第八章发动机的特性

第八章发动机的特性第一页，共一百三十九页，2022年，8月28日

本章重点：一、运行特性；二、性能、结构参数的调节与控制。寻求的是汽车与发动机匹配。需要解决的是动力机械与配套工作机械之间的合理匹配，汽车与发动机特性的全工况合理匹配以及发动机本身各种性能参数的调控与优化问题。汽车行驶时，由于行驶速度与道路阻力不断变化，则发动机的转速和负荷亦相应变化，以适应汽车的需要。随着转速和负荷的改变，发动机工作过程也会发生变化。因此，发动机在不同使用条件下具有不同的动力性与经济性。第二页，共一百三十九页，2022年，8月28日

汽车发动机的运行特点是变工况、多工况，所以发动机实际使用性能取决于多种工况性能指标的加权平均。因此，各种性能指标随转速及负荷的变化规律以及不同工况下各种性能、参数的实时调控，对汽车和发动机的合理配置及性能优化都具有重要的意义。

机、车匹配不仅要对动力和传动系统提出合理选型和配套要求，还涉及特性曲线在不能满足要求时如何进行调节和校正的问题。

发动机相当多的特性参数并非对所有工况都是最优的，希望能实时、有效地对更多参数进行调控，以达到全工况范围内性能综合优化的目的。第三页，共一百三十九页，2022年，8月28日

汽车发动机是动力机械，性能指标多，结构、调整、状态和运行参数影响性能指标，要用辩证思维的方式去研究分析和取舍。第四页，共一百三十九页，2022年，8月28日

第一节发动机的特性概述第二节发动机的负荷特性第三节发动机的速度特性第四节发动机的转矩适应性第五节车用柴油机的调速特性第六节发动机的万有特性特性曲线分析第五页，共一百三十九页，2022年，8月28日

第一节发动机的特性概述一、发动机的工况

发动机实际运行的工作状况，简称工况。

发动机的工况常用发动机转速和负荷表示，即内燃机的工况是指在某一转速和负荷状态下的工作状态。转速表示发动机的工作频率；负荷（有效功率）表示发动机对外作功的能力，有效功率Pe和转速n决定了发动机的工作运行情况。第六页，共一百三十九页，2022年，8月28日式中，Pe为有效功率，Ttq为转矩，

pme

平均有效压力，n为工作转速。动力性指标存在以下关系：上述参数中只有2个独立变量，即(n,Pe)、（n,Ttq）或（n,pme）决定发动机的一个工况点。因此负荷也可用输出转矩Ttq或平均有效压力pme来表示。第七页，共一百三十九页，2022年，8月28日发动机功率（输出转矩或平均有效压力）、转速应该与发动机所带动的工作机械要求的功率、转速相适应。

只有当发动机发出的扭矩与工作机械消耗的扭矩相等时，两者才能在一定转速下按一定功率稳定工作。

第八页，共一百三十九页，2022年，8月28日

可以看到输出功率相同，不等于工况相同，其燃烧放热过程不同，发动机的经济性和排放特性也就不一样。

当所带动的工作机械的阻力矩、转速变化时，发动机的工况就会发生变化。

所以需要了解发动机的工况面。

发动机运行工况分为稳定和动态工况。

以负荷和转速为坐标的平面叫发动机的工况平面。

发动机工况是在最低稳定转速、最高转速以及在各工作转速下所能输出的最大功率（转矩）所能包围的范围内。第九页，共一百三十九页，2022年，8月28日第十页，共一百三十九页，2022年，8月28日a各转速时最大功率（转矩）限制线；b各负荷条件下的最高转速限制线。都对应最大加速踏板位置工况：汽油机节气门全开，速度外特性线；柴油机a—校正外特性线，b—调速特性线c最低稳定工作转速限制线；d各加速踏板位置下的空转怠速线；e—表示机械损失功率，对应工况—不正常工作范围，灭火外力倒拖，或不给油挂档下坡（稳定速度）。第十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日◆

恒速工况，发电用发动机，保证发电机工作频率稳定，功率随发电机负荷（用电量）的大小而变化（有时也称为线工况）。其特例就是点工况，发动机只在某一固定工况下工作，如抽排水发动机除起动和过渡工况外，负荷不变化。◆线工况：发动机只在工况面上某已确定的线段上工作，如发电机组、船舶发动机（与转速成三次方关系）。第十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日◆面工况：转速和负荷工作范围宽（各种陆上运输车辆）。车用发动机不能只研究特定点的性能指标，需要对不同工况下性能指标的变化进行研究。典型工况A、B、C、D，有时还加上速度外特性线上和全工况面的最低燃油消耗点，近似反映全工况面的情况，由制造商标明。第十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日二、发动机特性

发动机特性指在一定条件下，发动机性能指标与特性参数随参数调整情况或运转工况变化等各种可变因素的变化规律。其中的运行特性，即主要的性能指标随工况参数—转速和负荷的变化规律最为重要。性能指标随调整情况变化的特性称为调整特性，如点火提前角调整特性、供油提前角调整特性等；性能指标随运行工况变化的特性称为性能特性，如负荷特性、速度特性和调速特性等。第十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日

