发动机特性

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。

 

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。

 

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。

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。

 

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。

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。

点火提前角调整特性曲线形式与柴油机类似（图11-3），可将θ视为点火提前角。可见，随着点火提前角的改变，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点火提前角即为最佳点火提前角。

 

2.3  汽油机的燃料调节特性

是指在发动机转速一定， 节气门开度一定条件下，其功率、燃料消耗率等性能指标随混合气浓度而变化的关系。

图11-4为汽油机燃料调节特性曲线。由图可见，随着混合气浓度的改变，发动机的功率与燃料消耗率也随着变化。对应于过量空气系数约1.15处，燃料消耗率最低，称此时的混合气为经济混合气；而对应于约0.93处，发动机平均有效压力最大，动力性能最高，称此时的混合气为功率混合气。汽油机应根据工况变化，自动调整其混合气浓度在最佳值工作。化油器式发动机靠化油器进行粗略调节，现代汽车发动机则靠电控燃油喷射系统精确调节控制。

3  发动机性能特性

与汽车发动机有关的性能特性主要有发动机负荷特性、速度特性、万有特性和调速特性四种。

 

3.1  发动机的负荷特性

是指在转速一定时，发动机的性能参数（燃油消耗率、排气温度等）随负荷（功率、平均有效压力等）的改变而变化的关系。相应的曲线称为负荷特性曲线。它主要被用来评价发动机在转速一定下，以不同的负荷运转的经济性，如汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶。

发动机负荷特性曲线如图11-5所示。

由图可见，随着负荷的增加，燃料消耗率开始时急剧下降，到A点油耗最低。标定转速下的该油耗值被称为该发动机的最低燃油消耗率。但此时并非发动机的最大功率点。

A点后，随着负荷的增加，发动机功率增大，燃料消耗率又回升。负荷增加到一定值，发动机排气冒烟超标，称为冒烟界限，发动机工作不允许超出冒烟界限。其适宜的工作区域应该在最低油耗点A附近。有的货车超载运行，将导致燃油消耗急剧上升，发动机过热，寿命下降，排气冒烟严重，污染大气。还会导致动距离加长，容易出现交通事故，这是不可取的。

为了兼顾发动机的动力与经济性能，标定功率点一般定在冒烟界限以内与最低燃油消耗点之间，可从座标原点引负荷特性燃油消耗率曲线的切线，交点E即作为发动机的标定工况点。

实际发动机工作中，往往由于负荷不足（如汽车载货量少等），而处于部分负荷下工作，导致燃料消耗率上升。有经验的驾驶员，就会采取加速滑行法、汽车挂高挡或带拖车等方法使发动机负荷增加，从而达到节油的目的。

 

3.2  发动机的速度特性

速度特性是指当燃料供给调节机构（汽油机的节气门或柴油机喷油泵的油量控制拉杆）位置不变时，发动机性能指标（转矩、功率、燃油消耗率等）随转速的改变而变化的关系。对应的曲线称为速度特性曲线。

当燃料供给调节机构固定在全负荷位置（汽油机节气门全开位置或柴油机的油量控制拉杆在额定供油量位置）时，所测得的速度特性称外特性或全负荷速度特性。当燃料供给调节机构固定在全负荷以内各位置时，所测得的速度特性就称为部分负荷速度特性。

汽车的节气门不变，上坡或下坡时，由于外界负荷的变化，车速将产生相应变化就是属于速度特性工况。

图11-6为YC6108ZQ柴油机外特性曲线。从外特性曲线可以看出该发动机所能达到的最大功率、最大转矩、最低燃料消耗率及其对应的转速，还可以看出在任一转速下所对应的功率和转矩，若要发挥最大转矩，则应该适当降低发动机转速。在图上还可以看出排气温度及烟度随转速、功率、转矩变化而变化的关系。

从外特性曲线还可以计算出发动机的转矩储备系数φtq、转速储备系数φn和适应性系数φntq

式中

Temax——外特性曲线上最大转矩（N·m）；

Teb——标定工况转矩（N·m）；

n1——标定转速（r/min）；

n2——最大转矩时转速（r/min）。

φtq、φn和φntq表征了发动机的短期超载能力。当汽车爬坡，如不换挡，发动机转速就会下降，从外特性曲线上看，发动机转矩会增加，以克服外界阻力。φtq、φn和φntq越大，不换挡克服外界阻力的能力就越强。

汽油机φtq、φn和φntq值较大，分别可达1.2～1.4、1.5～3.8和1.8～5.3；而柴油机（非增压）外特性的转矩曲线较为平坦，φtq、φn和φntq值较小，只有1.05、1.5～2.0和1.6～2.1，不能适应实际工作需要，所以柴油机都安装有调速器来进行校正。

