章節內容第一節概述第二節內燃機速度特性第三節內燃機負荷特性第四節萬有特性第五節內燃機的功率標定及大氣修正學習目標知識目標1．能正確描述發動機的工況和運轉特性的基本概念；2．能簡單敘述發動機負荷特性及其參數分析；3．能簡單敘述發動機速度特性及其參數分析；4．能簡單敘述發動機萬有特性及其參數分析；技能目標1．能根據發動機各種特性分析發動機的運行特點；2．能結合發動機參數分析初步判斷發動機的工作狀態。第一節概述

一、內燃機工況內燃機在某一時刻的運行狀況簡稱工況，以該時刻內燃機輸出的有效功率和轉速表示。表征內燃機運行工況的參數可由下式給出

Pe∝Men

式中：Pe——有效功率（kw）；

Me——內燃機的扭矩；

n——內燃機的轉速。第一節概述

一、內燃機工況內燃機工況的類型根據使用條件大致可分為以下三類：第一類工況：

內燃機功率變化，但曲軸轉速幾乎保持不變。例如內燃機帶發電機工作時，必須保持穩定的轉速，這種工況如圖11－1中的曲線1所示，稱為線工況。第一節概述

一、內燃機工況內燃機工況的類型根據使用條件大致可分為以下三類：第二類工況：

內燃機功率與曲軸轉速接近于三次冪函數關系（Pe∝n3）。當內燃機作為船用主機帶動螺旋槳工作時，內燃機發出的功率必須與螺旋槳的吸收功率相等，而螺旋槳的吸收功率與其轉速成三次冪函數關系，此時內燃機工況的特點由螺旋槳特性決定，所以又稱作螺旋槳工況或推進工況。如圖11－1中的曲線2所示，也稱為線工況。第一節概述