由发动机运行特性转化而得的汽车的运行特性，如驱动力特性、燃油经济性、运转稳定性、安全性等等，都有一个能否全面满足汽车使用要求的问题（全工况的合理匹配）。

用来表示特性的曲线称为特性曲线，它是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。通过特性曲线可以分析在不同适用工况下，发动机特性变化的规律及影响因素,评价发动机性能，从而提出改善发动机性能的途径．第十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日研究发动机特性的必要性

为了评价内燃机在不同工况下运行的动力性指标(如功率、转矩、平均有效压力等)、经济性指标(燃油消耗率)、排放指标以及反映工作过程进行的完善程度指标(如指示热效率、充量系数以及机械效率)等，就必须研究内燃机的特性。第十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日三、发动机的功率标定内燃机的功率标定，是指制造企业根据内燃机的用途、寿命、可靠性、维修与使用条件等要求，人为地规定该产品在标准大气条件下所输出的有效功率以及所对应的转速，即标定功率与标定转速。第十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日世界各国对标定方法的规定有所不同。按照国家标准GBll05——87《内燃机台架性能试验方法》规定，我国内燃机的功率可以分为四级：

发动机铭牌上规定的最大输出功率Pemax及其对应转速nn所确定的工况为标定工况，标定工况不是发动机所能达到的极限功率，是人为规定的一个限制使用的最大功率点。第十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日(1)15min功率

这一功率为内燃机允许连续运转15min的最大有效功率，适用于需要较大功率储备或瞬时需要发出最大功率的轿车、中小型载货汽车、军用车辆、快艇等用途的内燃机。

第十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日(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、船舶主机、大型载货汽车和机车等用途的内燃机。第二十页，共一百三十九页，2022年，8月28日(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拖拉机、移动式发电机组、铁道牵引等用途的内燃机。第二十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日(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、排灌、电站、船舶等用途的内燃机。

第二十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日根据内燃机产品的使用特点，在内燃机的铭牌上一般应标明上述四种功率的一或两种功率及其对应的转速。同时，内燃机的最大供油量限定在标定功率的位置上。对于同一种发动机，用于不同场合时，可以有不同的标定功率值，其中，15min功率最高，持续功率最低。车用—常用15分钟,1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。第二十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日除持续功率外，其他几种功率均具有间歇性工作的特点，故常被称为间歇功率。对间歇功率而言，内燃机在实际按标定功率运转时，超出上述限定的时间并不意味着内燃机将被损坏，但无疑将使内燃机的寿命与可靠性受到影响。第二十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日四、发动机特性及分析方法

发动机特性从工作特点分为稳态和动态特性，从可变因素的特点分为调整和运行特性。1、调整特性—发动机在转速和油量调节位置不变条件下，各种性能指标随调整参数（如点火/喷油提前角、Φa、残余废气系数等）而变化的规律，目的是对性能进行综合优化；第二十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日2、工况运行特性—一定条件下发动机性能指标随工况参数变化的规律。稳定运行条件下动力、经济性能的基本运行特性：速度不变，性能指标随负荷变化的负荷特性；油量调节部位不变，性能指标随转速变化的速度特性；速度、负荷都变化的全特性（万有特性）。第二十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日运行特性的分析方法

发动机输出的有效指标通常用平均有效压力pme、有效扭矩Ttq、有效功率Pe、有效燃油消耗率be、每小时耗油量B表示。这些指标与发动机工作过程参数的关系：第二十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽油机

有效功率燃油消耗率有效输出转矩小时耗油量第二十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日柴油机

有效功率燃油消耗率有效输出转矩小时耗油量第二十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日式中gb（我们书中用）--为柴油机单缸循环油量，可直接测量，gb∝Φc/Φa注意有关系：

首先分析ηit、ηm、Φa、Φc或gb各值随转速/负荷的变化，然后叠加合成找出Pe、Ttq、be、bi（B）随转速/负荷的变化规律。有的书上不分析bi，而直接分析be。用bi是为了分析的条理性更加清晰和简单。第三十页，共一百三十九页，2022年，8月28日

动力性（Pe、Ttq、pme）是从换气过程（Φc）、燃烧过程（ηit）、内部动力传递损失（ηm）和混合气含量（Φa）随工况变化的特性角度进行分析；而经济性（be）是只从燃烧过程（ηit）和内部动力传递损失（ηm）两方面进行分析。

汽油机负荷可以用节气门开度来表示大小，柴油机负荷可以用空燃比来表示大小。第三十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日动态特性

动态过程复杂，且与时间有关，理论分析难度大，一般是在底盘测功机或发动机动态实验台上，模拟实际条件进行测试分析，或者进行动态过程的模拟计算。对稳态过程的深入理解是动态过程分析的基础。第三十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日

负荷特性：当发动机保持转速不变时，稳态性能指标随负荷而变化的规律为发动机的负荷特性。一般用来分析发动机的燃油经济性，还可用来分析发动机所能达到的极限动力性能（不受标定功率的限制）。

负荷特性线比速度特性线更易于测定，所以发动机的性能研究，多采用负荷特性线来进行。

第二节发动机的负荷特性第三十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日

如：当汽车以一定的速度沿阻力变化的道路行驶时，就是这种情况。此时必须改变发动机油门来调整有效扭矩，以适应外界阻力矩的变化，以保持发动机转速不变。第三十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日用曲线的形式表示负荷特性---负荷特性曲线测取：发动机台架试验调整测功器负荷的大小，并相应调整油量调节机构位置，以保持发动机的转速不变，待工况稳定后，依次记录不同负荷下的有关数据，并整理得到性能曲线。第三十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日

