如何深度理解发动机特性曲线？

我们买车时如果关心动力性的话都会去看发动机的最大扭矩和最大功率，这个最大扭矩或者最大功率表示了这台发动机的最大输出能力，而且很多厂家会在用户手册里用折线图的形式表示发动机的功率和扭矩曲线，这个图就叫做发动机外特性曲线。

为什么叫做外特性曲线呢？看上图，蓝色曲线是发动机的扭矩曲线，它表示发动机输出扭矩和转速的对应关系。如果工程师把不同节气门开度和不同转速下的发动机扭矩都在图中标出来的话我们就能看到发动机扭矩会有无数个点组成，而在这个点组成的区域内我们选择最外侧的数据最大的点，将他们连起来，这就是发动机扭矩的外特性曲线了。代表了节气门全开的情况下发动机所能输出的最大扭矩。

所以我们看到的外特性曲线都是发动机的最大能力，这是节气门全开的情况下测出来的。比如上图这台发动机最大扭矩大约是155，对应转速为4000，而我们平时开车时虽然转速到了4000但是油门只要没完全踩下去那么发动机输出扭矩仍然达不到155。我们平时能用到的扭矩范围都是蓝色区域，节气门开度越小使用到的区域越靠下。因为发动机输出扭矩取决于进气量和喷油量，低转速和过高转速情况下进气效率并不高，所以扭矩曲线就表现为两端低中间高。而涡轮增压发动机因为有增压器保证进气量，所以其扭矩会出现一个平台。

而发动机功率曲线则是一直上升的，功率和转速、扭矩成正比，转速一定的情况下扭矩越大功率越大，扭矩一定的情况下转速越高功率越大。像F1的发动机排量并不大，但是其功率完爆汽车，其中一个因素就是超高的发动机转速，这类发动机采用大缸径小冲程设计，转速可以拉到很高，功率就提升了。

如何深度理解发动机特性曲线？

在说明这个问题之前，我们首先来了解几个基本概念。

1、发动机有效功率：发动机在单位时间对外输出的有效功称为有效功率。发动机功率是发动机性能最重要的指标，汽车的最高车速就是由发动机功率决定的。通常用大写的字母P来表示。

2、有效转矩：在发动机飞轮上对外输出的转矩称为有效转矩。一般发动机的扭矩越大，它的加速能力和爬坡能力越强。通常用大写的字母M来表示。

3、发动机转速：发动机曲轴每分钟的回转数称为发动机转速。发动机转速的高低，关系到单位时间内作功次数的多少。通常用小写的字母n来表示。

4、有效燃油消耗率：发动机每输出 1kW 的有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率。显然，有效燃油消耗率越低，发动机的经济性越好。通常用小写的字母g来表示。

以上这几个参数，是发动机重要的性能指标，可以用来表示发动机的工作状况，简称工况。它们之间有如下的关系：

P=M*n/9550

由于汽车发动机的工况变化范围很大，所以这几个参数也可以在很大的范围内变化，而研究它们之间的变化规律，可以找出提高发动机动力性和经济性的有效途径。这就是所说的发动机特性。

所谓的发动机特性，是指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规律。表示其变化规律的曲线称为发动机特性曲线。一般发动机有速度特性、负荷特性、调整特性、万有特性这几个特性。由于柴油机和汽油机有很大的区别，所以它的特性曲线也有所不同。下面我们以最常见的汽油机分别来说说这几个特性。

一、汽油机的速度特性

所谓的速度特性，是指在发动机点火系统和燃油供给系统调整到最佳的条件下，在节气门开度不变时，发动机的有效功率、有效扭矩、有效燃油消耗率随发动机转速而变化的关系。表述上述关系的曲线称为速度特性曲线。当节气门全开时的速度特性称为发动机的外特性，它表示发动机的最高性能；节气门部分开启时的速度特性称为发动机部分特性。部分特性曲线位于外特性曲线之下，有无限多条。由于汽车发动机经常在部分负荷下工作，所以研究部分特性曲线更有实际意义，一般发动机要做出标定功率的90%、75%、50%、25%的速度特性。

