e P n P 后：max e b 曲线：m i e b ηη/1=，由此得出e b 的变化规律。 ;min 0e m i b n →?最大时，即在某转速ηη ;:0↑↓→↓>e m i b n n ηη，↑↓→↑< 读懂发动机特性曲线图，看看加速与节油性能 我和各位车友一样，开始时对发动的性能到底如何，是一头雾水，但要想了解发动机的性能，那么就必须读懂——发动机特性曲线图。本人整理了一些网上收集到的资料，提供给各位车友。 一、什么是发动机转速特性曲线图？ 发动机转速特性曲线——也有叫发动机工况图，是将发动机功率、转矩与发动机曲轴转速之间的函数关系以曲线表示，简称为发动机特性曲线。 如果发动机节气门全开，此特性曲线称为发动机外特性曲线；如果节气门部分开启（或部分供油），称为发动机部分负荷特性曲线。通俗的说，就是将油门踩到底，发动机从怠速到最高转速期间，输出的功率和扭矩的情况在图上反映出来，以此来判断车子能 跑多快，有没有劲。 从“图1”可以看出，转速在ntq点和np点，发动机扭矩和功率分别达到最大值，这是两个决定发动机性能的主要参数，扭矩决定汽车的起步、爬坡、超车能力，而功率决定着最高的车速和载重量。 图1 二、如何由曲线图判断发动机性能： 那么怎样的发动机曲线才能代表发动机性能是较好的呢？让我们看图说话，从汽车的起步、超车和极速这3个方面分析。 起步加速能力： 图2 拿到一张发动机曲线图，如“图2”，我们可以看到，扭矩在2000转的时候达到100Nm，升至3500转的过程中有一个快速的提升过程，而如果此区间内的斜线倾斜度越大，越光滑，则代表发动机可以用较短的时间达到扭矩的峰值，并且加速平稳线性，与此同时，功率也随转速的增加而增加。在实际的驾车当中，随着我们踩第一脚油，汽车克服地面摩擦力，开始起步，随着发动机转速提高，汽车的扭矩会快速提升，一般的发动机在3000转左右来到扭矩峰值，而人们经常提及的“3000转换挡”的惯性操作，实际目的就是为了能够保持这个最大的牵引力，通过换挡，使发动机保持 项目报告 —发动机特性曲线 学院：车辆与能源学院 班级：11车辆工程2班 姓名：连伟波 学号：110113030036 指导教师：王文峰 目录 一、试验目的 二、试验原理 三、数据处理 四、数据分析 五、试验心得 一、试验目的 1.了解发动机台架性能试验系统的基本结构。 2.了解发动机台架试验设备，仪器和仪表的正确使用方法。 3.掌握汽油机速度特性台架试验的试验方法。 4.掌握汽油发动机速度特性试验数据的处理，能够绘制汽油机速度特性曲线图，并能对特性曲线进行分析。 二、试验原理 汽油机速度特性：在汽油机节气门开度一定（部分开度或全开）的情况下， 研究其功率P e 、转矩T tq 、耗油量B及燃油消耗率b e 与转速n之间的关系。 三、数据处理 发动机台架试验所用的是摩托车发动机为单缸机部分试验数据 节气门开度分别为18%、38%、58%、78%时的转矩，功率，油耗及燃油消耗率，转速的部分数据（发动机台架试验所用的是摩托车发动机为单缸机，转速为变速器一档时的转速） 转矩功率油耗量油耗率 36.84 1.08 0.714 535.5 35.54 1.07 0.721 535.5 35.87 1.1 0.709 535.5 36.09 1.16 0.699 535.5 35.81 1.12 0.685 535.5 35.71 1.1 0.683 535.5 36.63 1.16 0.683 535.5 35.98 1.15 0.683 535.5 36.36 1.15 0.708 535.5 36.3 1.14 0.688 535.5 36.68 1.14 0.678 535.5 36.52 1.17 0.683 535.5 36.79 