一、柴油机的负荷特性

在转速保持不变，调整到最佳供油提前角，水温、油温、油压保持合理状态的情况下测定。即发动机在正常工作条件下，转速不变时，发动机的性能指标随负荷变化的特性。

柴油机负荷调节方法称为“质调节”。第三十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日第三十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日ηit

总体呈随负荷增加而降低的趋势，与汽油机相反。负荷减小，喷油量减小，一是喷油和燃烧时间缩短，导致等容度有所上升，二是混合气体变稀，两者使得燃烧效率上升。负荷过小，缸内温度太低，燃烧恶化；负荷过大，混合气过浓，混合与燃烧不完善，因此，两端出现下降趋势。ηｍ

从零增加，到中负荷后，渐趋平坦。gb

随负荷线性增加，到达Pemax时，燃烧恶化导致加速上升。第三十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日bi

与ηit

呈倒数关系。be

在bi的基础上叠加ηm的影响。怠速时为无穷大，然后急剧下降。由于ηit

与ηｍ

趋势相反，所以相当范围内，较平坦。过标定点（Pen）后，继续加大油量，随着燃烧恶化，be上升到Pes（法规排烟极限-冒烟界限），进一步恶化后，be上升到达柴油机的极限功率值，对应Pemax，再以后，Pe下降。B

大部分区段近似线性规律。第三十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日

当负荷为零(空载)时，因无动力输出，平均有效压力pme为零，故机械效率ηm为零，意味着内燃机所发出的功率完全用于自身消耗，这样燃油消耗率be为无穷大。当负荷逐渐增大时，由于平均机械损失压力pmm在转速不变时变化不大，而平均有效压力pme则随负荷提高而增大，因此机械效率随负荷的增大而上升得较快。因此，燃油消耗率be曲线在负荷增加时下降得很快。并且，到达某一负荷时，be达到最低值。

有效燃油消耗率be曲线第四十页，共一百三十九页，2022年，8月28日

随着负荷的进一步增加，过量空气系数Φa变得更小，混合气形成与燃烧开始恶化，指示热效率ηit开始明显下降，其下降速度逐渐超过机械效率上升的速度，燃油消耗率开始上升。如果继续增加负荷，则空气相对不足，燃料无法完全燃烧，从而使燃油消耗率上升很快，且柴油机大量冒黑烟，导致活塞、燃烧室积碳，发动机过热，可靠性以及寿命受到影响。如超过该极限再进一步增大负荷，柴油机大量冒黑烟，功率反而下降。

第四十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日耗油量B曲线

转速一定时，柴油机的每小时耗油量B主要决定于△b。随负荷增加，每循环供油量△b增加，B随之增加。当负荷接近冒烟界限后，由于燃烧恶化，B上升得更快一些。第四十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日二、汽油机的负荷特性

在转速保持不变，调整到最佳点火提前角，理想的过量空气系数，水温、油温、油压保持在合理范围之内的情况下测定。即发动机在正常工作条件下，转速不变时，发动机的性能指标随负荷变化的特性。第四十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日第四十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日ηit

总体规律与柴油机相反。负荷低时，节气门开度小，缸内循环进气量小，残余废气系数Φr大，燃烧速度较小，加之Φa相对过浓，燃烧不完全，以及温度下降使燃料气化条件恶化，单位工质传热量增加，ηit下降；节气门开度大于85%后，Φa逐渐加浓，燃烧不完全，ηit也下降。ηm

与柴油机规律一致。Φc

规律与ηm相似，当负荷加大温度上升后，斜率略有下降。第四十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日Φa

大负荷为0.85～0.90，中负荷为1.05～1.10，怠速为0.9～0.6；现代汽车（电控汽油喷射带氧传感器和三效催化转化器）大部分负荷维持在Φa=1.0的范围。bi

与ηit成倒数关系。be

在bi的基础上叠加ηm的影响。怠速时为无穷大，然后急剧下降，在80%～85%达到最低值，再因加浓而上升。B

为凹升曲线。第四十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日与柴油机不同的是，在测取汽油机的负荷特性时，油量是通过改变节气门的开度来调整的，这样相应地改变了进入气缸的混合气数量，而混合气的浓度变化不大，故称为“量调节”。第四十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日

有效燃油消耗率be随负荷的变化取决于ηit和ηm的变化⑴指示热效率:随负荷的增加而先缓慢增加，然后略有下降。⑵机械效率：随负荷的增加而增加。当发动机空转时，机械效率ηm为零，这样燃油消耗率be为无穷大。随节气门开度的增加，指示热效率和机械效率均上升，故燃油消耗率急剧下降，在大负荷需要浓混合气，不完全燃烧加剧，指示热效率下降，燃油消耗率上升。有效燃油消耗率be曲线第四十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日燃油消耗量B曲线

