第七章 发动机的特性
意义
– 发动机作为动力源其工作状态（ n,Ttq）应随所带负载的变化而发生相应的改变。而 n，
Ttq的变化必然会引起运转参数（ a,T,P、
紊流、混合气形成、燃烧过程、充气效率、
循环供油量，指示效率、机械效率）的变化，
从而引起发动机性能（经济性、动力性、排放特性）的变化。
– 揭示发动机性能随工作状态的变化规律可以为优化性能、改进设计提供参考依据。
第一节 发动机工况
一、工况
– 发动机的运行情况，简称工况。工况以转速 n和扭矩 Ttq来表示，
此 Ttq,n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。
第一节 发动机工况
工况分类
– 恒速工作：
转速不变,而功率改变 。 例如,带动发电机工作时,为保证频率的稳定性,要求发动机转速基本不变,功率则随电机负荷大小,可由零变到最大 。
– 流体阻力 （ 螺旋桨 ） 工作：
功率与转速接近三次幂函数关系,Pe=K·n3,K为比例常数 。
带动螺旋桨工作的船用机即属此类,故称螺旋桨工况 。
– 陆上运输：
功率和转速都独立地在很大范围内变化 。
– ① 转速决定车速,可以从最低稳定转速一直变到最高转速；
– ② 扭矩取决于行驶阻力,在同一转速下,可由零变到全负荷；
– ③ 当需要发动机制动时,如汽车下长坡,发动机是由车辆倒拖而做负功 。
第一节 发动机工况二,发动机特性发动机性能指标随 调整、运转 工况而变化的关系称为发动机特性。
性能指标调整工况运转工况调整特性性能特性发动机特性用曲线表示出来则称为特性曲线，特性曲线是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。
三,有效性能指标与 已知规律参数 的关系目的：推导出性能指标与已知规律参数的关系,
然后用已知的规律去分析性能指标在不同特性
（ 速度特性,负荷特性,调整特性,万有特性 ）
下的变化规律 。
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 b,每小时耗油量 B表示 。
这些指标与发动机工作过程参数中 已知规律参数,α
（ 汽 ）,Δb（ 柴 ）,ηi,ηm,ηv的关系推导如下 。
式中 ηv——充量系数；
ρo——大气状态下空气密度 （ kg/m3） ；
Vs——气缸工作容积 （ m3） ；
α ——过量空气系数；
hu——燃料低热值 （ kJ/kg） ；
Lo——理论空气量 （ kg/kg） 。
o
vsv
L
hvQ
每循环放热量 Q（ kJ） 为
hgQ b
根据平均有效压力 pme（ kPa） 的定义式中 We——每循环有效功 （ kJ） ；
ηe——有效热效率 。
s
e
s
e
me v
Q
v
Wp
vmivmio
oo
ove
me KL
h
L
hp
式中 ηi——指示热效率； ηm——机械效率 。
imb
s
beme gK
V
gp
汽油机柴油机功率（汽）
nKP mive1?
mi
v
tq KT
2?
扭矩 （ 汽）
mi
e Kb
1
3?
燃油消耗率
nKB v4?
小时耗油量（汽）
扭矩（ 柴）
bmitq gKT2?
ngKB b4?
小时耗油量（柴）
功率（柴）
ngKP mibe1?
vmivmiooooveme KL
h
L
hp
imbs beme gKV gp
平均有效压力 pme
第二节 发动机台架实验简介第二节 发动机台架实验简介
测试循环（工况控制）
– 由于轻型、重型车的测试循环不同需要的工况控制也不同（稳态工况、
瞬态工况等）。
基本测量参数：
– 动力性（转速、扭矩，功率）
– 经济性（燃油消耗量，比油耗）
– 排放特性（ CO,NOx,CO2,HC,PM、烟度,A/F）
– 基础数据（进气压力、进气温度、进气量）
– 监控参数（机油温度、机油压力、冷却液温度、涡轮转速、排气温度、
排气背压等）
专业测量
– 发动机缸内压力测量（压电晶体传感器＋采集系统＋示功图分析软件）
– 发动机缸内参数测量（透明发动机“或开窗”＋激光诱导法＋ ICCD＋
后处理软件）
– 发动机振动测量（加速度“振动”传感器＋分析软件）
– 尾气中组份测定（色谱、质谱联机＋标准物质谱库）
第 三节 发动机的速度特性
（ 油门位置一定 ） 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 。 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
,下坡时速度逐渐增加,这时发动机即沿速度特性工作 。
速度特性一般用于评价发动机的动力性：最大功率及扭矩特性 。
第 三节 发动机的速度特性
汽油机速度特性
– 定义：汽油机节气门开度固定不动，其有效功率 Pe、扭矩 Ttq、、燃油消耗率 b、每小时消耗油量 B等随转速 n变化的关系。
– 分类：节气门全开时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。由于节气门的开启可以无限变化，
所以部分负荷速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只能有一条。
第 三节 发动机的速度特性
– 测取
发动机台架试验。测取前，应将点火提前角 及化油器调整 完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。
节气门位置固定（一般做含外特性的 8-10个节气门开度），
使发动机达到标定转速测第一点的发动机性能指标。
以特定间隔（一般从标定转速－最低稳定转速等间隔分 8-10
个转速、应包括最大扭矩转速），从高到低依次测取不同转速下对应的发动机性能指标。
将每一节气门开度下的不同转速测量结果绘制成曲线（速度特性曲线并为万有特性曲线提供原始数据。
根据公式可见,Ttq随 n的变化取决于指示热效率 ηi,机械效率 ηm,充气效率
η v与过量空气系数 α
随 n的变化 。
mi
v
tq KT
2?