1.15 0.672 535.5 36.47 1.13 0.657 535.5 36.34 1.123 0.657 585.2 36.14 1.12 0.657 585.2 36.09 1.15 0.627 585.2 36.63 1.17 0.607 585.2 36.68 1.15 0.581 585.2 36.03 1.11 0.546 585.2 35.43 1.18 0.526 585.2 35.38 1.27 0.511 585.2 35.54 1.3 0.511 585.2 35.33 1.24 0.516 585.2 35.05 1.3 0.495 585.2 实验二:发动机速度特性试验 （车2、） 一、实验仪器设备 1．测功机： 长沙湘仪动力测式仪器有限公司生产的电涡流测功机：型号：GW160； 额定吸收功率：160kw；最高转速：1,0000r/mim 启东市联通测功器有限公司生产的电涡流测功机：型号： DW400； 额定吸收功率：400kw；最高转速：5000r/mim 2．实验用发动机型号： YC6L-280-30型柴油发动机：最大功率：206/2200 (kw/rpm)；排量：8.4L 3．发动机自动测控系统 4．数字智能油耗仪 二、实验步骤 速度特性是油门开度保持在某一位置时测取的，油门开度处于最大位置时的速度特性称为全负荷速度特性， 亦称为外特性，其余位置时的速度特性称为部分速度特性。外特性只有一条，而部分速度特性则有多条。 1 .起动测功器，再起动发动机，调节测功器负荷和油门大小，使发动机暖机，在热状态稳定时准备进行测量。 2 逐步开大油门同时增加测功器负荷，到油门开度达到最大位置后固定，在转速达到标定转速并稳定运转后， 由组长发出指令，测量记录发动机转速、测功器读数、耗油量、耗油经历时间、冷却水进出水温、机油温度、 机油压力等数据。在第一点数据测量完毕后，油门开度不变，继续增加测功器负荷，使转速降低，每隔200r/min 为一个测量点，直到45％标定转速为止，依次重复上述过程。 要求测点不少于8点，且包括最大转矩转速。 3 外特性实验结束后，减小油门开度，测取部分速度特性，油门开度可按标定功率的百分比或油门开度的 百分比来确定，其方法同上所述 三、 车一A组数据及图表： 车二A组数据及图表： 实验一汽油机速度特性 一、实验目的 1、掌物汽油机速度特性的试验方法。 2、学会对实验数据进行处理，对实验结果进行分析；并绘制汽油机速度特性曲线图。 二、实验条件 1、EQ6100型汽油发动机（Pemax=99kw/2800r/min）一台 2、D260-A1型水力测功机一台 3、JFC-012转速油耗自动测量仪一台 4、液体密度计一只 5、温度计一只 6、大气压力计一只 7、汽油 10升 三、实验原理 汽油机速度特性：在汽油机节气门开度一定（部分开度或全开）的情况下，研究其功率Pe、转矩Ttq、耗油量B及燃油消耗率be与转速n之间的关系。 四、实验内容和要求 1、调整水力测功机负荷及指挥全组协调动作，一人；测功机负荷的调整应均匀、准确，尽量避免大幅度增加或减小测功机负荷，造成发动机的转速剧烈波动。 2、调节、监视发动机节气门，一人；当发动机出现异常情况时应立即减小或关闭节气门。 3、测量发动机转速和油耗，一人；测量转速时，应注意转速的上下波动情况，当转速的波动值超过±20r/min，该组实验数据应视为无效并重做。 4、调节，监视发动机冷却水出水温度，一人；保持发动机冷却水出水温度稳定在80±5℃范围内，出现气阻现象（无冷却水排除或冷却水出水温度超过100℃），应立即报告，以便及时停机。 5、监视发动机机油压力、温度，一人；出现异常情况应及时报告。 