发动机性能指标体系

2.2　发动机性能指标体系

发动机性能指标是指用统一的计算方法反映发动机性能的物理量。从不同角度反映发动机性能的一组物理量叫做发动机性能指标体系。这些指标可以表征发动机的性能特点、热功转换能力和技术先进程度，常用这些指标作为各类发动机性能优劣的评估。

发动机性能指标的建立还促进了发动机结构的不断改进和创新、发动机构造的多样性和技术进步。

发动机性能的基本依据是热效率，它表示燃料的热能转换为机械能的转换能力。

以气缸中燃料混合气燃烧过程热功转换的能量关系为基础的一组性能指标称为指示指标，用测功机或实测获得，表示发动机热功转换效率。

以发动机飞轮输出的功率为基础的一组指标叫有效指标，表示发动机净功的利用程度。

另外，还有反映发动机运转性能的运转性能指标，反映发动机向大气排放燃烧后气体的排放指标，反映发动机先进程度的技术进步指标等。

2.2.1　指示性能指标

指示性能指标是以工质在气缸内对活塞做功为对象，通过仪器实测出来评定热功循环优良程度的一组指标，常由以下指标组成，见表2－2:

表2－2　指示性能指标分类

工质在气缸内对活塞所做的功是通过示功图的面积来换算的。示功图是测功仪在做台架测验时测绘出来的(如图2－4所示)。图中横坐标代表活塞位移或气缸容积，纵坐标代表气缸内的气体压力，曲线封闭的面积代表工作循环中热能转换成机械能的大小，所以该图叫示功图。

图2－4　示功图

利用示功图可以较方便的测量出实际循环功，即指示功的大小及其他参数。上述示功图也可以利用P－θ图来表示，用纵坐标代表气缸内气体压力P，横坐标则代表曲轴转角θ，如图2－5所示。此图通常用电气测功器测定作出。

图2－5　P－θ示功图

P－θ线是由许多连续而稳定的工作循环综合而成，因此这种示功图得到的指示指标是多次循环的平均值，较符合实际值。P－η图和P－v图虽因测功机不同而绘制出的同一发动机同一工况的相同功率的图像表征不一样，但表达的物力意义是一样的，两图中只要知道一个就可以换算画出另一个来。

在低速柴油机上可以用机械式示功器直接从运转的柴油机上绘制P－v示功图。然后用求积仪量取示功图的面积乘上P、v轴线比例尺，即可求出工作循环所做的净功。

1.发动机的动力性指示指标

(1)指示功w _i:一个工作循环中工质对活塞所做的功为指示功，用w _i(单位为kJ)表示，根据实测示功图上的面积得:

式中，F _i为示功图面积，mm²;a、b为纵、横坐标轴上的比例尺，kPa/mm，m³/mm。

(2)平均指示压力p _mi:平均指示压力是指发动机单位工作容积所做的指示功w _i(单位为kPa)，用公式表达为

式中，v _s为气缸工作容积，m³。

引入平均指示压力的概念是因为在比较容积大小不等的气缸做功本领时，需要排除尺寸因素的影响。p _i是衡量工作循环动力性的一个重要指标。p _mi的一般范围如下:

汽油机p _mi= 700～1300kPa

柴油机p _mi= 650～1100kPa

柴油机(增压) p _mi= 1100～1600kPa

(3)指示功率P_i:单位时间内发动机做的指示功即为指示功率p _i(单位为kW)，用公式表达为

设一发动机的缸数为i，缸径为D(cm)，行程为s(cm)，每缸工作容积为v s(m³)，转速为n(r/min)，则每缸所做的指示功为

指示功率为

式中，ξ为发动机的冲程数，四冲程发动机ξ=4，二冲程=2;i为发动机气缸数;n为发动机每分钟转数，r/min;

若是四冲程发动机，则

若是二冲发动机，则

将式(2－5)代入转矩和指示平均压力公式得:

式中，T _i和P _mi的单位分别为N·m和kPa。

2.发动机的经济性指示指标

(1)指示热效率η_it。指示热效率是指实际指示功与所消耗的燃料热量之比值，即

式中，Q_i为获得指示功而消耗的燃油的热量，单位为kJ。

1kWh的能量为3600kJ，而完成lkWh的功所需要消耗的热量为b _i H _u×10－3，将H _u的值代入得

(2)指示燃油消耗率b _i:指示燃油消耗率是指单位指示功所消耗的燃油量，用b表示，单位为g/kWh。燃油消耗率也叫比油耗，计算公式为

式中，B为发动机每小时的耗油量，kg/h。

b _i是横向评价发动机实际循环的经济指标。发动机的比油耗越小，每千瓦时的功所消耗的燃油就少，因而经济性也就越好。

例2－1　有两种类型四冲程柴油机，一机额定功率为120kW，2000r/min，运转1h，消耗燃油30L;另一柴油机额定功率105kW，2500r/min，运转1h，消耗燃油29L。试计算比较两机的燃油经济性。