α
（ 一 ） 外特性曲线分析
1,扭矩曲线变化趋势随着转速 n的增加,扭距 Ttq逐渐增大,出现最大扭距
Ttqmax 后逐渐下降,
且下降程度越来越大
。 曲线呈上凸形状 。
（ 1） 在节气门开度一定时,过量空气系数 a可视为常数 。
（ 2）充气效率
η v在某一中间转速时最大。低速倒流、
高速惯性未充分利用且阻力增加。其余转速时 η v均降低，曲线为上凸形。
α
（ 3） 指示热效率 ηi
转速低,进气流速低,
紊流减弱,使雾化,混合状态较差,火焰传播速度降低；
散热及漏气损失增加,ηi较低转速高时,燃烧过程所占曲轴转角较大,燃烧在较大容积下进行,ηi也较低 。
但变化比较平坦,对 Ttq影响较小 。
α
（ 4）机械效率
ηm 转速增加，消耗于机械损失功增加。因此，随转速升高，机械效率 ηm
明显下降。
α
综合作用的结果是；当转速由低开始上升时,η v,ηit同时增加的影响大于 ηm下降的影响,使 Ttq增加,对应于某一转速时,Ttq达到最大值 。 转速继续增加,由于 η v,ηit,ηm
均下降,因此 Ttq随转速升高而较快的下降,
即 Ttq曲线变化较陡 。
α
2,功率变化趋势
Pe=Ttq?n/9550
当转速由低逐渐升高时,由于 Ttq,n同时增加 Pe增加很快
。 在达到最大扭距转速 ntq后
,再提高转速,由于 Ttq有所下降,使 Pe上升缓慢 。 某一转速时 Ttq?n达最大值 。 此后
,再增加转速,由于扭距下降超过转速上升的影响,Pe
反而下降 。
3,燃油消耗率变化趋势
b=k3/ηitηm
b在某一中间转速当 ηitηm达到最大值时出现最低值 。 当转速较此转速低时,由于 ηm上升弥补不了 ηit的下降,使 b增加 。 转速较此转速高时 ηit,ηm均较低,b也增加 。
（ 二 ） 部分负荷速度特性随着节气门的关小,节流损失增大,充气效率减小,
使部分负荷速度特性的 Pe,Ttq低于外特性值 。
转速越高,充气效率减小的越多,因此,节气门开度越小,随转速增加,扭距,功率曲线下降得越快 。
最大扭矩及最大功率点向低速方向移动 。
第 三节 发动机的速度特性二,柴油机速度特性
– 定义,
喷油泵油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标（主要是功率 Pe、扭距 Ttq、燃油消耗率 b、每小时耗油量 B）随转速 n变化的关系。
– 分类：
外特性：油量调节机构固定在标定循环供油量位置时速度特性称为柴油机标定功率速度特性。
部分负荷速度特性：当油量调节机构固定在小于标定循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为柴油机。
– 测取方法
类似与汽油机
（一）外特性曲线变化趋势扭矩表达式可定性地写成由式可见，柴油机扭距随转速的变化趋势决定于 ηit,ηm、△ b随转速 n变化的趋势。
)(2 qgKT bmitq
（一）外特性曲线变化趋势
1,扭矩曲线变化趋势柴油机的扭矩曲线比汽油机平坦 。
柴油机扭矩曲线的变化趋势,很大程度上决定于每循环供油量随转速变化的情况 。
（ 1） △ q—随转速 n的提高,每循环供油量 △ q增加 。
油泵的速度特性 。
（ 2） η v也是在某一中间转速 n出现最高值 。
(3) 指示效率：低速时油泵压力低雾化差,缸内流动弱
,混合气形成质量差,散热损失率增加,指示效率低；
高速时燃烧过程对应曲轴转角长,定容性差 （ 燃烧迟后
）,指示效率也低 。
2,功率曲线由于扭矩 Ttq曲线变化平坦,在一定 n范围内,功率 Pe几乎与转速 n成正比增加 。
3,燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高,ηi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 ηi,ηm达到最大值时,出现 bmin值 。
（ 二 ） 部分负荷速度特性随油量调节机构位置向减小供油量方向移动时,循环供油量减小,使部分负荷速度特性的 Pe,Ttq
值低于外特性 。
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同外特性相似,所以柴油机的部分负荷速度性的 Pe,Ttq曲线是随负荷的减小,
大致平行下降 。
耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。当负荷为 75%左右时，曲线位置最低（小负荷时机械效率低
）。
三,发动机扭矩特性要求发动机的扭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 。 因此,为表明发动机的性能
,引入扭距储备系数和转速储备系数的概念 。
要求油门不变时车速 （ 发动机转速,档位不变 ） 变化较小 。
n
Ttq TR1TR2
1.扭距储备系数要充分表明发动机的动力性能,除给出标定功率及其相应的转速外,还要同时考虑发动机的扭矩特性,从而引入扭距储备系数 μ 和适应性系数 K的概念 。
式中 Ttqmax—外特性曲线上的最大扭矩 （ N?m） ；
Ttq—标定工况下的扭矩 (N?m)。
tq
tq
T
TK m ax?
%1 0 0m a x
tq
tqtq
T
TT?
