1.2 发动机特性

发动机的性能指标随发动机调整情况和运转工况而变化的关系称为发动机特性。其中性能指标随调整情况变化的关系称为调整特性；性能指标随运转工况变化的关系称为性能特性。发动机特性通常用曲线表示，称为发动机特性曲线。通过特性曲线可以分析在不同使用工况下，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。

发动机工况即发动机工作状况，通常用发动机功率与转速或发动机负荷与转速来表示。

发动机随使用工况的不同，发出的功率和转矩不同。实际上，有效燃料消耗率ge，有效热效率ηe，平均有效压力p e及其他工作过程参数也将随之变化。

1.2.1 发动机负荷特性

发动机负荷特性表示发动机在某一转速下，燃油经济性指标及其他参数（用有效功率Pe，有效转矩Me或平均有效压力pe等表示）随负荷的变化关系。

1.汽油机负荷特性

在点火提前角最佳，供油系统、进气系统及控制系统工作正常的情况下，保持汽油机转速一定，每小时耗油量GT，有效燃料消耗率ge随负荷而变化的关系，称为汽油机负荷特性。

汽油机的负荷调节方法称为“量调节”，即靠改变节气门开度，从而改变进入汽缸的混合气数量来适应负荷变化。如图1.1所示为某汽油机负荷特性。

由图1.1可知，每小时耗油量GT随发动机负荷增大而增加，大负荷时由于混合气加浓上升更快。而有效燃料消耗率ge随负荷增大逐渐减小，在小负荷区域减小得快（曲线陡），在大负荷区域减小得缓慢（曲线平缓），在接近全负荷时，有效燃料消耗率ge又有所增大。

2.柴油机负荷特性

柴油机转速一定，每小时耗油量GT，有效燃油消耗率ge随负荷而变化的关系称为柴油机负荷特性。

转速一定时，进入汽缸的空气量不变，改变负荷相应改变的是每循环供油量Δg，使混合气成分变化。因此，柴油机是通过改变混合气的过量空气系数（浓度）来适应负荷的变化的。其负荷调节方法称为“质调节”。如图1.2所示为柴油机的负荷特性。

由图1.2可知，柴油机负荷特性中的GT、ge曲线变化趋势与汽油机一致。

有效燃料消耗率ge曲线中的1点为最低油耗点，2点为冒烟界限。

3.负荷特性曲线的特点

负荷特性曲线具有如下特点。

（1）负荷特性是发动机的基本特性，常用它评价发动机工作的经济性。根据需要可测定发动机不同转速下的负荷特性，其特点是转速变化时各条负荷特性曲线的变化趋势相同，只是各条曲线的路径不同。

（2）负荷特性可反映发动机工作的经济性。希望发动机经常处于或接近有效燃料消耗率低、负荷较大的经济区域运行，因此应注意提高发动机的功率利用率。如在选配发动机时，应注意在满足发动机要求的前提下，不宜装功率过大的发动机。

（3）由负荷特性可以看出：低负荷时，有效燃料消耗率很高，经济性差，同一转速下最低有效燃料消耗率gemin越小、曲线变化越平坦，经济性越好。柴油机gemin比汽油机低10%～30%，而且有效燃料消耗率曲线比较平坦。相比之下，柴油机经济性较好。

1.2.2 发动机速度特性

发动机性能指标随转速变化的关系称为发动机的速度特性。

1.汽油机速度特性

汽油机节气门开度固定不动，点火提前角最佳，供油系统、进气系统及控制系统工作正常的情况下，有效功率Pe，有效转矩Me，有效燃料消耗率ge随转速n变化的关系称为汽油机的速度特性。节气门全开时的速度特性称为外特性。节气门部分打开时的速度特性称为部分负荷速度特性。

（1）外特性。如图1.3所示为汽油机外特性曲线的一般趋势。

有效转矩Me曲线为一上凸形状，在某一转速下达到最大值，然后随之下降，且下降程度随转速升高而加快，曲线变化较陡。

有效功率Pe曲线也是一上凸形状，在某一转速下具有最大值。

有效燃料消耗率ge曲线为一下凹曲线，在某一转速下达到最小值。

（2）部分负荷速度特性。如图1.4所示为EQ6100汽油机速度特性。

由图1.4 可知，部分负荷速度特性与外特性变化趋势相同。部分负荷速度特性上的Me、Pe值均低于外特性值，负荷越小，数值越小，且最大功率、最大转矩点向低速方向移动。

ge曲线以节气门80%左右开度时为最低。

2.柴油机速度特性

喷油泵油量调节机构（供油拉杆或齿条）位置固定不动，柴油机性能指标（有效功率Pe，有效转矩Me，有效燃料消耗率ge，每小时耗油量GT）随转速n变化的关系称为柴油机速度特性。当油量调节机构固定在标定循环供油量位置时的速度特性称为柴油机外特性。当油量调节机构固定在小于标定循环供油量位置时的速度特性称为柴油机部分负荷速度特性。