转速一定时，汽油机燃油消耗量B曲线的变化主要决定于节气门开度（决定充量系数）和混合气成分（过量空气系数）。随负荷增加，节气门开度的增加，汽油机充量系数增大，进入气缸的混合气量增多；过量空气系数先缓慢上升（混合气变稀），然后缓慢下降（混合气变浓），但总体变化不是很大。所以，B一直上升；全负荷时，混合气浓度变大，由于燃烧恶化，B上升得更快。第四十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日三、柴油机与汽油机负荷特性的区别1)汽油机的燃油消耗率普遍较高，且在从空负荷向中、小负荷段过渡时，燃油消耗率下降缓慢，仍维持在较高水平，燃油经济性明显较差。2)汽油机排温普遍较高，且与负荷关系较小。3)汽油机的燃油消耗量曲线弯曲度较大，而柴油机的燃油消耗量曲线在中、小负荷段的线性较好。第五十页，共一百三十九页，2022年，8月28日特性差别的解释因为两种类型发动机的机械效率变化情况基本类似，造成汽油机与柴油机燃油消耗率差异的主要原因就在于指示热效率的差异。由于柴油机的压缩比比汽油机高出较多，其过量空气系数也要比汽油机大，燃烧大部分是在空气过量的情况下进行的，所以柴油机的指示热效率要比汽油机要高。这样，从数值上看，汽油机的燃油消耗率数值高于柴油机。第五十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日从指示热效率曲线的变化趋势上来看，两者也有比较明显的差异。在转速不变的前提下，柴油机进人气缸的空气量基本上不随负荷大小而变化，而每循环供油量则随负荷的增大而增大，这样过量空气系数就随负荷的增大而减小，因此，指示热效率也就随负荷的增大而降低；第五十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽油机采用定质变量的负荷调节方法，在接近满负荷时采取加浓混合气导致指示热效率明显下降，而在低负荷时，由于节气门开度小，残余废气系数较大，燃烧速率降低，需采用浓混合气，加之当负荷减小时泵气损失增大，导致指示热效率下降。这样,汽油机的燃油消耗率在中、小负荷区远高于柴油机（图7-5中）。第五十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽油机的be高于柴油机。be的下降幅度缓慢高负荷时较平。Tr普遍较高。汽油机负荷特性与柴油机比较所具有的特点第五十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽油机压缩比小，热效率低，be普遍比柴油机的高。汽油机在负荷减小时，由于节气门的节流作用，造成较大的泵气损失，使be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增多，为保证燃烧稳定，需加浓混合气，使be上升。当汽油机接近全负荷时，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CO，燃烧效率下降，be上升。汽油机负荷特性与柴油机比较的原因第五十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日排气温度曲线的差异也可以用上述原因来解释。汽油机的压缩比比柴油机低，相应的膨胀比也低，排温就要比柴油机高出许多。在负荷变化时，尽管由于混合气总量的增加引起加入气缸总热量的增加，使排温随负荷的提高而上升，但由于在大部分区域内过量空气系数保持不变，故排温上升幅度不大。在柴油机中，随着负荷的提高，过量空气系数随之降低，排温显著上升。第五十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽/柴油机负荷特性曲线对比的主要经济性能结论

（1）汽油机有效燃油消耗率be比同负荷的柴油机高。且在大部分区域柴油机变化平坦。（2）汽油机排气温度普遍较高，且与负荷关系不大。（3）汽油机与柴油机在中、低负荷处be的差值明显比最低油耗点和标定功率处大。综合使用油耗的差值可达25%～45%。结论：柴油机的燃油经济性优于汽油机，柴油机更有前途；汽、柴油机保持在80%-90%负荷处工作最经济（特别是汽油机）。第五十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日提高汽车燃油经济性的措施：

技术领域：提高发动机的燃油经济性，降低整车运行阻力和完善发动机和汽车传动系统的匹配。此外,油耗还与政府法规、道路交通状况、营运管理和维修驾驶等因素有关。第五十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日

速度特性：若汽油机保持节气门开度不变或柴油机保持油量调节杆位置不变，而各工况又在最佳调节状态时，发动机的特性指标或特性参数随转速的变化规律称为发动机的速度特性。

第三节发动机的速度特性当汽车沿阻力变化的道路行驶时，若驾驶员将油门踏板位置保持一定，由于道路阻力不同，汽车行驶速度也会改变，上坡时汽车速度逐渐降低，下坡时速度增加，这时发动机即沿速度特性工作。第五十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日测试方法

速度特性也是在发动机试验台架上测出的。测量时，将油量调节机构位置固定不动，调整测功器的负荷，发动机的转速相应发生改变，然后记录有关数据并整理绘制出曲线，一般是以发动机转速作为横坐标。第六十页，共一百三十九页，2022年，8月28日

每一个油量调节位置对应一条速度特性曲线，标定工况位置所决定的为全负荷速度特性曲线，又叫外特性线（只有一条）（柴油机的油门固定在标定位置，或汽油机的节气门全开时的速度特性）；其余的为部分负荷速度特性线，又称部分特性线（无数条）。

发动机的外特性线表示发动机各转速对应的最大功率和最大转矩，决定了汽车的最大动力性能，是发动机对整车动力性能最主要的影响因素。第六十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日车用—常用15分钟,1小时或12小时功率中的两种作为铭牌功率。作为特性实验时,应把两种标定功率的外特性全做出来。国家规定：一般柴油机只作外特性就可以了。车用柴油机,除作外特性外,还应作标定功率的90%,75%,50%,25%的部分速度特性实验。鉴于外特性是十分重要的，所有发动机出厂时都必须提供。第六十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日