6、记录测功机读数W、发动机转速n、耗油体积△V和耗油时间△t, 一人；实验 数据记录应准确无误。 7、绘制实验监督曲线，一人；当发现实验过程中因某些特殊原因而引起误差过大的点，应及时指出，以便补测校正。 五、实验方法与步骤 1、按照附录一《发动机台架试验安全操作规范》，作好试验前的准备工作。 2、起动、预热发动机至发动机冷却水出水温度为80±5℃。 3、调节发动机节气门开度，同时调整测功机负荷，使其达到所需之开度（发动机转速n=2400±50r/min，测功机读数W=300±10N），固定节气门。在整个实验过程中，节气门开度不再发生改变。 4、调整测功机负荷（一般为减小），使发动机稳定在一个较高的转速（n=2600±20r/min），待发动机的工况稳定后，测量其消耗燃油△V（100ml）所需的时间△t，测量二次。同时测量该工况下的测功机读数W和汽油发动机转速n。 5、逐步增加测功机负荷，使发动机转速每次降低100或200r/min，重复上述测量，直至发动机转速n=1200r/min时为止。 6、以发动机转速n为横坐标，测功机读数 W为纵坐标绘制实验监督曲线。 7、实验完毕后，应逐渐减小测功机负荷至发动机空负荷再低速运转数分钟后停车，抄录整理实验数据，将数据记入实验记录表（见表二），作好保养清理工作，经实验指导老师签字后即可离开实验室。 六、实验的重点或难点 1、测功机负荷的调整。 2、实验数据的处理以及结果分析。 七、实验注意事项 1、在测发动机外特性时，发动机的最大功率工况属短时间运转范围，不能长时间运转，否则对发动机寿命影响甚大，因此这时的测量要求迅速、准确，尽量缩短其运转时间。 2、在测发动机外特性时，因负荷较大，联轴节可能断裂飞出伤人，因此要注意安全，联轴节两旁不得站人。 3、随时注意调节发动机冷却水的出水温度，并保持在80±5℃。 第二章往复式活塞内燃机的定义与分类 定义 活塞机器是将能量从流体（气体或液体）转移到运动的（displacer）活塞或者从活塞转移到流体的机器。它们因而算是流体能量类机器，如从动机器，吸收机械能转换为被转移流体的能量。在主动机器中，正相反，机械能在活塞或者曲柄机构上以有用功的形式释放。 工作体积随活塞运动周期性变化，是活塞式发动机的工作特性。往复活塞式发动机与旋转活塞式发动机的一个区别就是活塞运动的本质不同。在往复活塞式发动机，活塞呈圆柱形，往返于气缸内的两个极限位置——“止点（dead center）”。术语“活塞（piston）”也常以非圆柱形式存在。在旋转活塞式发动机中，旋转的活塞负责改变工作容积。 燃烧式发动机是燃烧空气和燃油的可燃混合物，将其中的化学能转化为机械能的机器。最广为人知的燃烧式发动机是内燃机和汽轮机。图表2-1是对此的概述 内燃机是活塞式发动机。往复活塞发动机与旋转活塞发动机区别在于密封结构，工作容积的改变形式和活塞运动的形式。旋转活塞发动机又可以细分为旋转发动机（rotary engine，一个内转子，一个外转子绕固定轴纯粹的旋转）和行星旋转发动机（planetary rotary engine，一个内转子，圆周运动的轴）。图表2-2显示了不同的工作原理。只有汪克尔发动机（Wankel engine）—一种行星活塞发动机，实现了突破。 图2-1 依据工作过程区分内燃机与外燃机也是必要的。对于内燃机，工质同时也是燃烧所需的氧气的来源。燃料燃烧产生废气，必须在每个工作循环前换气。燃烧因而是周期性的，汽油机、柴油机和混合发动机（hybrid engine）的区别就在于燃烧过程。 对于外燃机（如斯特林发动机Stirling engine），工作室外连续燃烧产生的热量转到工作室内的工质。这许可闭式循环工作过程（closed-circuit working process），可以使用任何燃料。 