（1）外特性。如图1.5所示为6130型柴油机外特性曲线。

由图1.5可知，柴油机Me曲线也是一上凸形状，但变化平坦，使得Pe曲线在一定转速范围内几乎随转速成正比增加。ge曲线也是一条下凹曲线，也比汽油机平坦。

（2）部分负荷速度特性。当油量调节机构位置向减少供油量方向移动时，循环供油量减少，使部分负荷速度特性的功率Pe、转矩Me值均低于外特性。但随着负荷减小，循环供油量随转速的变化趋势基本不变，使部分负荷速度特性的变化趋势与外特性相似。所以柴油机的部分负荷速度特性的Pe、Me曲线是随着负荷的减小，大致平行下移的。

有效燃料消耗率曲线的变化趋势基本同外特性。

3.转矩储备系数

转矩储备系数μ㊣是评定发动机适应外界阻力矩变化能力的指标，其值为

式中，Memax为全负荷速度特性上的最大转矩，单位为N·m；MB为标定工况下的转矩，单位为N·m。

μ值越大，随转速降低，转矩增长越快，发动机克服短期超负荷的能力越强，能适应阻力波动较大的工作情况，且最大转矩 Memax对应的转速 nM越低，汽车在不换挡的情况下，发动机克服阻力的潜力越强。

汽油机Me曲线陡，μ在10%～30%之间，当外界阻力变化（增或降）引起发动机转速改变（降或增）时，能自动使输出转矩改变（增或降）以适应这种变化，保证发动机稳定工作。

柴油机Me曲线变化平坦，μ只有5%～10%的范围，当遇到负荷突变时，不能稳定工作。

4.汽/柴油机速度特性曲线的对比

对比图1.3和图1.5可以看出，汽/柴油机速度特性的主要区别如下。

（1）汽油机 Me曲线总体上向下倾斜较大，低负荷时倾斜更大；而柴油机 Me曲线总体变化平坦，这种差别使两种机型在负荷急剧变化时的工作稳定性存在巨大差异。

（2）汽油机 Pe外特性曲线的最大值点，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）柴油机有效燃料消耗率ge曲线比汽油机平坦，低负荷时更是如此。

1.2.3 柴油机调速特性

1.柴油机装调速器的必要性

理论上柴油机喷油泵每个工作循环的供油量主要取决于供油拉杆的位置，当供油拉杆位置一定时，每循环的供油量应不变。但实际上，供油量还受到发动机转速的影响。柱塞式喷油泵即使在供油拉杆位置不变时，随着发动机转速的增加，供油量也略有增加，这一特性称为喷油泵速度特性，由此使得柴油机转矩曲线的形状与汽油机不同。

发动机转矩曲线的形状决定了发动机工作的稳定性。汽油机由于转矩储备系数大，适应能力强，能保证汽油机稳定工作。而柴油机的转矩曲线变化平坦，转矩储备系数小，一旦卸去负荷，转速会大大超过标定转速，同时循环供油量也随之增加，导致排气冒烟严重，零件过热。又由于柴油机机体笨重，超速时的惯性力较大，容易造成零件损坏，因此柴油机要装调速器以防高速飞车，保证工作的稳定。

汽车发动机经常在怠速工况下运转，如果此工况不稳，发动机将经常熄火或转速不断增加。汽油机怠速运转稳定的主要原因是：假如发动机Pm下降，汽油机由于节气门开度很小，节流损失大，使Pi随n增加而迅速下降。而柴油机的情况则不同，即使供油拉杆在最小供油量位置，由于喷油泵的速度特性，也使每循环供油量随转速的增加而增加，使 Pi增加。所以，Pm稍有变化，转速波动就会很大，很容易使柴油机熄火。因此，柴油机需装调速器，以保证怠速运转的稳定。

2.柴油机调速特性

柴油机可根据需要装用两级式或全程式调速器。在调速器起作用时，柴油机主要性能指标随转速或负荷变化的关系，称为柴油机调速特性。

（1）装两级式调速器柴油机的调速特性。车用柴油机一般采用两级式调速器。调速器在怠速与标定转速附近起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车。中间转速调速器不起作用，由驾驶员通过加速踏板控制供油量，其调速特性如图1.6所示。