由于标定工况是人为确定的，所以外特性线可以改变（不同配套对象、不同标定工况）和修正（不能满足需要时）。第六十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日

一、柴油机的速度特性

在油量调节杆保持位置不变，调整到最佳点火提前角，水温、油温、油压保持正常稳定的情况下测定。即发动机在正常工作条件下，负荷一定时（油量调节杆保持位置不变），发动机的性能指标随转速变化的特性。第六十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-67-7第六十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日gb

在油量调节杆位置不变时,由于进、回油孔节流和燃油漏泄的影响，它随转速上升而增加，小负荷时上升斜率更大；高速时（节流作用加强）曲线转平或略降。ηit呈总体较平坦的上凸曲线：低速时燃油喷射压力小，不利于混和气的形成与燃烧，传热损失大，ηit下降；高速时喷油和燃烧持续角大，Φc下降，gb增加，致使Φa下降，不完全燃烧增加，ηit也下降。ηm

机械损失、附件消耗、泵气损失随速度增加，所以机械效率随转速的提高而降低。第六十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日Ttq

低速上升，负荷越小斜率越大，高速时下降，负荷越大斜率越大。Pe

随转速增加而增加，但最大转速时有问题。bi

与ηit成反比。be和bi图形相似，但由于ηm的影响，上翘度更大。第六十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-7有效输出转矩的变化规律是，转速由低向高变化时，开始略有上升；当超过最高点时，随转速的提高，有效输出转矩下降，但曲线变化平坦。1.有效转矩曲线第六十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日2．燃油消耗率曲线

燃油消耗率be曲线在整个速度特性的变化范围内比较平坦，两端略有上翘。3.有效功率曲线第六十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日二、汽油机的速度特性

在节气门保持开度不变，调整到最佳点火提前角，理想的过量空气系数，水温、油温、油压保持正常稳定的情况下测定。即发动机在正常工作条件下，负荷一定时（节气门开度不变），发动机的性能指标随转速变化的特性。

外特性（全负荷的速度特性）

—节气门全开时的速度特性。部分负荷速度特性—节气门部分打开时的速度特性。第七十页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-8第七十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日ηit

比柴油机弯曲度更大的上凸曲线：在低转速时，缸内气流减弱，火焰传播速度降低同时漏气及散热损失增加，故ηit下降；在高转速时，燃烧所占曲轴转角增大，等容度变小，还可能出现燃烧不完全，故ηit也下降。ηm

机械损失、附件消耗、泵气损失随速度增加。在低负荷时，曲线下降更加陡峭。另外总体比柴油机陡峭。φc速度增加,换气时间缩短,气体惯性使换气不充分。也是在低负荷时，曲线下降更加陡峭。φa

变化不大，随速度略有增加，现代汽车（电控汽油喷射带氧传感器和三效催化转）在相当大的负荷变化范围内均保持在φa=1.0。第七十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-9第七十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日Ttq主要受φc和ηm的影响，在某一较低速时取得最大值，然后随转速增加而急剧下降，部分特性线下降更剧烈。ηit仅在高、低速时使Ttq值略降低。Pe先随n增加而加大，当Ttq下降大于n的增加时，Pe转而下降，速度外特性线上的Pemax一般就是标定功率点。bi与ηit成反比。be在bi的基础上加上ηm因素，随转速上升而上翘，节气门开度越小，上翘越厉害。第七十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日1、转矩的速度特性外特性曲线Ttq随n降低而升高，只在最低速范围才有一小段随n下降而下降的情况。部分负荷速度特性Ttq随n的增加而下降，而且节气门开度越小Ttq下降越快。转矩曲线变化趋势:随着转速n的增加，转距Ttq逐渐增大，出现最大转距Ttqmax后逐渐下降，且下降程度越来越大。曲线呈上凸形状。第七十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日3、油耗的速度特性汽油机的be曲线大致在Ttq最大时最低，速度增加或降低均会导致be的增加。在接近全负荷时be最低，节气门开度减小汽油机的油耗增加；如果节气门开度小，be将随转速的增加而快速升高。在某一中间转速时出现最低值2、功率的速度特性n

Pe；达到极值后下降。节气门开度小，Pemax也小，且在更低转速时出现。第七十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日

汽、柴油机燃油消耗率曲线

由于柴油机压缩比高，ηit较高，曲线比汽油机的平坦，最低耗油率值比汽油机相应值低。当ηit×ηm达到最大值时，出现bemin值。第七十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽、柴油机速度特性曲线的对比（1）汽油机Ttq线总体上向下倾斜较大，低负荷时倾斜更大；而柴油机Ttq线总体变化平坦。（2）汽油机Pe外特性线的最大值，一般就是标定功率点；而柴油机可达到的最大值点的转速很高，所以标定点并非该特性曲线的极值点。（3）柴油机燃油消耗率be曲线要比汽油机平坦，低负荷时尤为明显。第七十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日

发动机速度外特性对汽车动力性的影响

1、汽车动力性能的三个评价指标最高稳定行驶速度；满负荷的最大爬坡能力；加速时间。根据驱动力和行车阻力即可确定最高稳定行驶速度和满负荷的最大爬坡能力（最高、最低档位）；根据驱动功率和总阻力功率（Pt-Pr为加速后备功率）就可确定理论上的加速时间，实际加速时间是实测得到。第七十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽车行驶性能曲线第八十页，共一百三十九页，2022年，8月28日2、外特性曲线的动力适应性与特性校正