只有往复活塞内燃机，循环燃烧(cyclical combustion is examined from this point on.) 分类方法potentials for classification 由于复杂的相互关系，往复活塞式发动机的分类方法多种多样。往复活塞式发动机可以按照燃烧过程、燃料、工作的循环、混合物生成系统、换气控制系统、充量系统（charging system）、构造分类。进一步的特征差异表现在——点火系统、冷却系统、负荷调节系统、用途、速度和输出graduation。然而，许多特征差异现在只有历史意义。 2.2.1燃烧过程 在众多燃烧过程中，最初差异只是在奥托循环和狄赛尔之间。混合发动机展现出了奥托循环和狄赛尔循环两者的特性。汽油机在外缘同步点火的作用下，燃烧压缩后的燃油和空气的混合物。柴油机，则相反，空气充量压缩后被加热到燃料起燃温度，之后液态燃料被喷入燃烧室燃烧。混合发动机以充量分层发动机和多燃料发动机In the case of hybrid engines, one differentiates between engines featuring charge stratification an 2.2.2 燃料 气态的、业态的还有固态的燃料都在燃烧发动机中燃烧 气态燃料：甲烷，丙烷，丁烷，天然气、发生炉瓦斯（generator）、高炉气（blast furnace，主要成分CO）、生物气（污泥和填埋废弃物产生，主要是甲烷）和氢气。 液体燃料 清液态燃料：汽油、煤油、苯、醇类（甲醇、乙醇）、丙酮、乙醚、液化气（液化石油气、液化天然气）。 重液态燃料：石油、柴油、脂肪酸甲酯（fatty-acid methyl esters -FAME）和源于欧洲的菜籽甲酯（rape-seed56 methyl esters -RME）、生物柴油、植物油、重油（heavy fuel oils）和船用燃油（marine fuel oil --MFO） 混合燃油：柴油+菜籽甲酯，柴油+水，还有汽油+酒精 固体燃料：煤粉（Pulverized coal） 绪论思考题 1.简述发动机、热力发动机、外燃机和内燃机的定义。 2.掌握内燃机的基本名词术语（燃烧室容积、汽缸工作容积、汽缸总容积和压缩比）。 3.内燃机工作循环由哪几个过程组成？简述四冲程汽油机、柴油机的工作原理。 4.阐述柴油机与汽油机工作原理的差别？ 5.简述内燃机的分类情况。 6.发动机通常是由哪些机构与系统组成的？它们各有什么功用？ 7．发动机汽缸排列方式有几种？ 8．内燃机产品和型号的编制规则。 8. 462Q汽油机行程为66mm，压缩比为8.7。计算每缸工作容积，燃烧室容积及发动机排量。 第二章 1. 内燃机进气终了压力和进气终了温度如何变化，原因是什么？ 2.简述充气系数的定义，影响因素有哪些？提高充气系数措施有哪些？ 3.什么叫配气相位、气门重叠角？ 4．汽油、柴油的主要使用性能指标。 5汽油机、柴油机燃烧过程分哪几个阶段？ 6．点火提前角、喷油提前角的定义？ 7.汽油机爆震燃烧产生原因和危害？ 8.什么是发动机示功图？有什么用途？ 9．什么是发动机的指示指标和有效指标? 10.何谓机械效率？发动机的机械损失包括哪些？ 11、简述有效扭矩Me、有效功率Ne的定义。 12. 简述燃油消耗率、升功率的定义和计算方法。 第四章复习思考题 1.配气机构的功用是什么？由哪些零件组成？ 2.凸轮轴轴向定位有几种方式？ 3.配气机构的结构型式有哪几种？驱动机构的结构型式有哪几种？各有什么优缺点？ 4.气门弹簧起什么作用？为什么在装配气门弹簧时要预先压缩？ 5.为什么一般在发动机的配气机构中要留气门间隙？气门间隙过大或过小有何危害？ 6.可变配气相位控制机构的作用是什么？基本原理是什么？ 