那么我们如何来解读这个速度特性曲线呢？

1、有效扭矩曲线的变化趋势：随着发动机转速的增加，有效扭矩逐渐增大，当出现最大扭矩后逐渐下降，且下降程度越来越大，整个曲线呈中间高、两边低的中凸形状。

汽油机的扭矩曲线主要取决于进入气缸的混合气的数量。而转速变化会直接影响发动机的充气系数。转速低了进气惯性不足，转速高了进气阻力增加，所以转速过高或过低都会导致发动机扭矩下降。对于传统的固定配气相位的配气机构来说，只能保证发动机在某一个转速区间内有最佳的充气系数，这就是我们常说的发动机最佳工作区间。而使用了可变配气正时机构的发动机可以在更大的范围内调整最佳充气系数，所以这样的发动机有更高的性能。另外，发动机转速越高，机械效率越低，功率损失增加，有效扭矩也会随之下降。这就是有效扭矩曲线呈中间高、两边低的原因。

一般来说，有效扭矩曲线中间突起部分越高越平缓，表示发动机的扭矩特性越好，最大扭矩持续的转速范围越宽，说明发动机的持续加速能力越好，这种发动机的操纵性越好，汽车越好驾驭。如果在低速时便拥有较大的扭矩，表明汽车的起步性能比较好；如果在中高速时才拥有较大扭矩，那它可能是一台高速性能的发动机，在高速行驶时特性较佳。

在这里要特别说一下增压发动机和自然吸气发动机的扭矩曲线的区别。现在越来越多的车型搭载涡轮增压发动机，大家在驾驶这样的车型时，都会有一个感觉：在发动机转速较低时，汽车动力较差；在转速上升到某一个数值时，汽车的动力突然增加，并且这个动力会平稳的维持一段时间；如果转速超过了某一个数值，汽车的动力又会突然的下降。这其实就是由于涡轮的介入与退出导致的，在涡轮的介入与退出的瞬间，发动机的充气系数会有非常明显的变化，导致发动机的扭矩剧烈变化，所以它的扭矩曲线呈现阶梯状。而自然吸气发动机就不会有这样的状况，它的扭矩变化是非常平顺的，扭矩曲线也是一条相对平直的曲线。

2、有效功率曲线的变化趋势：由于发动机有效功率与有效扭矩以及转速成正比，即P=M*n/9550。所以当转速增加时，由于有效扭矩和转速同时增加，所以有效功率增加的很快；直到有效扭矩达到最大值时，由于M的下降使有效功率P上升缓慢；随着转速的继续增加，有效功率达到最大值，随后由于有效扭矩M的下降影响超过了转速n上升的影响，所以有效功率也随之下降。所以发动机的有效功率曲线是一条较为陡峭的上升曲线，只是在末端略有下降。

3、有效燃油消耗率曲线的变化趋势：由于发动机转速的增加使每小时燃油消耗量增加，但是发动机在中等负荷及转速的条件下，机械效率是最高的，此时供给的可燃混合气也是经济型的，燃烧效率最高，因此发动机在中等负荷及转速的条件下有些燃油消耗率最低，有效燃油消耗率的曲线就呈一种两边高、中间低的下凹形状。这也就是很多人说的汽车以中等速度行驶最省油的原因。

二、汽油机的负荷特性

所谓的发动机负荷特性是指在发动机转速不变的条件下，燃油经济性指标随发动机负荷而变化的关系。由于汽油机的负荷调节方式是“量调节”，即控制进入发动机的混合气的数量多少，所以研究负荷特性，可以了解在各种负荷条件下发动机的经济性，从而确定在何种负荷率下发动机的经济性最好。（所谓的负荷率，是指发动机在一定转速下实际发出的功率与节气门全开时的最大功率之比的百分数。可以近似的看成节气门的开度）。在特性曲线图上有每小时燃油消耗量曲线和燃油消耗率曲线。

1、每小时燃油消耗量曲线的变化趋势：汽油机转速一定时，每小时耗油量主要取决于节气门的开度和混合气的成分，随着节气门开度的加大，进气量增加，虽然混合气浓度会降低，但耗油量会迅速增加。当节气门接近全开时，混合气开始加浓，耗油量上升的趋势更快。

