车载发动机特性和效率详解

车辆行驶源于发动机输出轴所提供的动力，该动力可通过发动机输出轴的扭矩、转速和功率来描述。发动机油门处于最大位置时，发动机输出轴的扭矩和转速工作在外特性，即额定工况，属于线工况；发动机油门处于大于怠速、小于最大供油的某一确定位置不变时，发动机输出轴的扭矩和转速工作在部分特性，也属于线工况；发动机油门处于大于怠速、小于最大供油的区间变化时，发动机输出轴的扭矩和转速工作在部分特性区域，属于面工况。该发动机速度特性曲线即为发动机的动力学模型，它是车辆动力性计算的基础和前提，源于发动机出厂试验数据。

由于发动机辅助系统和附件传动的工作需要，装车发动机输出轴使用功率往往低于台架试验功率，存在损耗，损耗大小与发动机型式和结构相关。

车用发动机主要有汽油机、柴油机和燃气轮机，不同型式发动机其特性和效率也有所区别。

1.工作范围

内燃机输出轴转速可在最低空转转速nmin到最高空转转速nmax之间变化。最低转速由内燃机工作稳定的状况来确定，最高转速受到工作循环进行的品质、共同工作的压气机、涡轮和活塞组惯性负荷的增长，以及传动装置特性的制约。

在每一转速工况下，内燃机的有效功率可以从零变化到该转速所能发出的最大功率。当转速一定时，可以用改变燃料供给的数量或可燃混合物的数量来改变功率。

如图7.1.1所示，曲线1表示在油门操纵机构处于最大位置时的功率变化关系，即Ne＝f（n）；曲线3表示了内燃机制动功率的变化，即NT＝f（n）；曲线2表示了当内燃机喷油泵的全程式调速器限制循环供油量时功率的变化关系。整个阴影区为内燃机所有可能的工作范围。

2.外特性

发动机的性能常用速度特性来表示。

将调整供油量的机构固定在一定位置时，内燃机的主要指标有效功率Ne、输出扭矩Me、小时耗油量GT、燃油消耗率Ge与曲轴或动力涡轮转速的关系，称为发动机的速度特性。

当油门全开（汽油机）或者最大供油（柴油机）时，发动机的转矩、功率和转速之间的关系，叫作发动机的外特性，如图7.1.2所示。

图7.1.1　发动机工作允许的范围

1—外特性；2—调节特性；3—制动特性。

图7.1.2　发动机（柴油机）的外特性

发动机的外特性是计算车辆动力性和加速性的依据，外特性曲线上有3个工作点特别重要，即额定功率PeP及其相应的额定转速neP、相应的额定功率点转矩TeP；最大转矩Temax及其相应的最大转矩点转速neT；最小稳定转速nemin，它是发动机有负荷时，能够持续工作10 min以上的最小转速，低于此转速时，发动机就会熄火。柴油机nemin≈500～700 r／min；汽油机nemin≈400～900 r／min。

当油门部分开启（汽油机）或者部分供油（柴油机）时，发动机的转矩、功率和转速之间的关系，叫作发动机的部分特性。

发动机的外特性由实验台测定，在实验台上测出各种工况下的转矩Te和相应的转速ne，然后按下式计算相应的功率：

式中　Te——发动机转矩（N·m）；

ne——发动机转速（r／min）。

当测出发动机的转速、转矩，计算出相应的功率后，就可求出Te＝f（ne）和Pe＝f（ne）两条曲线。通常实验台测定的外特性是比较准确的。如果在坦克设计初期没有具体实验数据，只知道PeP和其相应的neP等性能指标时，可用下面一些经验公式计算发动机外特性。

汽油机　　

直喷式柴油机　　

预燃室式柴油机　　

这些经验公式是根据一定结构的发动机外特性总结归纳出来的，是近似估算公式。

1）柴油机

当喷油泵齿杆伸出并固定在规定的最大供油位置时，所获得的发动机主要指标与曲轴转速的关系，称为柴油机的外特性。如图7.1.3所示，扭矩Me随着转速的下降而上升，当扭矩达到最大扭矩值Memax时，此时的转速nM称为最大扭矩转速。有效功率Ne随着转速的增加而增加，当发动机有效功率达到最大值，此时的转速nN称为最大有效功率转速，扭矩MeN称为最大有效功率扭矩。当曲轴转速进一步提高时，Ne值下降，惯性负荷增加，燃油经济性变坏，此时发动机的工作是不合理的。而当n＝nD，即称为飞车的转速时，发动机有效功率变为零，在这种工况下，全部指示功率完全消耗于克服发动机本身的机械损失。因此，当n＞nD时，对于每一种发动机而言（柴油机或燃气轮机），都采用燃油自动调节装置（即调速器）调节确定最大调整转速nmax，当转速超过nmax时，调节装置减少燃油供给限制曲轴或动力涡轮转速继续增加，直至完全断油，发动机处于制动工况，如下陡坡行驶。