7.二冲程内燃机换气方式有哪几种？ 第七章思考题： 1.汽油机最佳点火提前角与转速、负荷有什么关系？ 2.传统机械式点火系统组成及各部件作用？ 3.传统机械式点火系统如何调整点火提前角？（真空点火提前和离心点火提前） 汽车的效率大小与发动机的速度特性曲线 出处：pcauto [ 2004-10-10 10:57:33 ] 作者： 责任编辑：wangfen 汽车的效率大小很大程度上决定于发动机 的性能。在许多汽车产品介绍上，都标有“最高 输出功率”和最高输出扭矩”在两项重要的发动 机指标，并用曲线图来反映发动机的上述指标。 那么，这些发动机指标是怎样测出来呢？ 当发动机运转的时候，其功率、扭矩和耗油量这三个基本性能指标都会随着负荷的变化而变化。这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映发动机特性的曲线图。根据发动机的各种特性曲线，可以全面地判断发动机的动力性和经济性。反映发动机运行状况常用速度特性曲线。 发动机的速度特性曲线表示有效功率N（千瓦）、扭矩M（牛顿米）、比燃料消耗量g（克/千瓦小时）随发动机转速n而连续变化的表现。发动机的速度特性是在制动试验台架上测出的。保持发动机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等，然后调整被测机载荷（扭距变化），使发动机转速改变，再测得另一转速下的功率、比耗油。按照一定转速间隔依次进行上述步骤。就能测出在不同转速下的数值，将这些数值点连点地组成连续曲线，就产生了功率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。 当汽油机节气门完全开启（或者柴油机喷油泵在最大供油量时）的速度特性，称 为发动机的外特性，它表示发动机所能得到的最大动力 性能。从外特性曲线上可以看到发动机所能输出的最大 功率、最大扭矩以及它们相应的转速和燃料消耗量，汽 车产品介绍书上大都采用发动机外特性曲线图，但一般 只标出功率和扭矩曲线。 发动机外特性曲线是在发动机最好的工作状态下能 使发动机发出最大功率的情况下测出来的。它表现的曲线特征是∶功率曲线和扭矩曲线都呈现凸形曲线，但两者表现是不一样的。在汽油发动机外特性曲线中∶ 功率曲线在较低转速下数值很小，但随转速增加而迅速增长，但转速增加到一定区间后，功率增长速度变缓，直至最大值后就会下降，尽管此时转速仍会继续增长。 扭矩曲线则与功率曲线相反，它往往在较低转速下就能获得最大值，然后随转速上升而下降。 比耗油量指千瓦小时的耗油量，它随转速的增长而呈现一个凹形曲线，在中间某一转速下达到最小值，转速增大或者减少，都会使比耗油量增大。 柴油机外特性曲线表现与汽油机有所不同。它的功率N、扭矩M和比耗油量g随转速n而变化，但功率N曲线是随转违上升而上升，差不多到了最大转速（标定转速）仍未出现曲线的最高点。扭矩M曲线变化平缓，在不同转速位置变化量不大。比耗油量g曲线不但起点数值低，而且比较平坦（与汽油机比较）。 虽然各种型号汽油或柴油发动机外特性曲线不会完全一样，但基本还是呈现上述的形态，通过发动机外特性曲线图可以了解发动机的性能和特点，了解功率、扭矩、耗油量和转速之间关系，并找出发动机最佳的工作区域。回答诸如为什么要根据负荷变化换档，为什么中等转速最经济，为什么柴油机能承受较大的负荷，柴油机与汽油机在性能上有什么不同等问题。 《汽车发动机原理》作业题库 第六章 6-1 汽车发动机的面工况是由哪些工况线所限定的？在P e-n或T tq-n工况面上画出各限制线。 解：上缘的各转速最大功率限制线；右侧各负荷条件下的最高转速限制线；左侧的发动机最低稳定工作转速限制线。 6-2 什么是汽车发动机的标定工况？