μ 或 K 值大,表 明 两 扭 矩 之 差
（ Ttqmax - Ttq） 值大,即随转速的降低,
扭矩 Ttq增大越快,从而在不换档的情况下,爬坡能力,克服短期超负荷的能力越强 。
汽油机,μ 值在 10%~30%范围,K值在 1.2~1.4。
柴油机：若不予以校正,则 μ 值只有
5%~10%范围,K值只有 1.05左右,难以满足车辆使用要求 。
（ 二 ） 转速存储设备系数 φn
转速存储设备系数是标定工况时的转速与最大扭距转速的比值 。
式中 nB——标定工况转速；
ntq——最大扭矩转速最大扭矩转速 ntq越低,φn越大,车辆在不换挡的情况下,发动机克服阻力增加的潜力越强 。
一般,汽 油 机 φn=1.15~2.0,柴油机
φn=1.5~2.0。
tq
B
n n
n
（ 三 ） 柴油机扭矩特性的改善柴油机扭矩储备系数小的根本原因是由喷油泵速度特性决定的 。 因此,
柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性扭矩曲线 。
油量校正装置的作用是：当发动机在标定工况下工作时,如果转速因外界阻力矩不断增加而下降,则喷油泵能自动增加循环供油量,以增大低速时的扭矩,提高扭矩储备系数 。
校正方法：
（ 1） 出油阀式校正机构 。
（ 2） 附加在调速器上的弹簧校正机构 。
负荷特性：转速不变,其经济性指标随负荷 （ 可用功率 Pe,扭矩 Ttq或平均有效压力 Pme表示 ） 的变化关系 。
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 。
第三节 发动机的负荷特性一,汽油机负荷特性
1.负荷特性：当汽油机转速不变,而逐渐改变节气门开度,每小时耗油量 B,燃料消耗率 b随负荷 （ Pe,Ttq或 Pme） 而变化的关系 。
2.测取：发动机台架试验 。 测取前应将化油器,点火提前角调整完好；测取时应按规定保持冷却水,润滑油温度在最佳状态 。
3.汽油机靠改变节气门开度,改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化 。 其负荷的调节方法称为,量调节,。
汽油机负荷特性分析
（ 一 ） 燃油消耗率曲线由公式 b=k3/ηitηm可知，燃油消耗率 b的变化取决于 ηit,ηm的变化
。 ηit,ηm随负荷的变化如图所示。
（ 1） ηi
小负荷：残余废气系数高,燃烧缓慢且机体温度低 （ 传热损失增加 ）,效率低 。
负荷过高空燃比减小,
燃烧效率下降,指示效率下降 。
（ 2） ηm
ηm随负荷的增加而迅速增加 。 原因是转速一定而负荷增加时,机械损失功率 Pm
变化不大,指示功率 Pi成正比增加,使
ηm=1—（ Pm /Pi） 增加 。
当发动机空转 （ Pe=0） 时,指标功率完全用于克服机械损失,即 Pi=Pm,则 ηm=0,耗油率 b为无穷大 。
随负荷 （ 节气门开度 ） 增大,由于 ηi,ηm同时上升,
使耗油率曲线迅速下降 。 当 ηiηm达到最大值出现最低耗油率 bmin后,随节气门逐渐增至全开,化油器加浓装置参加工作,供给最大功率混合气,燃烧不完全现象增加,ηi下降,使耗油率又有所增加 。
（二）每小时耗油量 B曲线
B 节气门开度：开度,量混合气成分：除怠速、
全负荷时较浓外，大部分情况变化不大
B几乎随节气门开度增加而增加 （ 前缓,中直
,后急：加浓 ） 。
nKB v4?
理想化油器特性
a＝ 1
二,柴油机负荷特性
1.负荷特性,柴油机转速一定,每小时耗油量 B,有效燃料消耗率 b随负荷 （ Pe、
Ttq或 Pme） 而变化的关系 。
2.测取,台架试验 。 测取时,应将柴油机的供油提前角,冷却水温度,润滑油温度等调整到最佳状态 。
3.柴油机负荷调节方法称为,质调节
” 。
柴油机负荷特性曲线分析
（ 一 ） 耗油率曲线根据公式柴油机耗油率 b随负荷的变化取决于 ηit和
ηm。
mi
e Kb
1
3?
ηm,随负荷增加而上升。
ηi,随负荷增加,每循环供油量 △ b增加,
过量空气系数 α 减小,燃烧不完全程度增大,
使 ηi减小 。 大负荷时,混合气过浓,燃烧恶化,不完全燃烧及补燃增多,使 ηi下降更快,
极小负荷时传热损失增加,ηi 略为下降 。
综上所述,当 Pe=0,ηm=0时,b趋于无穷大 。 随负荷增加,
ηm迅速增加,且远大于 ηi的减少,使 b下降很快 。 当 △ b增加到 1
点位置时,b最小 。 此后再增加负荷,由于 ηi下降较 ηm上升的多,
使 b又有所增加 。 当 △ b增加到 2点时,排气冒黑烟,达到国标规定限值 。 当 △ b超过 2点时,燃料消耗量增大,排放污染严重,
影响发动机寿命,所以,柴油机的最大循环供油量应在标定转速下调整,使烟度不超过允许值 。 超过 3点后 gb由于 ηi下降速度大于燃料增加带来的热量上升,功率反而下降 （ 最大功率点 ）
（ 二 ） 每小时耗油量 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。
B=Pe× be/1000
同一转速下最低耗油率 bmin越小,曲线变化越平坦,经济性越好 。
柴油机 bmin比汽油机 bmin低 (压缩比,绝热指数,空燃比；泵气损失 ）
燃油消耗率曲线比较平坦
（ 指示效率下降缓慢 ）,柴油机低耗油率区比汽油机宽,
柴油机比汽油机经济性好 。
耗油率 b随负荷的增加而降低,
在接近全负荷 （ 常在 80%负荷率左右 ） 时 b达到最小 。
第四节 发动机的万有特性万有特性是以转速 n为横坐标，以扭矩 Ttq或平均有效压力 Pme为纵坐标，在图上画出许多等耗油率曲线、
等功率、边界曲线及特定要求的曲线，组成发动机万有特性 。
一,万有特性的制取根据各种转速下的负荷特性曲线，用作图法可以得到万有特性。
制取不同转速时的负荷特性（至少 8 条），将其以相同的比例尺画在以
me
p 为横坐标以 be 为纵坐标的同一张图上。
（ 2 ）以
me
p 为纵坐标，比例尺与负荷特性图相同，以适当比例尺的转速为横坐标确定万有特性坐标系。
（ 3 ）在负荷特性曲线图上作等油耗线，与每一条负荷特性有一个或两个交点，在万有特性坐标系内找到相应的点。
（ 4 ）把万有特性图上的等油耗点连成光滑曲线，即等油耗线。
（ 5 ）根据 nKp
nivp
me
sme
e
120
10...