图7.1.3　柴油机的外特性(www.xing528.com)

2）汽油机

汽油机的速度特性基本类似于柴油机，是在节气门位置保持恒定时取得的。

图7.1.4为一台汽油发动机外特性中的功率与转矩特性曲线。图7.1.5是汽油机外特性及部分负荷特性的功率与转矩曲线，曲线上的数字为节气门开度百分比，相应的曲线便是各个节气门开度下的发动机转矩与功率。

图7.1.4　汽油发动机外特性中的功率与转矩特性曲线

图7.1.5　汽油机外特性部分负荷特性的功率与转矩曲线

3）燃气轮机

当涡轮压气机处在最大工况下，有效功率Ne、扭矩Me、燃油消耗率ge与动力涡轮转子转速的关系称为燃气轮机的外特性。

图7.1.6　GTD－1250燃气轮机外特性曲线

图7.1.6和图7.1.7显示了车用带自由涡轮涡轴式燃气轮机的功率、扭矩与动力涡轮转速之间的关系。其中，扭矩与转速呈线性关系，随转速减小，扭矩增加，扭矩储备系数大；同时，转速在接近于零时具有最大扭矩，显示出气动变矩器的良好特性；在60%～100%区域，表现出等功率特性。

3.发动机适应性

发动机的适应性是指在不换入低挡的情况下，车辆能够克服外界运动阻力的能力。发动机对外部负荷的适应性，通常用适应性系数ETS表征。

ETS＝ET ES，

式中　ET——扭矩储备系数；

ES——转速储备系数。

扭矩储备系数ET＝Memax／Men。发动机外特性中扭矩特性曲线越陡，ET值就越大；即随运动阻力的增加，发动机速度变化越小，适应性就越好，对应车辆每个排挡提供的牵引力范围就越大。对于没有专门油量校正器的柴油机而言，ET＝1.1～1.2；对于涡轮增压并带有专门调节的柴油机，ET值能够达到1.5或更高。对于汽油机，ET＝1.2～1.4；对于燃气轮机，有的可达到1.8～2.5。

图7.1.7　GTD－1250燃气轮机扭矩特性

转速储备系数ES＝nN／nM。对于自然进气柴油机而言，ES＝1.48～1.73；增压柴油机，ES＝1.42～1.67；对于车用带自由涡轮的涡轴燃气轮机，因其动力涡轮转速可降至很低甚至可以为零，所以其ES值很大。

图7.1.8　燃气轮机与柴油机扭矩特性对比

图7.1.8为柴油机与燃气轮机扭矩特性的对比，发动机的适应性系数ETS越大，车辆可获得的牵引特性越好；变速箱中的每个排挡就可以保证车辆在地面阻力变化范围较大的情况下以相应不同的速度行驶，从而可以减少换挡次数，提高车辆平均速度，减少功率损失。

4.动力装置功率损失与效率

发动机的台架实验一般不安装冷却风扇、空气滤清器和排气管等辅助装置。当发动机装到坦克上实际使用时，应考虑这些装置的功率损失。对车辆行驶起直接作用的是发动机的净输出功率，即发动机有效功率与动力装置效率的乘积。

有效功率都是在台架上测定的，主要指曲轴或输出轴的功率，不包含冷却风扇、空气滤清器和排气管等辅助系统损失。动力装置损失主要由冷却风扇、空滤和排气产生，柴油机冷却风扇所消耗功率约为发动机标定功率的6%～15%，而有的燃气轮机本体上装有冷却风扇，其输出轴功率不含此附件功率，无此项损失；有的燃气轮机（如AGT－1500）也装有冷却风扇，其输出轴功率含此附件功率，但此项损失小，为4%～9%；柴油机空滤所消耗功率约为发动机标定功率的2%～4%，而燃气轮机为保证进气畅通，空滤一般为旋风筒式，其进气损失比较低，约为发动机标定功率的1%～2%；柴油机排气所消耗功率为发动机标定功率的1%～2%，而燃气轮机为保证排气畅通，排气管变化小，损失比较低，为发动机标定功率的1%。综上所述，在发动机标定工况下动力装置效率：柴油机为0.8～0.9；燃气轮机为0.88～0.97。

在计算发动机任意转速ne的动力装置总功率损失Ps时，可由下式决定，即

式中　Psmax——发动机转速为neP时，动力装置损失的总功率，也是最大功率损失；它在（0.1～0.2）PeP范围内变化，PeP为发动机的额定转速neP工作时动力装置的额定功率。