轿车汽油机和重型载货车柴油机确定标定工况时的出发点是什么？二者的标定功率，哪一个更接近发动机的极限最大功率？ 解：标定工况：发动机铭牌上规定的最大输出功率P emax及其对应转速所确定的工况。轿车使用15min功率。适用于短时间使用最大功率的发动机。重型载货车柴油机使用1h功率。适用于较长时间的重在使用。轿车更接近。 6-3 什么是发动机的运行特性和调整特性？研究运行特性和调整特性的意义各是什么？ 解：运行特性：发动机稳态工况条件下的特性。为了了解发动机的性能指标与特性参数随着各种可变因素变化的规律。 调整特性：发动机转速和油量调节位置不变下，各种性能指标随调整参数变化的规律。对发动机性能进行优化。 6-4 汽油机和柴油机的负荷特性曲线总体变化趋势如何？有什么差别？为什么会有这些差 别？解释二者实际的使用燃料消耗率比标定工况燃料消耗率相差更大的原因。 解：指示效率都是中间高，汽油机更偏向大负荷。机械效率都随负荷增加而增加。油耗与指示效率的变化正好相反。 汽油机小负荷燃烧不好，泵气损失高，随着负荷增加得到改善。柴油机小负荷等容度高，k大，随着负荷增加而恶化。负荷增加，机械损失增加较少，所以机械效率增加。 6-5 画出汽油机和柴油机在全、中、小负荷三种情况下，P e和T tq的速度特性曲线（汽油机 及柴油机各画一图）。对比说明两种机型的速度特性曲线的变化特点，并解释造成差异的主 要原因。两种机型外特性线形状对整车动力性是有利还是不利？如不利，可采用什么措施加 以改进？画出改进后的特性曲线。 解：汽、柴油机在全、中负荷和小负荷三种情况下Pe和Ttq的速度特性曲线分别如下图所示： 发动机外特性曲线：效率与转速特性曲线 汽车的效率大小很大程度上决定于发动机的性能。在许多汽车产品介绍上，都标有“最高输出功率”和最高输出扭矩”在两项重要的发动机指标，并用曲线图来反映发动机的上述指标。那么，这些发动机指标是怎样测出来呢？ 当发动机运转的时候，其功率、扭矩和耗油量这三个基本性能指标都会随着负荷的变化而变化。这些变化遵循一定的规律，将这些有规律的变化描绘成曲线，就有了反映发动机特性的曲线图。根据发动机的各种特性曲线，可以全面地判断发动机的动力性和经济性。反映发动机运行状况常用速度特性曲线。 汽油发动机曲线图 发动机的速度特性曲线表示有效功率N（千瓦）、扭矩M（牛顿米）、比燃料消耗量g（克/千瓦小时）随发动机转速n而连续变化的表现。发动机的速度特性是在制动试验台架上测出的。保持发动机在一定节气门开度情况下，稳定转速，测取在这一工况下的功率、比耗油等，然后调整被测机载荷（扭距变化），使发动机转速改变，再测得另一转速下的功率、比耗油。按照一定转速间隔依次进行上述步骤。就能测出在不同转速下的数值，将这些数值 点连点地组成连续曲线，就产生了功率曲线、扭矩曲线和比燃料消耗量曲线，它们与相应的转速区域对应。 当汽油机节气门完全开启（或者柴油机喷油泵在最大供油量时）的速度特性，称为发动机的外特性，它表示发动机所能得到的最大动力性能。从外特性曲线上可以看到发动机所能输出的最大功率、最大扭矩以及它们相应的转速和燃料消耗量，汽车产品介绍书上大都采用发动机外特性曲线图，但一般只标出功率和扭矩曲线。 发动机外特性曲线是在发动机最好的工作状态下能使发动机发出最大功率的情况下测出来的。它表现的曲线特征是∶功率曲线和扭矩曲线都呈现凸形曲线，但两者表现是不一样的。在汽油发动机外特性曲线中∶ 功率曲线在较低转速下数值很小，但随转速增加而迅速增长，但转速增加到一定区间后，功率增长速度变缓，直至最大值后就会下降，尽管此时转速仍会继续增长。 扭矩曲线则与功率曲线相反，它往往在较低转速下就能获得最大值，然后随转速上升而下降。 