3
公式在万有特性图上画出不同值的等功率曲线。
（ 6 ）将外特性中的
me
p 曲线画在万有特性图上构成上边界线，即得到万有特性曲线图。
二,万有特性的应用分析
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使用经济性有很大影响 。
3,图中指标曲线不相交（是等高线，每一点表征一个工况点，而同一工况的指标值只有一个）
4,中心区域（封闭）指标值最低（由鱼钩曲线的特点决定的）即最经济，越外延越差。
5,平行于纵坐标的线上转速不变（负荷特性）
6,平行于横坐标的线上扭矩不变（可以认为是速度特性）
如果等燃油消耗率曲线横向较长,表示发动机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小 。 对于常用中等负荷,中等转速工况的车用发动机,希望其最经济区处于万有特性中部,等燃油消耗率曲线曲线横向较长 。
等燃油消耗率曲线纵向较长,则发动机在负荷变化较大而转速变化较小的情况下的燃油消耗率较小 。 工程机械用发动机,希望最经济区在标定转速附近,等燃油消耗率曲线纵向较长些 。
第五节 发动机的调速特性发动机性能指标随调速器工作状态而变化的关系称调速特性 。
一,柴油机装调速器的必要性保证发动机工作稳定防止超速 （ 飞车 ）
防止怠速熄火二,全程式调速器及调速特性柴油机由最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用，这种调速器即全程式调速器。
（一）调速器工作原理
（二）调速特性三,两级式调速器及调速特性两级式调速器是在最低转速与最高转速时起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车，调速器在中间转速不起作用，由驾驶员通过油门控制供油量。车用柴油机一般采用两级式调速器。
（一）调速器工作原理
（二）调速特性三,两级式调速器与全程调速器的差别全程调速器直接改变起作用转速，加油时起作用转速从 n1，上升到 n2。在二者之间调速器不起作用，油量直接达到最大（外特性），超过 n2后调速器起作用在将油量减小到第 2平衡点。
所以车辆加速度变化较大，乘客不舒服（用于农用车－低速货车）。
对于两极式调速器，驾驶员直接操纵油泵齿条，达到新平衡点的加速度小，
反应快，加速性能好，操纵方便，所以除重型汽车外，一般汽车上常用两极式调速器。
四、调速器的工作指标
（ l ）稳定调速率
2
,转速波动相对于全负荷转速的变化范围。
1,调速率标定
n
nn
13
2
（ 2 ）瞬时调速率
1
,表示过渡过程中转速波动的瞬时增长百分比。
标定
n
nn
12
1
式中
1
n —— 突变负荷前柴油机的转速（ r ／ min ）；
2
n —— 突变负荷时柴油机的最大 （或最小）瞬时转速（ r ／ min ）；
3
n —— 突 变 负 荷 后 柴 油 机 的 稳 定 转 速 （ r ／ min ）；
标定
n —— 柴油机的标定转速（ r ／ min ）。
2 不灵敏度?,两个起作用的极限转速之差与平均转速之比。
n
nn
12
由于主要是调速系统中存在摩擦力所致，因而它还可用下式表示
E
R
F
F
式中
2
n? —— 当柴油机负荷减小时，调速器开始作用时的曲轴转速（ r /m in ）；
1
n? —— 当柴油机负荷增大时，调速器开始作用时的曲轴转速（ r /m in ）；
n —— 柴油机的平均转速（ r /m in ）；
E
F —— 调速器起作用时，作用在推力盘上的推动力；
R
F —— 调速器推力盘移动时所受的摩擦力。
不灵敏度过大时，会引起柴油机转速不稳，在极端的情况下，甚至会导致调速器失去作用，有使柴油机产生飞车的危险。低速时调速器的推动力小，喷油泵调节杆移动时的摩擦力增大，结果调速器不灵敏度。显著地增加。一般规定在标定转速时不超过 1.2％～ 2％，最低转速时不超过 10％～ 13％。
意义
– 发动机作为动力源其工作状态（ n,Ttq）应随所带负载的变化而发生相应的改变。而 n，
Ttq的变化必然会引起运转参数（ a,T,P、
紊流、混合气形成、燃烧过程、充气效率、
循环供油量，指示效率、机械效率）的变化，
从而引起发动机性能（经济性、动力性、排放特性）的变化。
– 揭示发动机性能随工作状态的变化规律可以为优化性能、改进设计提供参考依据。
第一节 发动机工况
一、工况
– 发动机的运行情况，简称工况。工况以转速 n和扭矩 Ttq来表示，
此 Ttq,n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。
第一节 发动机工况
工况分类
– 恒速工作：
转速不变,而功率改变 。 例如,带动发电机工作时,为保证频率的稳定性,要求发动机转速基本不变,功率则随电机负荷大小,可由零变到最大 。
– 流体阻力 （ 螺旋桨 ） 工作：