2、燃油消耗率的变化趋势：当发动机空转时，输出功率为零，机械效率为零，所以燃油消耗率趋于无穷大；随着节气门开度的加大，输出功率增加，换气损失下降，机械效率上升，燃油消耗率下降很快，在某一开度时达到最低点；当节气门开度继续增大，接近于全开时，混合气开始加浓，不完全燃烧增加，燃料消耗率又随之增大。总体来说就是：燃油消耗率曲线上升的越慢越好，最低值越低越好。

三、汽油机的调整特性

发动机的性能指标随调整情况而变化的关系称为调整特性。对于汽油机来说，主要有点火提前角调整特性和燃料调整特性，即改变点火提前角和燃油标号，发动机的功率和扭矩也会发生一定的变化。对于现在的电控燃油喷射发动机来说，点火提前角是自动控制的，无需调整，所以点火提前角调整特性已经名存实亡了；燃料调整特性主要是指发动机使用不同标号的汽油，动力性和经济性都会有一定的变化，一般来说，使用的汽油标号越高，发动机的动力性和经济性越好。

四、汽油机的万有特性

发动机的速度特性和负荷特性只能反映发动机在某一个工况下的发动机性能，但是发动机在实际运行中工况变化范围是非常大的，因此为了综合评价发动机在各种工况下的性能，人们引入了万有特效的概念。万有特性曲线就是将发动机的多条性能曲线综合在一张坐标图上，全面的描述发动机的各种性能。如下图所示，横坐标表示发动机转速，纵坐标表示扭矩或者平均有效压力，图中的各条曲线表示的是等油耗率曲线和等功率曲线。

从万有特性曲线图上，可以看出发动机在任何转速与负荷下的运行关系，并可进行经济性分析。最内层的等油耗率曲线相当于最经济的区域，曲线越向外，表示发动机的经济性越差。若等油耗率曲线在横坐标方向较大，则表明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，则表明发动机在负荷变化较大而转速变化较小的情况下运行时，燃油消耗率较小。对于普通的车用发动机，希望最经济的区间最好位于万有特性曲线的中间位置，并使燃油消耗率曲线在横坐标方向长一些，使常用转速和负荷曲线落在最经济的区域。

以上是对汽油发动机特性的分析。对于柴油发动机来说，同样也有这四种发动机特性，但是柴油发动机在较低的转速下就可以实现大扭矩输出，同时燃油经济性也较好，所以它的特性曲线比汽油发动机更合理。

对于我们普通的车主来说，最有意义的是速度特性和万有特效。从速度特性曲线上我们可以看出发动机的最高性能，同时也能看出发动机最大扭矩的工作区间，从而确定汽车的换档转速；从万有特性曲线上可以看出发动机的经济性，同时也能看出发动机最经济的工作区间，我们在开车时经常让发动机在这个区间内工作，就可以实现节油的效果。

如何深度理解发动机特性曲线？

发动机特性曲线实际上就是发动机外特性曲线，可以理解为发动机外部极限功率扭矩表现曲线，发动机外特性曲线是反映发动机在节气门全开、油门踩到底的时候的功率和扭矩输出特性，这个曲线是通过制动试验台架测出的，表示发动机所能得到的最大动力性能。

发动机外特性曲线一般包括三个变量，分别是曲轴转速、发动机功率、发动机扭矩。有些车企还会把油耗作为变量也放入外特性曲线里，来衡量发动机在不同功率输出时的油耗。如上图，X轴表示发动机曲轴转速（rpm），两个Y轴分别表示发动机扭矩（N.M）和发动机功率（KW）。

实际上这三个变量之间是可以换算的：功率=扭矩*发动机转速/9550，其中9550是一个常量，在发动机外特性曲线里，通过功率变化曲线来衡量发动机在不同转速区间的加速能力、极速能力、载重量，通过扭矩的变化衡量发动机的负载能力，比如爬坡、超车能力。

1000RPM时起始功率和扭矩

一般来说，我们看发动机外特性曲线时，首先应该关注的点是发动机在1000RPM时开始的扭矩和功率，数值越大，代表发动机的低速扭矩和功率越好，上图是哈弗1.5T涡轮增压发动机的发动机外特性曲线，蓝色曲线代表扭矩变化，红色曲线代表功率的变化，在发动机在1000RPM时，发动机扭矩约为137NM，功率为57KW，在1500RPM时，曲线的起点数值越大，发动机低转速扭矩和低转速功率输出越大，性能越好，1000rpm到1500rpm之间的扭矩曲线坡度越大，说明发动机动力响应性越好。