一、內燃機工況內燃機工況的類型根據使用條件大致可分為以下三類：第三種工況：功率和轉速都獨立地在很大范圍內變化，它們之間沒有特定的關系。作為汽車等陸地運輸機械動力的發動機，都屬于這種工況。此時發動機的轉速決定于行駛速度，可以從最低穩定轉速ｎmin一直變到最高轉速ｎmax；負荷取決于行駛阻力，在同一轉速下，可以從零變到全負荷（圖11－1中的曲線3）。內燃機可能的工作區域就是該種類型發動機的實際工作區域，相應的工況區域稱為面工況。第一節概述二、內燃機特性研究內燃機特性的主要目的：在于分析內燃機在各種工況下的動力性、經濟性、穩定性、適應性和可靠性等等，從而確定內燃機正常工作的范圍及適宜的工作區域。當內燃機運轉工況變化時，其性能指標也隨之變化。因此，評價一臺內燃機的好壞，需要考察它在各種工況下的性能指標，然后才能作出判斷。對于工況在很大范圍內變化的汽車、拖拉機以及工程機械所用的內燃機尤其是這樣。第一節概述二、內燃機特性內燃機性能指標隨運轉工況而變化的規律稱為內燃機特性。內燃機特性的種類很多，其中主要有速度特性和負荷特性等。內燃機特性往往是以曲線形式表示的。它是通過內燃機的臺架試驗，測取有關參數，經過整理后繪制而成的。用以表示內燃機特性的曲線就稱為特性曲線。它是評價內燃機性能的一種簡單、方便、必不可少的形式。根據特性曲線可以合理的選用內燃機，并能有效地利用它了解內燃機特性的成因以及影響因素，就可以按需要的方向改造它，使內燃機性能進一步提高，并設法滿足使用要求。第二節內燃機速度特性內燃機速度特性是指油量調節機構（油量調節齒條、拉桿或節氣門開度）保持不變的情況下，主要性能指標（扭矩、油耗、功率、排溫及煙度等）隨轉速變化的規律。研究速度特性的目的在于找出內燃機在不同的轉速下其動力性和經濟性的變化規律，確定內燃機的最大功率、最大轉矩和最小燃油消耗率。一、柴油機的速度特性柴油機的速度特性曲線如圖11-2所示實線1分別表示外特性的有效扭矩Ｍe、有效功率Ｐｅ和有效燃料消耗率ｇe的變化趨勢，其余虛線分別表示部分負荷速度特性的有效扭矩Ｍe、有效功率Ｐｅ和有效燃料消耗率ｇe的變化趨勢。一、柴油機的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲線的變化規律由于柴油機輸出的有效扭矩Ｍe正比于平均有效壓力ｐe，而ｐe又與每循環供油量ｇｂ、指示熱效率ηi及機械效率ηm成正比。柴油機的有效扭矩Ｍe的大小決定于每循環供油量ｇｂ、指示熱效率ηi及機械效率ηm一、柴油機的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲線的變化規律對無油量校正裝置的柴油機，轉速降低時，由于每循環供油量ｇｂ的減少，相應抵消了指示熱效率ηi和機械效率ηm，提高的影響，綜合作用的結果是使柴油機外特性上的轉矩Ｍe曲線很平坦。部分負荷速度特性時，有效扭矩Ｍe隨轉速變化規律與外特性時相似，只是由于每循環供油量ｇｂ的減少，使其曲線偏低。一、柴油機的速度特性⒉有效功率Ｐｅ曲線的變化規律有效功率Ｐe與有效轉矩Ｍe和轉速ｎ的乘積成正比，由于轉矩Ｍe隨轉速變化不很大，使得功率Ｎe幾乎隨轉速成正比增加，其特性曲線近似一斜線，故在最高轉速下有最大功率。⒊有效燃料消耗率ｇe曲線的變化規律根據燃料消耗率定義式可知，ｇe∝１／ηi﹒ηm。ｇe曲線在整個轉速變化范圍內，兩端略有上翹，在某一中間轉速最低。當高于此轉速時，因ηi和ηm同時下降使ｇe上升；當低于此轉速時，充氣系數ηv降低，加上燃油霧化差，渦流減弱，使ηm同的上升幅度彌補不了ηi的下降幅度，ｇe同樣上升。柴油機的燃料消耗率ｇe曲線變化比較平坦，這說明柴油機在廣泛的轉速范圍內經濟性好。⒊有效燃料消耗率ｇe曲線的變化規律部分負荷速度特性時，燃料消耗率由于ηm較低而較外特性上的燃料消耗率曲線有所上升，但隨轉速的變化規律基本不變。二、汽油機的速度特性⒈有效扭矩Ｍe曲線變化規律汽油機在低轉速時，隨轉速的升高，扭矩Ｍe越來越大，在低速區某一轉速時，扭矩Ｍe達最大值。此后，隨轉速的繼續升高，扭矩Ｍe反而下降（曲線1）。在部分速度特性（節氣門在部分開度）時，轉矩隨轉速升高而下降，節氣門開度越小，曲線越陡（圖中2、3、4曲線）。二、汽油機的速度特性⒉有效功率Ｐe曲線的變化規律當轉速從很低值增加時，由于扭矩Ｍe和轉速n同時增加,Ｐe迅速上升,直至扭矩Ｍe達到最大值。繼續提高轉速,Ｐe上升逐漸緩慢,至某一轉速時,扭矩與轉速的乘積達最大值,Ｐe也達最大值.若轉速繼續升高,由于Ｍe降低的影響已超過轉速上升的影響,功率Ｐe反而下降（圖中1'曲線）。二、汽油機的速度特性⒉有效功率Ｐe曲線的變化規律在部分負荷下工作時，隨著節氣門開度減小，進氣阻力增大使充氣系數ηv下降，而且隨著轉速的提高ηv下降的速度加快。所以在節氣門部分開啟時，Ｐe曲線總是低于外特性的Ｐe曲線。而且轉速越高，部分特性與外特性的差別就越大，并且功率最大點向低轉速方向偏移（圖中2′、3′、4′曲線）。二、汽油機的速度特性⒊有效燃料消耗率ｇe曲線的變化規律由于燃料消耗率ｇe與ηi﹒ηm成反比關系，在某一中間轉速，ηi﹒ηm最大時，ｇe最小。當轉速較高時ηm下降較快，而轉速較低時ηi下降明顯，都使ｇe上升，因此ｇe曲線呈明顯的下凹形狀（圖中1″曲線）。二、汽油機的速度特性在部分負荷下工作時，燃料消耗率ｇe曲線的變化與Me、Ｐe曲線有所不同。當節氣門從全開逐漸減小時，混合氣的加濃程度逐漸減輕，ｇe曲線的位置降低。節氣門開度為80%左右時，ｇe曲線的位置最低（圖中2″曲線）。節氣門開度再減小，由于殘余廢氣相對增多，燃燒速率下降，使ηi下降，燃料消耗率增加，ｇe曲線的位置又逐漸升高（圖中3″、4″曲線）三、內燃機工作的穩定性由于汽油機的Ｍe曲線不如柴油機的Ｍe曲線平坦，呈上凸形狀，使得汽油機自動適應阻力矩變化的能力較強，運轉的穩定性好。為了表示內燃機工作的穩定性，往往采用適應性系數Ｋｍ來評定：式中Ｍemax－最大扭矩值；ＭＮｅ—標定功率點的扭矩值三、內燃機工作的穩定性為改善柴油機工作的穩定性，在噴油泵上采用了油量校正器，用來校正油泵特性，使其在最大負荷工況工作時，隨著轉速的下降提供額外的供油量，以提高柴油機的適應系數。