功率与转速接近三次幂函数关系,Pe=K·n3,K为比例常数 。
带动螺旋桨工作的船用机即属此类,故称螺旋桨工况 。
– 陆上运输：
功率和转速都独立地在很大范围内变化 。
– ① 转速决定车速,可以从最低稳定转速一直变到最高转速；
– ② 扭矩取决于行驶阻力,在同一转速下,可由零变到全负荷；
– ③ 当需要发动机制动时,如汽车下长坡,发动机是由车辆倒拖而做负功 。
第一节 发动机工况二,发动机特性发动机性能指标随 调整、运转 工况而变化的关系称为发动机特性。
性能指标调整工况运转工况调整特性性能特性发动机特性用曲线表示出来则称为特性曲线，特性曲线是评价发动机性能的一种简单、方便、必不可少的形式。
三,有效性能指标与 已知规律参数 的关系目的：推导出性能指标与已知规律参数的关系,
然后用已知的规律去分析性能指标在不同特性
（ 速度特性,负荷特性,调整特性,万有特性 ）
下的变化规律 。
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 b,每小时耗油量 B表示 。
这些指标与发动机工作过程参数中 已知规律参数,α
（ 汽 ）,Δb（ 柴 ）,ηi,ηm,ηv的关系推导如下 。
式中 ηv——充量系数；
ρo——大气状态下空气密度 （ kg/m3） ；
Vs——气缸工作容积 （ m3） ；
α ——过量空气系数；
hu——燃料低热值 （ kJ/kg） ；
Lo——理论空气量 （ kg/kg） 。
o
vsv
L
hvQ
每循环放热量 Q（ kJ） 为
hgQ b
根据平均有效压力 pme（ kPa） 的定义式中 We——每循环有效功 （ kJ） ；
ηe——有效热效率 。
s
e
s
e
me v
Q
v
Wp
vmivmio
oo
ove
me KL
h
L
hp
式中 ηi——指示热效率； ηm——机械效率 。
imb
s
beme gK
V
gp
汽油机柴油机功率（汽）
nKP mive1?
mi
v
tq KT
2?
扭矩 （ 汽）
mi
e Kb
1
3?
燃油消耗率
nKB v4?
小时耗油量（汽）
扭矩（ 柴）
bmitq gKT2?
ngKB b4?
小时耗油量（柴）
功率（柴）
ngKP mibe1?
vmivmiooooveme KL
h
L
hp
imbs beme gKV gp
平均有效压力 pme
第二节 发动机台架实验简介第二节 发动机台架实验简介
测试循环（工况控制）
– 由于轻型、重型车的测试循环不同需要的工况控制也不同（稳态工况、
瞬态工况等）。
基本测量参数：
– 动力性（转速、扭矩，功率）
– 经济性（燃油消耗量，比油耗）
– 排放特性（ CO,NOx,CO2,HC,PM、烟度,A/F）
– 基础数据（进气压力、进气温度、进气量）
– 监控参数（机油温度、机油压力、冷却液温度、涡轮转速、排气温度、
排气背压等）
专业测量
– 发动机缸内压力测量（压电晶体传感器＋采集系统＋示功图分析软件）
– 发动机缸内参数测量（透明发动机“或开窗”＋激光诱导法＋ ICCD＋
后处理软件）
– 发动机振动测量（加速度“振动”传感器＋分析软件）
– 尾气中组份测定（色谱、质谱联机＋标准物质谱库）
第 三节 发动机的速度特性
（ 油门位置一定 ） 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 。 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
,下坡时速度逐渐增加,这时发动机即沿速度特性工作 。
速度特性一般用于评价发动机的动力性：最大功率及扭矩特性 。
第 三节 发动机的速度特性
汽油机速度特性
– 定义：汽油机节气门开度固定不动，其有效功率 Pe、扭矩 Ttq、、燃油消耗率 b、每小时消耗油量 B等随转速 n变化的关系。
– 分类：节气门全开时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。由于节气门的开启可以无限变化，
所以部分负荷速度特性曲线有无数条，而外特性曲线只能有一条。
第 三节 发动机的速度特性
– 测取
发动机台架试验。测取前，应将点火提前角 及化油器调整 完好；测取时，应按规定保持冷却水温度、润滑油温度在最佳状态。
节气门位置固定（一般做含外特性的 8-10个节气门开度），
使发动机达到标定转速测第一点的发动机性能指标。
以特定间隔（一般从标定转速－最低稳定转速等间隔分 8-10
个转速、应包括最大扭矩转速），从高到低依次测取不同转速下对应的发动机性能指标。
将每一节气门开度下的不同转速测量结果绘制成曲线（速度特性曲线并为万有特性曲线提供原始数据。
根据公式可见,Ttq随 n的变化取决于指示热效率 ηi,机械效率 ηm,充气效率
η v与过量空气系数 α
随 n的变化 。
mi
v
tq KT
2?