涡轮发动机介入点和泄压点的扭矩值和功率

对于涡轮增压发动机来说，有一个很显著的特性，就是在涡轮增压器正压时，扭矩会达到峰值，如上图，大约在1500RPM时，对应扭矩达到最大250牛.米, 这个最大扭矩一直持续到3500RPM，之后涡轮增压器开始泄压，此时扭矩开始下降，一般来说，涡轮增压器介入点转速越低，说明涡轮惯量越小，最大扭矩持续转速区间长的发动机理论上其峰值功率越大。这个持续区间越长，说明发动机的后备动力储备越好，日常超车、急加速的能力越好。

发动机最大输出功率转速

如上图，HF 1.5T涡轮增压发动机的最大功率输出转速大约在4500RPM，最大功率转速越小，对于发动机输出有效功率越有利，最大功率值越大，说明汽车的极速越高。如下图所示：TNN4G15T发动机和NSE15T发动机相比，NSE15T的最大输出功率明显要高于TNN4G15T。

如何深度理解发动机特性曲线？

发动机动力曲线直观的体现只有两条：功率和扭矩，功率代表极速、扭矩代表爆发力。

发动机的动力曲线体现为扭矩快速增长，但随着转速提升后扭矩又会开始下滑，简单理解为高功率时发动机为低扭矩输出，提高车速依靠的是提升单位时间内的做工的次数以提升马力，以下面这张图作为切入点分析一下功率与极速、扭矩与力量的关系。

上图为一台涡轮增压发动机的动力曲线，有增压器压缩进气的优势可以让这台车在1400转速实现峰值扭矩的爆发，扭矩指发动机气缸内燃烧做功转化出的机械能，这一数值越大则说明输出的力量越强，中低速加速时会感觉很有劲。

但很有意思的是这台机器只能在1400~3700转之间以最大扭矩输出之后会限滑，而功率在3700转后反而还在上升，但功率在低转速时上升的速度缓慢一些，这是为什么呢？

功率的计算公式为（转速×扭矩÷常数），简单理解为扭矩输出恒定的状态下、转速越高车速越快，但是只能维持在限定的范围内，因为发动机转速升高有两点影响。

①高转速是进气行程短、进气气流的流速高阻力大，白话的说就是转速高导致气门工作一次开关的时间太短以致进气不足，气缸内吸入的空气总量减小了；而进气量决定了喷油量，燃料和助燃剂都在减少，燃烧产生的有效功（扭矩）也会减少，结果自然是扭矩的下滑。

②高转速是运行摩擦阻力增大，即使有机油的润滑高也会造成这种现象，磨损也会损失一部分扭矩。

这两点是导致上图动力曲线特征的原因，但是扭矩下滑也不会让影响功率的上升，因为转速提高了。发动机一次输出的扭矩减少一半但转速提升一倍，按照公式计算则两者下滑和上升的比例能够互相补偿，所以发动机的功率只要足够高则极速也会足够高。

功率可以换算为马力，参考上图以110kw为例等于149.6Ps，一马力的概念为一匹马在一分钟内通过滚轮拉起75KG的物体行驶60米，那么149.6Ps则可以拉动11220KG在一分钟内提起60米。

汽车的整备质量是固定的，按照1000KG计算，低功率时输出100Ps速度一定会慢一些，因等于100匹马在拉动汽车行驶，而在最大功率时由149.6匹马拉同一台车，那么每一批马都可以减少一定的压力，但减少一部分后因基数的加大车速仍旧会更快，这是功率（马力）高低等于极速高低的原因。这就像自行车，蹬的速度越快输出的力量会越小，但是同样的时间内蹬的次数多了速度也不会慢。

对于发动机而言只需要了解这两项参数即可，对于家用汽车普通公路的最高限速为120km/h，所以汽车不需要非常高的马力；绝大部分时间以中低速行驶的汽车需要的是大扭矩，在转速较低时能够爆发充足的扭矩、强大的力量能够推动车辆轻快的加速才是最重要的。

（上文由天和Auto撰写，仅代表个人观点；禁止站外转载，平台内欢迎转发。）

如何深度理解发动机特性曲线？

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