汽油机的动力适应性能明显优于柴油机，汽油机在低于标定转速下各点的转矩与功率均高于柴油机；对最高档可达到的最高转速，柴油机比汽油机更远离标定转速点（超速和飞车）。结论：汽油机的外特性线比柴油机外特性线的动力适应性好，所以，柴油机的外特性线需要校正，使其在低于标定转速段Ttq加大，在高于标定转速段调速。第八十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日提高汽车动力性能的措施：提高发动机的动力性能，降低整车的行驶阻力，完善发动机与汽车及其传动系统的匹配。（1）选择合适的发动机（2）配套合适的发动机外特性曲线（3）汽车传动系统的合理匹配第八十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日

要求发动机的转矩随转速的降低而增加。如：当汽车上坡时，若油量调节拉杆已达最大位置，但所发出的扭矩仍感不足，车速就要降低，此时需要发动机随车速降低而发出更大扭矩，以克服爬坡阻力。希望低转速时，转矩较高，有利于加速和爬坡能力提高。第四节发动机的转矩适应性

第八十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日衡量内燃机工作稳定性能的指标是转矩适应性系数KT和转速适应性系数Kn。转矩适应性系数是指外特性上最大转矩Ttqmax与标定转矩Ttqn之比。转速适应性系数是指标定转速n

n与外特性上最大转矩对应的转速nm之比。第八十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日

有时，也用最大转矩与标定转矩之差与标定转矩的相对值，来表示发动机克服阻力能力的大小，并将其定义为转矩储备系数μ。第八十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日范围

汽油机的转矩适应性系数KT较大，一般在1.2—1.4之间，转速适应性系数Kn约为1.6—2.5。柴油机转矩曲线平坦，适应性系数小，KT值一般不超过1.05(无校正时)。Kn约为1.4—2.0。汽油机的外特性比柴油机的外特性的动力适应性好。第八十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日

兼顾转矩适应系数和转速适应系数对发动机克服外界阻力的影响，引入发动机适应系数KTn，用以衡量发动机的动力性对外界阻力变化的适应能力：

KTn=KTKn汽油机KTn=2.0～3.0柴油机KTn=1.5～2.5发动机KT或μ↑（Ttqmax↑）同时Kn也很大时，克服阻力的能力愈强。第八十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-10阻力变化时发动机工作点的过渡情况I--汽油机速度特性II--柴油机速度特性第八十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日汽油机的转矩特性，特别适合车用的需要，也就是说，自动适应道路阻力变化的能力较强，行驶速度比较稳定。内燃机转矩与外界阻力矩在a点是平衡的，内燃机将在a点对应的转速na下稳定工作。如遇上坡等阻力增加的情况，内燃机从工况a过渡到工况1、沿速度特性1工作的内燃机驱动转矩增大了ΔTtq1，转速相应降低了Δn1。这说明驾驶员不用操作，发动机自动进行了调整，转速降低而转矩增大，以克服外界阻力的变化。第八十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日

这一结果说明，内燃机转矩曲线越陡，运转的稳定性和操纵性能就越好。因此，汽油机一般不需要配备调速装置，即使当阻力矩突变到零时，汽油机的转速也不会超速或飞车。柴油机的调节过程与装置则与汽油机有明显的不同，需要采用专门设计的调速器。第九十页，共一百三十九页，2022年，8月28日

柴油机速度特性如图中曲线Ⅱ，由于其转矩曲线较平坦，则从工况a过渡到工况2时，转速降低较多(Δn2＞Δn1)而转矩增大的幅度并不大(ΔTtq2＜ΔTtq1)。第九十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日

当柴油机用于汽车动力时，驾驶员可以按照路面的情况，随时改变油门踏板的位置或者行车挡位，改变发动机克服阻力的能力，以调整车速。然而，当用于拖拉机及工程机械时，发动机所要克服的阻力矩变化很大，经常会遇到过载的情况。由于柴油机的适应性系数小，加上这类机械行走速度低，无动能储备，以致在遇到阻力矩突然增大时，转速下降很快，往往驾驶员来不及换挡发动机就可能熄火。对于这类用途的柴油机，要求有较大的转矩储备，以克服短期过载。第九十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日（3）柴油机的转矩校正与校正外特性曲线柴油机的转矩外特性线过于平坦，原因在于对应的供油速度特性线gb-n具有上升特性，校正的方法就是加大中低速段的gb值，但同时应将gb值控制在烟度限制点范围内。采用液力校正和机械校正，得到校正外特性线。（图7-11）第九十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日

从性能优化的角度，解决各工况条件下特性的调节修正和参数的实时控制。重点是柴油机速度特性的调节与校正。

调控属于热能动力、电子和控制学科的交叉领域。第五节车用柴油机的调速特性这一节的本质是涉及发动机特性、参数的调节与控制。第九十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日定义:喷油泵调速手柄固定，在调速器起作用时，柴油机的性能指标随转速的变化关系。表达形式：负荷特性形式速度特性形式一、调速特性第九十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-12调速特性曲线由调速器起作用的调速阶段和调速器不起作用的外特性段组成。第九十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日柴油机的速度特性，特别是外特性，除了直接影响配套汽车的动力性外，还与汽车能否安全运转密切相关，而怠速的部分特性线则由于能否稳定运转相关。这就是柴油机的两大主要问题，所以需要对柴油机进行调速。第九十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日第九十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日柴油机的调速装置与调速特性