α
（ 一 ） 外特性曲线分析
1,扭矩曲线变化趋势随着转速 n的增加,扭距 Ttq逐渐增大,出现最大扭距
Ttqmax 后逐渐下降,
且下降程度越来越大
。 曲线呈上凸形状 。
（ 1） 在节气门开度一定时,过量空气系数 a可视为常数 。
（ 2）充气效率
η v在某一中间转速时最大。低速倒流、
高速惯性未充分利用且阻力增加。其余转速时 η v均降低，曲线为上凸形。
α
（ 3） 指示热效率 ηi
转速低,进气流速低,
紊流减弱,使雾化,混合状态较差,火焰传播速度降低；
散热及漏气损失增加,ηi较低转速高时,燃烧过程所占曲轴转角较大,燃烧在较大容积下进行,ηi也较低 。
但变化比较平坦,对 Ttq影响较小 。
α
（ 4）机械效率
ηm 转速增加，消耗于机械损失功增加。因此，随转速升高，机械效率 ηm
明显下降。
α
综合作用的结果是；当转速由低开始上升时,η v,ηit同时增加的影响大于 ηm下降的影响,使 Ttq增加,对应于某一转速时,Ttq达到最大值 。 转速继续增加,由于 η v,ηit,ηm
均下降,因此 Ttq随转速升高而较快的下降,
即 Ttq曲线变化较陡 。
α
2,功率变化趋势
Pe=Ttq?n/9550
当转速由低逐渐升高时,由于 Ttq,n同时增加 Pe增加很快
。 在达到最大扭距转速 ntq后
,再提高转速,由于 Ttq有所下降,使 Pe上升缓慢 。 某一转速时 Ttq?n达最大值 。 此后
,再增加转速,由于扭距下降超过转速上升的影响,Pe
反而下降 。
3,燃油消耗率变化趋势
b=k3/ηitηm
b在某一中间转速当 ηitηm达到最大值时出现最低值 。 当转速较此转速低时,由于 ηm上升弥补不了 ηit的下降,使 b增加 。 转速较此转速高时 ηit,ηm均较低,b也增加 。
（ 二 ） 部分负荷速度特性随着节气门的关小,节流损失增大,充气效率减小,
使部分负荷速度特性的 Pe,Ttq低于外特性值 。
转速越高,充气效率减小的越多,因此,节气门开度越小,随转速增加,扭距,功率曲线下降得越快 。
最大扭矩及最大功率点向低速方向移动 。
第 三节 发动机的速度特性二,柴油机速度特性
– 定义,
喷油泵油量调节机构位置固定不动，柴油机性能指标（主要是功率 Pe、扭距 Ttq、燃油消耗率 b、每小时耗油量 B）随转速 n变化的关系。
– 分类：
外特性：油量调节机构固定在标定循环供油量位置时速度特性称为柴油机标定功率速度特性。
部分负荷速度特性：当油量调节机构固定在小于标定循环供油量各个位置时，所测得的速度特性称为柴油机。
– 测取方法
类似与汽油机
（一）外特性曲线变化趋势扭矩表达式可定性地写成由式可见，柴油机扭距随转速的变化趋势决定于 ηit,ηm、△ b随转速 n变化的趋势。
)(2 qgKT bmitq
（一）外特性曲线变化趋势
1,扭矩曲线变化趋势柴油机的扭矩曲线比汽油机平坦 。
柴油机扭矩曲线的变化趋势,很大程度上决定于每循环供油量随转速变化的情况 。
（ 1） △ q—随转速 n的提高,每循环供油量 △ q增加 。
油泵的速度特性 。
（ 2） η v也是在某一中间转速 n出现最高值 。
(3) 指示效率：低速时油泵压力低雾化差,缸内流动弱
,混合气形成质量差,散热损失率增加,指示效率低；
高速时燃烧过程对应曲轴转角长,定容性差 （ 燃烧迟后
）,指示效率也低 。
2,功率曲线由于扭矩 Ttq曲线变化平坦,在一定 n范围内,功率 Pe几乎与转速 n成正比增加 。
3,燃油消耗率曲线由于柴油机压缩比高,ηi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 ηi,ηm达到最大值时,出现 bmin值 。
（ 二 ） 部分负荷速度特性随油量调节机构位置向减小供油量方向移动时,循环供油量减小,使部分负荷速度特性的 Pe,Ttq
值低于外特性 。
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同外特性相似,所以柴油机的部分负荷速度性的 Pe,Ttq曲线是随负荷的减小,
大致平行下降 。
耗油率曲线的变化趋势基本同外特性。当负荷为 75%左右时，曲线位置最低（小负荷时机械效率低
）。
三,发动机扭矩特性要求发动机的扭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 。 因此,为表明发动机的性能
,引入扭距储备系数和转速储备系数的概念 。
要求油门不变时车速 （ 发动机转速,档位不变 ） 变化较小 。
n
Ttq TR1TR2
1.扭距储备系数要充分表明发动机的动力性能,除给出标定功率及其相应的转速外,还要同时考虑发动机的扭矩特性,从而引入扭距储备系数 μ 和适应性系数 K的概念 。
式中 Ttqmax—外特性曲线上的最大扭矩 （ N?m） ；
Ttq—标定工况下的扭矩 (N?m)。
tq
tq
T
TK m ax?
%1 0 0m a x
tq
tqtq
T
TT?
