车辆系统仿真：发动机负荷特性

内燃机的负荷特性是指当内燃机的转速不变时，性能指标随负荷而变化的关系。这时，性能指标主要指燃油消耗率ge，有时也加上燃油消耗量B和排气温度等。由于转速不变，内燃机的有效功率Pe、转矩Ttq与平均有效压力pme之间互成比例关系，均可用来表示负荷的大小。负荷特性是在内燃机试验台架上测取的，包括充量系数φc、过量空气系数φa、指示热效率ηit、机械效率ηm、ge和B随负荷Pe的变化规律。

负荷特性是内燃机的基本特性。利用负荷特性可以确定在指定转速下的最大许用负荷，确定最低有效燃油消耗率及其对应负荷，确定能经济工作的负荷范围。

1.柴油机

图7.2.1（a）为一些参数随负荷的变化关系，图7.2.1（b）为某一转速下柴油机的负荷特性曲线。

图7.2.1　柴油机负荷特性（图中be等同于ge）

（a）各参数随负荷变化；（b）负荷特性曲线

负荷Pe＝0时，be趋于无穷大。随负荷增加，be明显下降。当负荷增加到一定程度时，be变化也较平缓。负荷较大时，be呈缓慢上升趋势。图7.2.1（b）中点1为be的最低点。当负荷加大到点2时，因循环供油量较大，会出现燃烧不良，排气中黑烟明显增加，活塞、燃烧室表面积炭，发动机过热，可靠性和耐久性受损。当排气烟度达到国家标准允许值时的柴油机负荷称为冒烟界限。在实验室条件下，如果拆除油量限制机构，继续增加负荷与循环供油量，则由于燃烧恶化，有效燃油消耗率be迅速上升，排黑烟也进一步加剧，至点3，达到该转速下的最大负荷，即该转速下的极限功率。此时，若阻力矩再加大，则内燃机转速会迅速降低。若再增加供油量，则由于过量空气系数φa过小，工作过程十分恶化，内燃机转矩反而下降，如图中3点至4点所示，此时be值更高。

2.汽油机

汽油机采用改变进入气缸混合气数量的方法来调节负荷，负荷大时，节气门开度大，进入气缸的混合气多。因此，随着负荷的改变，充量系数φc、过量空气系数φa和指示热效率ηit的变化与柴油机有明显区别，如图7.2.2所示。(www.xing528.com)

当汽油机负荷减小时，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相对增多，为保证燃烧稳定，不得不加浓混合气，导致be上升尤为明显；当汽油机的负荷接近全负荷时，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。

图7.2.2　汽油机负荷特性

（a）各参数随负荷变化；（b）负荷特性曲线

3.燃气轮机

图7.2.3是三轴燃气轮机的最佳负荷特性，由于涡轮压气机转速与发动机功率呈线性关系，因此用高压涡轮转速来描述负荷变化。燃油消耗率ge随涡轮转速下降和负荷减小而呈线性增加，也就是说，发动机功率较小，发动机效率越低，ge也就越高；高压涡轮转速越低，ge成倍增加。因此，燃气轮机低负荷时经济性变差是其明显的缺点，通过增加回热器可以得到有效的改善。

图7.2.3　三轴燃气轮机的最佳负荷特性

nTCⅠ—低压涡轮压气转速；nTCⅡ—高压涡轮压气机转速；nPTO—最佳的动力涡轮转速。