假如柴油机沿部分负荷速度特性3工作，外界阻力矩增加时，发动机转速将会降低，发动机转矩沿曲线3变化，略有增加。若发动机转矩仍小于外界阻力矩，发动机转速会继续降低，若转速降至略低于怠速转速，调速器的怠速弹簧起作用，使循环供油量增加，转矩曲线上升，与外界阻力矩达到一个新的平衡，发动机转速略低于负荷增加前的转速，避免了柴油机熄火。

柴油机沿部分负荷速度特性3工作时，若外界阻力矩减小，柴油机转速超过标定转速时，调速器自动起作用，使循环供油量减少，发动机转矩曲线迅速降低，和外界阻力矩达到一个新的平衡，柴油机转速略高于外界阻力矩减小前的转速，防止了超速。

（2）装全程式调速器柴油机的调速特性。工程机械、矿山机械等用柴油机一般装用全程式调速器。柴油机在最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用，对应于调速手柄的每一个位置，均可得到对应于不同转速的调速特性曲线。每一条曲线的转速变化范围不大，负荷可以由0变化到全负荷速度特性。装全程式调速器柴油机的调速特性如图1.7所示。

调速手柄的位置一定，调速弹簧便具有一定的预紧力。负荷变化时，调速器起作用，保证柴油机在转速近乎不变的情况下稳定运转。例如，柴油机在某一工况下稳定运转，如果外界阻力矩增加，则转速下降，调速器使循环供油量增加，柴油机转矩沿某一条调速特性曲线迅速增加，直至与外界阻力矩平衡，而转速变化不大；如果外界阻力矩减小，则使循环供油量减少，柴油机转矩沿某一调速特性曲线迅速减小，直至与外界阻力矩达到新的平衡为止。

综上所述，由于调速器的作用，柴油机的转矩曲线形状得到改善，在转速微小的变化范围内，转矩曲线可以急剧地变化，由0到最大，或由最大到0。针对外界阻力矩的较大变化，柴油机具有较好的适应性，保证了柴油机在任一选定的转速下稳定运转。如果需要改变柴油机的转速，只要改变加速踏板的位置，从而改变调速弹簧的预紧力即可实现。

1.2.4 发动机万有特性

由于发动机的负荷特性和速度特性只能表示在某一确定转速或某一确定节气门开度（或油门拉杆位置）下运行时发动机的性能变化规律，而汽车发动机经常在变速变负荷下工作，工况范围比较宽广，为了全面评价发动机在所有使用工况下的性能，还需做多参数的特性试验即万有特性试验。通过万有特性曲线，可以查出发动机任何工况下的性能指标。

1.定义

万有特性就是在一张图上用多参数的特性曲线较全面地表示发动机的性能，通常以转速n为横坐标，以有效转矩Me或平均有效压力pe为纵坐标，在图上画出许多等燃料消耗率ge曲线和等功率Pe曲线。

如图1.8所示为CA6102汽油机的万有特性，如图1.9所示为EQ6102—1型柴油机的万有特性。

根据万有特性，可以看出发动机在任何转速与负荷运行时的经济性。最内层的等燃料消耗率曲线相当于最经济的区域，曲线越向外，经济性越差。等燃料消耗率曲线的形状及分布情况对发动机的使用经济性有重要影响，若等燃料消耗率曲线在横坐标方向较长，则表示发动机在转速变化较大而负荷变化较小的情况下工作时，经济性较好；若在纵坐标方向较长，则表示发动机在负荷变化较大而转速变化不大的情况下工作时，有效燃料消耗率较小。对于车用发动机，希望最经济区域最好位于万有特性的中间位置，ge曲线沿横坐标方向长一些，使常用转速和负荷落在最经济区域内。

2.万有特性的应用

万有特性的应用有以下几个方面。

（1）由万有特性可以方便地查到发动机在任何点（Me，n）工作时的 Pe、ge、pe，或发动机在任何点（Pe，n）工作时的Me、ge、pe，以及发动机最经济的负荷和转速。

（2）由等燃料消耗率曲线的形状及分布情况可以分析发动机的使用经济性。

（3）进行某些改进与研究性试验时，为保证发动机与传动系统的合理匹配，将常用挡位下常用阻力曲线（折算成 pe值）绘于万有特性上，可以一目了然地看出汽车的常用工作区是否与发动机的经济油耗区接近，以判断改进效果。

（4）可以用万有特性评价发动机排气污染情况。将发动机有害排放物随负荷和转速变化的关系画在万有特性上，从而反映发动机在某一工况下的燃烧与混合气形成的情况。如图1.10所示为柴油机有害排放物的万有特性。

（5）可以结合传动系统参数绘制整车万有特性，由此可以确定各挡位、各种坡度、不同车速下的经济性和动力性。