μ 或 K 值大,表 明 两 扭 矩 之 差
（ Ttqmax - Ttq） 值大,即随转速的降低,
扭矩 Ttq增大越快,从而在不换档的情况下,爬坡能力,克服短期超负荷的能力越强 。
汽油机,μ 值在 10%~30%范围,K值在 1.2~1.4。
柴油机：若不予以校正,则 μ 值只有
5%~10%范围,K值只有 1.05左右,难以满足车辆使用要求 。
（ 二 ） 转速存储设备系数 φn
转速存储设备系数是标定工况时的转速与最大扭距转速的比值 。
式中 nB——标定工况转速；
ntq——最大扭矩转速最大扭矩转速 ntq越低,φn越大,车辆在不换挡的情况下,发动机克服阻力增加的潜力越强 。
一般,汽 油 机 φn=1.15~2.0,柴油机
φn=1.5~2.0。
tq
B
n n
n
（ 三 ） 柴油机扭矩特性的改善柴油机扭矩储备系数小的根本原因是由喷油泵速度特性决定的 。 因此,
柴油机中都采用油量校正装置来改造外特性扭矩曲线 。
油量校正装置的作用是：当发动机在标定工况下工作时,如果转速因外界阻力矩不断增加而下降,则喷油泵能自动增加循环供油量,以增大低速时的扭矩,提高扭矩储备系数 。
校正方法：
（ 1） 出油阀式校正机构 。
（ 2） 附加在调速器上的弹簧校正机构 。
负荷特性：转速不变,其经济性指标随负荷 （ 可用功率 Pe,扭矩 Ttq或平均有效压力 Pme表示 ） 的变化关系 。
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 。
第三节 发动机的负荷特性一,汽油机负荷特性
1.负荷特性：当汽油机转速不变,而逐渐改变节气门开度,每小时耗油量 B,燃料消耗率 b随负荷 （ Pe,Ttq或 Pme） 而变化的关系 。
2.测取：发动机台架试验 。 测取前应将化油器,点火提前角调整完好；测取时应按规定保持冷却水,润滑油温度在最佳状态 。
3.汽油机靠改变节气门开度,改变进入气缸的混合气数量来适应负荷变化 。 其负荷的调节方法称为,量调节,。
汽油机负荷特性分析
（ 一 ） 燃油消耗率曲线由公式 b=k3/ηitηm可知，燃油消耗率 b的变化取决于 ηit,ηm的变化
。 ηit,ηm随负荷的变化如图所示。
（ 1） ηi
小负荷：残余废气系数高,燃烧缓慢且机体温度低 （ 传热损失增加 ）,效率低 。
负荷过高空燃比减小,
燃烧效率下降,指示效率下降 。
（ 2） ηm
ηm随负荷的增加而迅速增加 。 原因是转速一定而负荷增加时,机械损失功率 Pm
变化不大,指示功率 Pi成正比增加,使
ηm=1—（ Pm /Pi） 增加 。
当发动机空转 （ Pe=0） 时,指标功率完全用于克服机械损失,即 Pi=Pm,则 ηm=0,耗油率 b为无穷大 。
随负荷 （ 节气门开度 ） 增大,由于 ηi,ηm同时上升,
使耗油率曲线迅速下降 。 当 ηiηm达到最大值出现最低耗油率 bmin后,随节气门逐渐增至全开,化油器加浓装置参加工作,供给最大功率混合气,燃烧不完全现象增加,ηi下降,使耗油率又有所增加 。
（二）每小时耗油量 B曲线
B 节气门开度：开度,量混合气成分：除怠速、
全负荷时较浓外，大部分情况变化不大
B几乎随节气门开度增加而增加 （ 前缓,中直
,后急：加浓 ） 。
nKB v4?
理想化油器特性
a＝ 1
二,柴油机负荷特性
1.负荷特性,柴油机转速一定,每小时耗油量 B,有效燃料消耗率 b随负荷 （ Pe、
Ttq或 Pme） 而变化的关系 。
2.测取,台架试验 。 测取时,应将柴油机的供油提前角,冷却水温度,润滑油温度等调整到最佳状态 。
3.柴油机负荷调节方法称为,质调节
” 。
柴油机负荷特性曲线分析
（ 一 ） 耗油率曲线根据公式柴油机耗油率 b随负荷的变化取决于 ηit和
ηm。
mi
e Kb
1
3?