柴油机的转矩-速度特性曲线平缓，不具有自调节能力。柴油机调速器最基本的功能：高速不超速飞车；低速稳定运行。另还有附加功能（冷起动加浓、外特性曲线校正、增压油量补偿）

第九十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日二、调速器GOVERNOR限制发动机的最高转速，保证它在高速工况下不致因超速而产生“飞车”;保证在低速与怠速时的稳定运行;限制其在其他工况下的转速波动;转矩校正以及增压与海拔高度补偿。1、调速器的基本功能第一百页，共一百三十九页，2022年，8月28日2、调速器的分类机械式调速器液压式调速器电子调速器应用于船舶、机车与电站等用途的大型柴油机广泛应用于中小功率柴油机所有柴油机均有应用MechanicalMechanical-HydraulicPneumaticElectronic第一百零一页，共一百三十九页，2022年，8月28日单极调速器：只控制高速工况，主要用于恒定转速的柴油机，如发电机组。

两极调速器：可控制怠速和高速，但在宽阔的中间转速范围内调速器不起作用，主要用于转速变化频繁的柴油机，如车用柴油机上。全程调速器：柴油机由怠速到最高转速的任何转速都能自动调节供油量的大小，调速器用途很广，如拖拉机、工程机械、重型汽车、船舶和机车等。全程两极组合式调速器：兼有全程与两极调速器的功能，适用于工程车辆，如带起重机和搅拌机的汽车、扫雪车和油罐车等有作业和行驶双重任务的车辆。

第一百零二页，共一百三十九页，2022年，8月28日

车用调速模式主要是两级调速模式和全程调速模式。

两种基本调速模式：基本原理都是在加速踏板位置不变的情况下，自动调节给油量。第一百零三页，共一百三十九页，2022年，8月28日（1）两级调速模式—两速调速器、双速调速器，在高速和低速时起调速作用：高速限速，低、怠速稳速，中、小型车使用。（2）全程调速模式—全程调速器，在任何转速均起调速作用，加速踏板并不直接控制油量调节杆的位移，在加速踏板位置不动时，会根据外界负荷自动调节供油量：适用于拖拉机、工程机械、重型载货车。第一百零四页，共一百三十九页，2022年，8月28日调速器的工作原理：调速器由感应机构和传动机构组成，根据转速/进气管真空度、输油泵输油压力等改变油量调节杆的位移。有离心机械式、气力式、液力式、电力式、电子式等。加速踏板位置不变而调速器起作用时，转矩Ttq随转速急剧下降的曲线就称为调速特性线。第一百零五页，共一百三十九页，2022年，8月28日第一百零六页，共一百三十九页，2022年，8月28日第一百零七页，共一百三十九页，2022年，8月28日第一百零八页，共一百三十九页，2022年，8月28日第一百零九页，共一百三十九页，2022年，8月28日第一百一十页，共一百三十九页，2022年，8月28日与两级调速器不同，全程调速器加速时，过渡工况点都要绕过外特性线：Rf是克服汽车总阻力换算得到的油量调节杆的位置变化曲线，当加速踏板由位置①加大到②时，其工况路线为A-C-D-B（两极A-C’-B），油量过大，加速过猛，速度上升快慢不一，因此烟度大，前后颠簸。工程机械及拖拉机等所用柴油机要求稳定运行，提高功效，少换档，所以选用全程调速器，车用柴油机为了运行舒适，减少冒烟，驾驶方便，所以选用两级调速器为多。第一百一十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日1、稳定调速率δ1表示柴油机在标定工况下，由全负荷降至零负荷时转速相对变化;表示调速器在最高转速调节范围时调节特性线的斜率；农业排灌等固定动力及拖拉机用的柴油机，要求δ1≤8%；对于汽车用柴油机，δ1≤10%；对于交流发电机组及联合收割机用柴油机要求高一些，希望δ1≤5%；对于工程机械用柴油机，δ1≤8%~12%。Speeddroop机械式调速器性能评价指标第一百一十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日2、瞬时调速率δ2

评定调速器过渡过程的指标,表示过渡过程中转速的波动情况；一般情况下，瞬时调速率应为δ2≤12%，过渡时间t＝5～10s；对发电用的柴油机，要求δ2≤5%～

10%，t＝3～

5s。Transientspeeddroop第一百一十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日3、转速波动率Ψ内燃机在稳定运转时转速变化的程度;一般系测定标定功率时的转速波动率，其值应≤1%Speedfluctuationratio第一百一十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日4、不灵敏度ε

----负荷减小调速器开始起作用的转速----负荷增大调速器开始起作用的转速不灵敏度过大，会引起柴油机转速不稳，极端情况下甚至会导致调速器失去作用，使柴油机有产生飞车的危险。低速时调速器飞锤的推动力小，喷油泵齿杆（或拉杆）移动时的摩擦力增大，结果使调速器不灵敏度显著地增加。一般规定ε在标定转速时不超过1%，最低转速时不超过5%。Governorhysteresisn----柴油机的平均转速第一百一十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日·不灵敏度ε

