空载特性曲线

今天研究了一下发动机理论，本着程序员精神，仔细分析了一下发动机工况图，头脑中出现了一个难以解释的疑惑，还请大家来帮忙答疑解惑。

1 发动机外特性理论

当汽油机的节气门开度一定，其有效功率、有效转矩、耗油率等性能指标随转速变化而变化的关系成为发动机的速度特性。

节气门全开时的速度特性成为外特性。

测取方法：节气门保持不变，改变发动机的外部负荷，在不同转速下测出各稳定工况的有效功率、有效转矩、耗油率，并绘制出曲线。

2 测量过程

首先把节气门固定到最大开度，并在整个测量过程中保持不变，同时让发动机空载运行。假设稳定后发动机的转速为7000转/分。

此时得到数数据：

负荷 发动机转速

0 7000

然后开始一点点增加发动机的负荷，增加负荷必然会导致发动机转速降低，假设现在负荷是100Nm，此时发动机稳定运转的转速为6000转/分，于是我们得到数据：

负荷 发动机转速

100 6000

显然发动机稳定运转时，负荷=发动机的有效扭矩。继续增加负荷，转速一定也会继续下降，然后我们得到如下数据：

负荷 发动机转速

200 5000

300 3000

400 2000

500 1000

当负荷加到600时，发动机被迫停止了。

把上述数据绘制成曲线：

节气门不变的情况下，随着负载的增大，必然导致转速下降，上述曲线体现了这个过程。

3 大大的疑问

然而实际的外特性曲线却不是这样的，例如下图是一个实际发动机的外特性曲线图。

可以看出输出扭矩和转速的关系曲线并不是一条平顺的曲线，而是出现了拐点。上图中转速800-1000这段曲线中，输出转矩增加的同时，发动机转速也在增加。也可以这么说：节气门开度不变的前提下，负荷增加却导致了转速也在增加。这显然有悖常理!!

同样的，也会出现这样的疑问：

上图中的A、B两点处的输出扭矩相同，但是发动机却稳定在不同的转速上。

也许有人说工况图上的输出转矩不等同于给发动机加的负荷，那么图上的纵坐标究竟是什么?有一点可以肯定：只有外部负荷造成的阻力转矩等于发动机的输出转矩时，发动机才能稳定运转的转速上。

还请大神们为我答疑解惑，不胜感激!

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想了一下午突然顿悟了。

问题出在假想的测量过程是不符合实际的。

负荷 发动机转速

0 7000

100 6000

200 5000

300 3000

400 2000 (不可能出现)

500 1000 (不可能出现)

实际情况是：

假设当负荷增加到300后，发动机稳定到转速3000上。此时，如果把负荷继续增大，会导致转速降低，这没问题。关键是，此时转速的降低恶化燃烧效率，会进一步减小发动机的输出转矩，又加速了转速的降低，这是一个恶性循环的过程，最终会导致发动机停止转动。为了保持发动机能稳定转动而不是停掉，此时必须减少负荷了。比如减少到200，此时发动机又稳定运行到了2000转/分的转速上了。

负荷 发动机转速

0 7000

100 6000

200 5000

300 3000(再增加负荷，就会导致停机)

200 2000

2000转/分这个点也是比较特殊

(1)此时如果继续减小负载，当然发动机转速就会增加，增加了转速会导致燃烧充分，进而增加了输出转矩。这是一个良性的循环过程。

(2)此时如果增大负载，当然发动机转速就会降低，那个恶性循环就会开始，最终导致停机。

所以此时的测量比较有意思，有两个选择：

(1)先稍稍增大负荷比如210，然后发动机转速降低，恶性循环开始。然后为避免停机，再大幅降低负荷，比如100。然后就会稳定转动到一个低于2000的转速上，比如1000.

于是得到：

负荷 发动机转速

100 1000

(2) 降低负荷，比如100，此时发动机必然加速，加速后燃烧更充分，输出转矩更大，又继续加速。如果此时负荷不再变化，那么发动机会一直加速到6000转/分，此时发动机内部阻力平衡了燃烧的正面影响，发动机稳定到6000转运行。

于是得到。

负荷 发动机转速

100 6000

由于6000转时的负荷已经测过一次了，所以(2)这种方式不会在实际测量中采用。

汇总我们的数据如下：

负荷 发动机转速

0 7000

100 6000

200 5000

300 3000(再增加负荷，就会导致停机)

200 2000

100 1000

看到没有，确实会出现：节气门、负荷都相同的情况下，发动机可以稳定运转到不同的转速下。以负荷100为例：

发动机可以稳定运行到1000转/分，也可以稳定运行到6000转/分。在1000转/分时，主要是燃烧不好导致输出转矩小，而在6000转/分的时候，主要是发动机内部阻力导致输出的转矩变小。

前面分析中的良性循环和恶性循环阶段就是发动机不稳定的阶段。下图是速腾1.8T发动机外特性曲线。

下面来看看它的实际运用，假设汽车要爬一个坡。

按照不同情况分析：

(1)车子距离坡入口20米，此时踩死油门，发动机加速来到入口处，但是发动机此时尚未到达2000转/分。坡度导致发动机负载增大，转速降低，输出转矩进一步降低，转速急剧降低，恶性循环开始。最后发动机熄火，汽车没有成功越过坡。

(2)车子距离坡入口50米，此时踩死油门，发动机加速来到入口处，此时发动机转速已经达到3500转/分。坡度导致发动机负载增大，转速降低，此时转速的降低并没有导致输出转矩的降低，转速降低的并不是很快，车子成功越坡。

(3)车子距离坡入口100米，此时踩死油门，发动机加速来到入口处，此时发动机转速已经达到4500转/分。坡度导致发动机负载增大，转速降低，但是转速的降低却导致了发动机输出转矩的增加，所以转速会降低的很慢，能顺利越过坡路。