比耗油量指千瓦小时的耗油量，它随转速的增长而呈现一个凹形曲线，在中间某一转速下达到最小值，转速增大或者减少，都会使比耗油量增大。 柴油机外特性曲线表现与汽油机有所不同。它的功率N、扭矩M和比耗油量g随转速n而变化，但功率N曲线是随转违上升而上升，差不多到了最大转速（标定转速）仍未出现曲线的最高点。扭矩M曲线变化平缓，在不同转速位置变化量不大。比耗油量g曲线不但起点数值低，而且比较平坦（与汽油机比较）。 内燃机原理课后题 内燃机学课后题 第二章：内燃机的工作指标 2-7 内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？ 2-8 怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力？ 2-9 机械效率的定义是什么？ 2-10 平均有效压力和升功率在作为评定发动机的动力性能方面有何区别？ 2-11 充量系数的定义是什么？的高低反映了发动机哪些方面性能的好坏？ 2-12 试推导由吸入的空气量来计算平均有效压力的解析式及升功率的解析式，并分析提高发动机升功率的途径。 2-13 影响b e 的因素有哪些？降低b e 的途径有哪些？ 2-14 过量空气系数的定义是什么？在实际发动机上怎样求得？ 2-15 内燃机的机械损失由哪些部分组成？详细分析内燃机机械损失的测定方法，其优、缺点及适用场合。 2-16 要设计一台六缸四冲程高速柴油机，设平均指示压力，平均机械损失压力，希望在2000r/min时能发出的功率为73.5kW。 1）为将活塞平均速度控制在8m/s，缸径行程比取多大合适？ 2）为使缸径行程比为1:1.2，缸径与行程取多大？ 2-17 有一台6135Q-1柴油机，D×S=135mm×140mm，6缸，在2200r/min时，发动机发出的有效功率为154kW，b e =217g/(kW·h)。 1）求发动机的p me 、T tq 和。 2）当时，试求、、和的值。 3）当、、均未变，由0.75提高到0.8，此时P L 、P e 和b e 的值。 4）若通过提高使P e 提高到160kW，而、均未变化，则、、b e 值是多大？ 5）通过以上计算，你可以得出哪些结论？ 2-17试述机械损失的测定方法。 第三章：内燃机的工作循环 3-1 研究理论循环的目的是什么？柴油机的理论循规蹈矩环与实际循环有何区别？ 3-2 试推导混合加热理论循环热效率的表达式。 3-3 从理论循环中可以得到哪些结论？在指导实际工作时要受到哪些限制？ 3-4 简述发动机实际循环向理想循环的简化条件。 3-5 在初态相同、最高压力和温度相同、放热量相同的前提下，在发动机理想循环P-V图上比较混合、定容和定压加热循环的热效率。 3-6说明提高压缩比可以提高发动机热效率和功率的原因。 3-7 为什么汽油机的压缩比不宜过高？ 3-8 做出四冲程非增压柴油机理想循环和实际循环P-V图，并标明各项损失。 3-9 汽油及柴油的重要理化指标各有哪些？ 3-10 什么是汽油的辛烷值？提高汽油燃料辛烷值的方法有哪些？ 3-11 汽油机上使用甲醇与汽油的混合燃料，其中甲醇与汽油的质量分数分别为15%和85%，试求出这种燃料的化学计量空燃比。 3-12 内燃机的实际循环与理想循环相比，存在着哪些损失？试述各种损失及其形成原因。 3-13 何谓内燃机的燃烧效率？汽油机与柴油机的燃烧效率有何不同？ 3-14 绘出非增压内燃机气缸内工作过程的计算框图。读懂发动机特性曲线图
发动机速度、负荷特性实验项目报告
2、发动机速度特性试验
实验一 汽油机速度特性
第二章往复式活塞内燃机的定义与分类
内燃机 复习思考题
汽车的效率大小与发动机的速度特性曲线
习题第六章答案
发动机外特性曲线：效率与转速特性曲线
内燃机原理课后题