--调速器起作用滞后于理论情况，也即响应滞后。要求在标定工况ε不超过1.5%-2.0%，在怠速时ε不超过10%-13%。低、怠速工况过大ε是造成低速“游车”--即转速上、下波动的原因。第一百一十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日

发动机特性和参数需要根据汽车工况进行实时变化和调整，这就涉及精确的调控和管理。我们已经经历的调控技术阶段有：人力控制、单项机、液控制、电脑单项控制、电子综合管理等。目前阶段主体是电控技术（电脑）和电子管理中心（EEC）。第一百一十七页，共一百三十九页，2022年，8月28日第六节发动机的万有特性

负荷特性和速度特性只能用来表示某一转速或某一油量控制机构位置时，内燃机各种参数的变化规律，而内燃机特别是车用内燃机的工况变化范围很广，要分析各种工况下的性能，就需要多张负荷特性或速度特性图，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，这种特性就是万有特性（也称全特性）。第一百一十八页，共一百三十九页，2022年，8月28日运行工况的全特性（万有特性）是指负荷及转速都变化时的性能指标或特性参数的变化规律。

速度和负荷为自变量的三维坐标，构成特性曲面。在工况面的二维坐标图上，则表示为各种指标或参数的等值线。全特性实质是全工况面内，速度特性与负荷特性的综合，用以方便直观的分析多工况（多转速、多负荷）的综合性能。第一百一十九页，共一百三十九页，2022年，8月28日根据各种性能参数之间的关系，可以做出不同的等值曲线，从而得到不同参数的全特性图。车用发动机，常用的万有特性是以平均有效压力pme为纵坐标，转速n为横坐标的pme-n平面上，绘出若干条等油耗曲线和等功率曲线。两种类型内燃机典型的万有特性如下图所示。第一百二十页，共一百三十九页，2022年，8月28日图7-17第一百二十一页，共一百三十九页，2022年，8月28日一、万有特性的绘制方法

根据发动机类型的不同，万有特性有两种绘制方法，即负荷特性法和速度特性法。

对于柴油机，一般是依据不同转速下的负荷特性，用作图法求出；对于汽油机，则根据不同节气门位置的速度特性，用作图法求得。近年来，由于计算机测试技术以及计算技术的应用，也可采用数值计算方法对大量的试验数据进行回归及等值线的插值运算，从而直接得到万有特性。第一百二十二页，共一百三十九页，2022年，8月28日负荷特性法（等油耗线作法）1)将各种转速下的负荷特性以平均有效压力pme为横坐标，be为纵坐标，以同一比例尺绘出特性曲线若干张。2)根据内燃机工作转速范围，标出万有特性横坐标n的标尺，纵坐标pme的标尺则与整理得到的负荷特性上的pme标尺相同。

3)将某一转速的负荷特性旋转90°后置于万有特性纵坐标轴的左侧，使同样是平均有效压力的两个坐标对齐。在负荷特性图上引若干条等燃油消耗率线与be线相交，每条线各有一至二个交点；再从每一个交点引水平线至万有特性上与负荷特性线相同转速的位置上，获得若干新交点。在每一交点上标注出燃油消耗率的数值。

4)然后，更换另一转速下的内燃机负荷特性，按照与上述同样的方法，得到另—转速位置下的若干交点。在交点上同样标上相应的燃油消耗率数值。5)所有转速下的负荷特性都经过这样的转换后，依次将be值相等的点连成光滑曲线，即可得到万有特性上的等燃油消耗率线。第一百二十三页，共一百三十九页，2022年，8月28日

以有效燃油消耗率be为例，传统的制取方法：1）将各转速的负荷特性线集中画在be-pme图上；2）在上图下方。以相同pme比例布置n-pme坐标面；3）在n-pme工况面上作等be线（上图各速度下等be的交点投影到下图，与对应等速线相交，然后把下图中的交点连接起来，就是所求等油耗线）4）根据各等be，就能作出等油耗线族。

第一百二十四页，共一百三十九页，2022年，8月28日第一百二十五页，共一百三十九页，2022年，8月28日

1.由万有特性可以方便地查到发动机在任何点（Ttq、n）工作时的Pe、b、pme，发动机在任何点（Pe、n）工作时的Ttq、b、pme以及发动机最经济负荷和转速。

2.等燃油消耗率曲线的形状及分布情况对发动机实际使用经济性能有很大影响。我们已知可由多条负荷特性线或速度特性线转化得出全特性图，反过来由全特性图也可求得各条负荷特性线和速度特性线。二、万有特性的应用分析第一百二十六页，共一百三十九页，2022年，8月28日

在万有特性图上，最内层的等燃油消耗率曲线相当于内燃机运转的最经济区域，等值曲线越向外，经济性越差。

在水平（转速）方向，曲线疏密程度表示发动机的经济性对转速的适应性，水平方向等间隔的等油耗线稀疏，表明转速的变化对经济性的影响较弱，密集则表明在该转速领域转速的微小变化都使得经济性恶化。

在垂直（压力）方向，曲线疏密程度表示发动机的经济性对负荷的适应性，垂直方向等间隔的等油耗线稀疏，表明负荷的变化对经济性的影响较弱，密集则表明在该负荷领域负荷的微小变化都使得经济性恶化。第一百二十七页，共一百三十九页，2022