三、內燃機工作的穩定性汽油機的適應系數Ｋｍ比較大，一般在1.25～1.45之間，而無校正器的柴油機一般在1.05～1.15之間。汽油機轉速變化系數Ｋｎ的值一般在1.6～2.5之間，無校正器的柴油機一般在1.4～2。有時也用最大扭矩與標定扭矩之差和標定扭矩之比，來表示發動機克服阻力的能力大小，并將其定義為扭矩儲備系數μ，即μ＝（Ｍemax－ＭNe）/ＭNe＝Ｋｍ－１。四、調速器對速度特性的影響兩級式調速器在ｎ１～ｎ２轉速范圍內，柴油機在稍低于原轉速的條件下穩定運行而不致使轉速繼續下降。這就是調速器的低速穩定性。當轉速超過ｎ２后，在ｎ２～ｎＮ區間兩極式調速器不起作用，內燃機的速度特性仍沿原有曲線運行。當轉速達到ｎＮ后，若轉速繼續上升，則調速器高速彈簧起作用，供油量減小，柴油機扭矩迅速下降，使其在稍高于轉速ｎＮ條件下運行，柴油機進入怠速狀態，轉速不再上升。四、調速器對速度特性的影響全程式調速器當安裝全程式調速器后，柴油機的速度特性出現了很大的變化，除一外特性仍與原來相同外，其部分特性則由原有的接近橫向改變成近似縱向，其每一個縱向曲線表示一個功率調節機構的位置（即油門位置）。四、調速器對速度特性的影響由于柴油機的扭矩曲線過于平坦，這對于保持柴油機穩定工作是極其不利的。為此，在柴油機上必須安裝調速器，其目的主要是：⒈防止超速。⒉保持怠速穩定。汽油機由于它的扭矩特性隨轉速的變化較陡，特別是在部分速度特性時更為顯著，因此，在高速時超速的可能性很小，即使短時間少量超速，其所產生的危害性也遠不如柴油機那么嚴重，低速時由于其扭矩曲線隨轉速下降而上升，能自動進行調節，而不會導致熄火，轉速基本保持穩定。由此可見，汽油機不一定必須安裝調速器。第三節內燃機負荷特性內燃機負荷是指內燃機在某一轉速下運轉，所輸出的功率（或扭矩）與該轉速下所能輸出的最大功率（或扭矩）的比值（％）。通常用一定轉速下的Pe/Pmax（％）或Me/Mmax（％）來表示內燃機負荷的大小。負荷特性是指內燃機的性能指標，隨某一轉速下的負荷而變化的規律。表示負荷特性的曲線稱為負荷特性曲線。第三節內燃機負荷特性研究負荷特性的目的是為了了解內燃機在各種負荷下工作的經濟性。負荷特性也是在試驗臺架上測取的。測量時，先將內燃機的供油（點火）提前角、冷卻水溫度、潤滑油溫度等調整到最佳值。然后將內燃機固定在某一轉速下，改變循環供油量（節氣門開度）的同時調整測功器的負荷，使轉速不變，這樣每調整一次可測取一個工況點的參數，把每個工況對應的參數畫到以負荷為橫軸的坐標上，然后把多個同類參數點連成線，就得到內燃機的負荷特性曲線。一、柴油機的負荷特性當柴油機保持某一轉速（通常為標定轉速）不變，而改變循環供油量時，其每小時燃料消耗量ＧT、燃料消耗率ｇe等性能指標隨負荷變化的關系即為柴油機的負荷特性。柴油機是依靠改變循環供油量來適應外界負荷的變化，這樣的調節方法稱為“質調節”。⒈ＧT曲線的變化規律當轉速n一定時，負荷增加則每循環供油量ｇｂ也增加，每小時燃料消耗量ＧT隨負荷的增大成正比地增加，但由于氣缸內空氣量基本不變，過量空氣系數α將隨負荷的增加而減小，當每循環供油量ｇｂ過多時，將使燃燒過程惡化，ＧT雖然增加但功率增加很慢，甚至減小。⒉ｇe曲線的變化規律當發動機怠速運轉時，負荷為零，輸出的有效功率等于零，即ηm=0，所以ｇe無限大。而隨著負荷的增加，機械效率ηm也相應增加，ｇe迅速減小。