ηm,随负荷增加而上升。
ηi,随负荷增加,每循环供油量 △ b增加,
过量空气系数 α 减小,燃烧不完全程度增大,
使 ηi减小 。 大负荷时,混合气过浓,燃烧恶化,不完全燃烧及补燃增多,使 ηi下降更快,
极小负荷时传热损失增加,ηi 略为下降 。
综上所述,当 Pe=0,ηm=0时,b趋于无穷大 。 随负荷增加,
ηm迅速增加,且远大于 ηi的减少,使 b下降很快 。 当 △ b增加到 1
点位置时,b最小 。 此后再增加负荷,由于 ηi下降较 ηm上升的多,
使 b又有所增加 。 当 △ b增加到 2点时,排气冒黑烟,达到国标规定限值 。 当 △ b超过 2点时,燃料消耗量增大,排放污染严重,
影响发动机寿命,所以,柴油机的最大循环供油量应在标定转速下调整,使烟度不超过允许值 。 超过 3点后 gb由于 ηi下降速度大于燃料增加带来的热量上升,功率反而下降 （ 最大功率点 ）
（ 二 ） 每小时耗油量 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。
B=Pe× be/1000
同一转速下最低耗油率 bmin越小,曲线变化越平坦,经济性越好 。
柴油机 bmin比汽油机 bmin低 (压缩比,绝热指数,空燃比；泵气损失 ）
燃油消耗率曲线比较平坦
（ 指示效率下降缓慢 ）,柴油机低耗油率区比汽油机宽,
柴油机比汽油机经济性好 。
耗油率 b随负荷的增加而降低,
在接近全负荷 （ 常在 80%负荷率左右 ） 时 b达到最小 。
第四节 发动机的万有特性万有特性是以转速 n为横坐标，以扭矩 Ttq或平均有效压力 Pme为纵坐标，在图上画出许多等耗油率曲线、
等功率、边界曲线及特定要求的曲线，组成发动机万有特性 。
一,万有特性的制取根据各种转速下的负荷特性曲线，用作图法可以得到万有特性。
制取不同转速时的负荷特性（至少 8 条），将其以相同的比例尺画在以
me
p 为横坐标以 be 为纵坐标的同一张图上。
（ 2 ）以
me
p 为纵坐标，比例尺与负荷特性图相同，以适当比例尺的转速为横坐标确定万有特性坐标系。
（ 3 ）在负荷特性曲线图上作等油耗线，与每一条负荷特性有一个或两个交点，在万有特性坐标系内找到相应的点。
（ 4 ）把万有特性图上的等油耗点连成光滑曲线，即等油耗线。
（ 5 ）根据 nKp
nivp
me
sme
e
120
10...
3
公式在万有特性图上画出不同值的等功率曲线。
（ 6 ）将外特性中的
me
p 曲线画在万有特性图上构成上边界线，即得到万有特性曲线图。
二,万有特性的应用分析
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使用经济性有很大影响 。
3,图中指标曲线不相交（是等高线，每一点表征一个工况点，而同一工况的指标值只有一个）
4,中心区域（封闭）指标值最低（由鱼钩曲线的特点决定的）即最经济，越外延越差。
5,平行于纵坐标的线上转速不变（负荷特性）
6,平行于横坐标的线上扭矩不变（可以认为是速度特性）
如果等燃油消耗率曲线横向较长,表示发动机在负荷变化不大而转速变化较大的情况下油耗较小 。 对于常用中等负荷,中等转速工况的车用发动机,希望其最经济区处于万有特性中部,等燃油消耗率曲线曲线横向较长 。
等燃油消耗率曲线纵向较长,则发动机在负荷变化较大而转速变化较小的情况下的燃油消耗率较小 。 工程机械用发动机,希望最经济区在标定转速附近,等燃油消耗率曲线纵向较长些 。
第五节 发动机的调速特性发动机性能指标随调速器工作状态而变化的关系称调速特性 。
一,柴油机装调速器的必要性保证发动机工作稳定防止超速 （ 飞车 ）
防止怠速熄火二,全程式调速器及调速特性柴油机由最低转速到最高转速的宽广范围内，调速器都起作用，这种调速器即全程式调速器。
（一）调速器工作原理
（二）调速特性三,两级式调速器及调速特性两级式调速器是在最低转速与最高转速时起作用，以防止发动机怠速不稳和高速飞车，调速器在中间转速不起作用，由驾驶员通过油门控制供油量。车用柴油机一般采用两级式调速器。
（一）调速器工作原理
（二）调速特性三,两级式调速器与全程调速器的差别全程调速器直接改变起作用转速，加油时起作用转速从 n1，上升到 n2。在二者之间调速器不起作用，油量直接达到最大（外特性），超过 n2后调速器起作用在将油量减小到第 2平衡点。
所以车辆加速度变化较大，乘客不舒服（用于农用车－低速货车）。
对于两极式调速器，驾驶员直接操纵油泵齿条，达到新平衡点的加速度小，
反应快，加速性能好，操纵方便，所以除重型汽车外，一般汽车上常用两极式调速器。
四、调速器的工作指标
（ l ）稳定调速率
2
,转速波动相对于全负荷转速的变化范围。
1,调速率标定
n
nn
13
2
（ 2 ）瞬时调速率
1
,表示过渡过程中转速波动的瞬时增长百分比。
标定
n
nn
12
1
式中
1
n —— 突变负荷前柴油机的转速（ r ／ min ）；
2
n —— 突变负荷时柴油机的最大 （或最小）瞬时转速（ r ／ min ）；
3
n —— 突 变 负 荷 后 柴 油 机 的 稳 定 转 速 （ r ／ min ）；
标定
n —— 柴油机的标定转速（ r ／ min ）。
2 不灵敏度?,两个起作用的极限转速之差与平均转速之比。
n
nn
12
由于主要是调速系统中存在摩擦力所致，因而它还可用下式表示
E
R
F
F
式中
2
n? —— 当柴油机负荷减小时，调速器开始作用时的曲轴转速（ r /m in ）；
1
n? —— 当柴油机负荷增大时，调速器开始作用时的曲轴转速（ r /m in ）；
n —— 柴油机的平均转速（ r /m in ）；
E
F —— 调速器起作用时，作用在推力盘上的推动力；
R
F —— 调速器推力盘移动时所受的摩擦力。
不灵敏度过大时，会引起柴油机转速不稳，在极端的情况下，甚至会导致调速器失去作用，有使柴油机产生飞车的危险。低速时调速器的推动力小，喷油泵调节杆移动时的摩擦力增大，结果调速器不灵敏度。显著地增加。一般规定在标定转速时不超过 1.2％～ 2％，最低转速时不超过 10％～ 13％。