发动机的部分负荷速度特性曲线随着汽油机的节气门开度或柴油机的油量控制拉杆位置的减小，功率和转矩曲线几乎从外特性平行下移。 对汽油机，负荷越小，节气门开度越小，进气阻力越大，充气效率下降，使其功率、转矩下降越快，所以部分负荷速度特性曲线也变得越陡（图11-7）。

 

3.3  发动机的万有特性

负荷特性只能分析某一转速下发动机各性能参数随负荷的变化，而速度特性只能分析在某一油量调节机构位置下的内燃机各性能参数随转速的变化。实际上内燃机的转速、负荷均在很大范围内变化，要分析各工况下发动机的性能就需要许多张图形，很不方便，亦不清晰。能在一张图上表示发动机各性能参数与转速、负荷之间的相互关系就称为万有特性，也称为多参数特性，相应的曲线称为万有特性曲线。

万有特性曲线可以利用发动机各种转速下的负荷特性曲线来转换作图。图11-8为YC6108ZQ四气门柴油机万有特性曲线。图中虚线为等功率曲线，位于上层的等功率曲线的功率大。实线为等油耗线，最内层的等油耗曲线耗油率最低，为最经济区，越往外层，经济性越差；若等油耗线呈横向拉长，说明发动机在转速变化较大情况下工作，燃料消耗率变化小，较经济；若等油耗线呈纵向拉长，说明发动机在负荷变化较大情况下工作，燃料消耗率变化小，较经济。不同用途的发动机对万有特性曲线有不同的要求。

从图中可以清楚看到发动机在各种不同转速和负荷下的动力性和经济性，发动机要想获得最低燃料消耗，可以通过改变发动机的转速来调节。

 

3.4  调速特性

调速特性是指柴油机喷油泵调速手柄位置一定时，柴油机性能参数（转矩、功率、转速、燃油消耗率等）随负荷而变化的关系。对应的曲线称为调速特性曲线。它被用来评价柴油机带调速器以后的实际工作性能指标，还可以用来评价调速器的工作性能。

图11-9所示为横坐标是功率的调速特性曲线。根据分析需要，调速特性曲线也可以采用转速和转矩为横坐标。

曲线分析可以看到，从标定转速（曲线拐弯点）到最高空转转速这一段的曲线，发动机负荷变化很大，但转速变化很小，这是因为柴油机喷油泵调速器起调速作用的结果，随着负荷增大，自动增加供油量，以维持转速基本稳定，所以该段是调速器的调速区段。也有称特殊的负荷特性段，因为它很类似于发动机的负荷特性，只是发动机转速略有变化。可以从这一段曲线进行经济性分析及调速器工作性能（如稳定调速率等）分析。

从标定工况到最大转矩点的曲线，随着外界负荷增加，喷油泵调速器依靠校正功能而变动供油拉杆，少量增加供油量，以满足发动机短时间超负荷的需要。所以该段是调速器的校正区段。也有称特殊的速度特性段，因为它很类似于发动机的速度特性，只是喷油泵供油拉杆略有移动。

当发动机转矩达到最大，如再增加外界负荷，发动机转速便急剧下降，喷油泵供油拉杆已经无法再移动增加供油量，所以发动机按速度特性曲线规律变化。随负荷的增加发动机转速急剧下降，功率、转矩下降，耗油率增大。

从调速特性曲线上可以方便地找到标定工况和任一工况下的转速、功率、转矩、燃油消耗率等各种动力、经济性能指标之间的相互关系。用以比较不同柴油机的性能优劣，指导人们正确地使用和维修柴油机。还可以计算柴油机的扭矩储备，以判定发动机的短时超负荷能力；计算出稳定调速率，以判断调速器的工作性能。

4  发动机性能指标的校正

4.1  性能指标校正的必要性

由于大气状态的不同，同一台发动机，在不同地区测得的性能指标就会产生差异。如天津测得某发动机功率为68kW，油耗为321g/kW.h。而到拉萨测得的功率变为42kW，下降了38％；油耗为429g/kW.h ，上升了34％。

大气状态（大气压力、温度、相对湿度）变化，导致发动机工质产生变化。当大气压力下降、温度升高或相对湿度增大，会导致空气密度变小，使实际进入气缸的氧气量减少，从而使发动机功率下降，油耗升高。

试验表明，在海拔150m以上地区，每升高300m，发动机（非增压）功率下降3.5%；当进气温度在29.4℃以上，每增5.5℃，功率下降2%。

4.2  校正方法

根据GB/T 17692-1999规定，车用发动机净功率采用以下公式修正

P0=α×P

式中  P0——-校正功率（即标准大气状态下的功率）；

α——-校正系数（汽油机用αa，柴油机用αd）；

P——-实测功率（试验功率）。

标准大气状态是指大气温度25℃、大气压100kPa、相对湿度60％。

对于汽油机，可用下式求得校正系数αa