當負荷到達圖中ｇe曲線Ａ點時，過量空氣系數減小，熱效率略有下降，但機械效率仍有明顯增加，所以這時的ｇe最低。隨著負荷的進一步增加供油量進一步增加，燃燒不完全，后燃期延長，熱效率急劇下降，引起ｇe上升。超過１點后排氣中會出現黑煙，因此１點稱為“冒煙界限”。供油量增至２點時，功率達到最大值。供油量在此點以后繼續增加，因燃燒條件極度惡化，功率反而下降。二、汽油機的負荷特性汽油機在一定轉速下工作，并且點火提前角和化油器調整完好時逐步改變節氣門開度，每小時耗油量ＧT和耗油率ｇe隨負荷變化的關系稱為汽油機的負荷特性。由于汽油機的負荷調節，是靠改變節氣門開度，直接改變進入氣缸的混合氣量，故稱為“量調節”。⒈ＧT曲線的變化規律當汽油機轉速一定時，每小時燃料消耗量ＧT主要由決定于節氣門開度和混合氣成分。節氣門開度由小逐漸加大時，進入氣缸的混合氣量逐漸加多，ＧT也隨之增加。當節氣門開度增加全開度的７０％～８０％以后，化油器的加濃裝置開始起作用，使混合氣變濃，因而ＧT增加得更快。⒉ｇe曲線的變化規律當發動機怠速運轉時，輸出的有效功率為０，即機械效率ηm＝０，油耗率ｇe可以認為是無限大。隨著負荷增加，因此使ｇe逐漸減小，當負荷增加到６０％～７０％時，ｇe達到最低值。當節氣門接近全開時，為了發出最大功率，加濃裝置起作用，供給α＜1的濃混合氣，因燃燒不完全，ｇe又復增加。第三節內燃機負荷特性負荷特性主要是評價發動機工作的經濟性。在同一轉速下，最低油耗率ｇemin值越小，經濟性越好。ｇe曲線的變化越平坦，表示在負荷變化較廣的范圍內，能保持較好的燃料經濟生。選用內燃機時，在滿足動力性要求的前提下，常用負荷應接近經濟負荷（60％～70％），不宜裝用功率過大的內燃機，以求提高功率利用率。第四節萬有特性萬有特性是表示內燃機運行時性能變化的多參數特性。應用最廣的萬有特性是以轉速為橫座標，平均有效壓力為縱坐標，在圖畫出等燃料消耗曲線、等功率曲線等組成的曲線族。第四節萬有特性最內層的等ｇe曲線相當于最經濟區域，曲線越向外，經濟性越差。車用內燃機的最經濟區最好在萬有特性的中間位置，使常用轉速和負荷落在最經濟區域內，并希望等油耗ｇe曲線在橫向較長。第四節萬有特性一般在萬有特性曲線圖中有以下一些特征點:點A，是帶調速器的柴油機最高轉速點。這時調速手柄位置最大，外界負荷為零，通常稱為最高空轉速點。點B，是內燃機的標定功率點。點C，是最大功率Ne或最大扭矩Me特征點。由此可以獲得對汽車拖拉機工程機械內燃機十分重要的扭矩儲備系數μ。第四節萬有特性一般在萬有特性曲線圖中有以下一些特征點:點D，是標定功率速度特性（外特性）上的最低穩定點，從這點開始，內燃機幾乎不能承受外界負荷的微小變動，只要變動一點負荷，轉速將發生嚴重波動，使內燃機很容易熄火。此外，還有最低空轉點，即內燃機的怠速點。第五節內燃機的功率標定及大氣修正一、功率標定按照我國標準GB1105-87《發動機臺架性能試驗方法》規定，我國發動機的功率可以分為四級，分別為：1、15min功率

15min功率為發動機允許連續運轉15min的最大功率，適用于需要較大功率儲備或瞬時需要發出最大功率的轎車、中小型載貨汽車、軍用車輛和快艇等用途的發動機。第五節內燃機的功率標定及大氣修正2、1h功率

1h功率為發動機允許連續運轉1h的最大功率，適用于需要一定功率儲備以克服突增負荷的工程機械、船舶主機、大型載貨汽車和機車等用途的發動機。3、12h功率

12h功率為