解:设一机比油耗为b _i1，另一机比油耗为b _i2

则由式(2－10)代入数据得

同理

b _i2=205(g/kWh)

两机比较，第一台柴油发动机燃油经济性较好。

2.2.2　有效性能指标

以发动机飞轮输出的功率为基础的一组性能指标称为发动机的有效性能指标体系，具体见下表2－3所示。

表2－3　有效性能指标分类

1.有效动力性指标

(1)有效功率P _e:把发动机飞轮(或曲轴)输出的功率称为有效功率，由发动机台架试验而得出，用P _e表示。有效功率是指示功率减去发动机本身因运动引起的摩擦损失和维持自身运转需要的辅助功率之后的净功率η_m。显然有效功率小于指示功率，它们之间的比值被称为机械效率。它们之间的差值被称为机械损失功率P _m。

例2－2　某发动机的机械效率和有效功率由发动机台架试验测得，η_m= 98%，P _e= 120kW。该机的指示功率是多少?

解:因为P _e=η_m P _i

故

(2)有效转矩τ:发动机曲轴输出的扭矩称为有效转矩，用τ_e表示(单位为N·m)。一般由发动机制造厂家按照国家台架试验标准和方法测得，并在产品铭牌上标出(有的厂家只标出有效功率)，也可通过计算得出。

因为　　　　　P _e= T _tq n

(3)有效平均压力P _me:有效平均压力是指发动机在一个工作循环中每单位气缸工作容积所输出的有效功，用P _me表示，单位为kPa。

式(2－13)、式(2－14)说明发动机有效平均压力与有效转矩成正比，有效平均压力越大，对外输出的功越多，转矩也越大。可见，转矩也是动力性指标之一。

2.有效经济性指标

(1)有效燃油消耗率b _e:有效燃油消耗率是指单位有效功所消耗的燃油量，用b_e表示，单位为g/(kWh)。

式中，B为发动机在某一稳定工况下测得的每小时燃油消耗量，g/h。

式(2－15)说明有效燃油消耗率越小，发动机的经济性越好。

(2)有效热效率η_e:有效热效率是指发动机实际循环的有效功与消耗的燃油所放出的热量之比。

式中，H _u为燃料低热值。

例2－3　已知某汽车安装有6481Q汽油发动机，活塞直径81mm，行程86.4mm，转速为n= 5000r/min运转时，功率P _e=72kW。现测得发动机运转34s消耗燃油200g。求这时的燃油热效率和气缸平均压力。

解:已知P _e=72kW，n= 5000r/min，i=6，ξ= 4

2.2.3　运转性能指标

发动机的运转性能指标主要指排放指标、噪声指标、启动性能指标、可靠性指标和耐久性指标。

1.排放指标

主要指汽车尾气排放对大气影响的限制。发动机排入大气中的有害气体主要是CO、HC、NO_x、SO₂、醛类和微小烟粒。CO₂浓度对温室效应影响较大。全世界各国都在“京都议定书”的框架下承担了环境保护任务，许多国家都制定颁布了强制性的汽车尾气排放标准。各种汽车的尾气排放都需在允许的范围内。

2.噪声指标

主要有燃烧噪声和机械噪声。我国限制噪声法规中规定小型汽车水冷汽油发动机运转时的噪声不大于110dB(A)，轿车噪声不大于80dB(A)。欧美国家将汽车噪声分成静噪、内部和运行三个指标进行控制，载重车不大于80dB(A)，轿车不大于75dB(A)。

3.启动性能指标

启动性能指标是表征发动机启动难易程度的指标。一般以一定条件下的启动时间长短来衡量。如我国规定不采用特殊的低温启动措施，汽油发动机不在－10℃以下、柴油机不在－5℃以下的气温条件下启动。在多数气温条件下发动机能够在15s内达到自行运转即合乎要求。启动时间越短说明发动机的启动性能越好。

4.可靠性指标

从技术统计学的角度来定义可靠性，就是一个系统在任何规定的时间内都能证明是完全可运行的概率;从广义方面定义可靠性，就是以时间为基础的质量，是质量的组成要素。

对汽车的性能指标要求定义可靠性是指发动机在规定的运转条件下、规定的时间内所完成规定运行的概率，用有无故障、持续工作时间、停车故障数、更换主要零部件和重要零件数等具体指标来衡量。可靠性试验是对发动机质量极为严格地检验。一般考核评定的项目如下:

(1)发动机所有零件凡发生断裂、剥落、拉伤、变形、黏连、卡位等现象以及在装复时需要更换或修理的零件应进行评定，易损件如喷油器的针阀耦件、火花塞、皮带、滤芯等允许更换，但应评定其使用寿命。

(2)所有零件应磨损正常。

(3)根据零件表面磨损印迹如积炭、窜气、油泥及结焦等情况，对零件工作质量进行评定。

(4)对造成漏油、漏水的零件进行评定。

(5)发动机动力性指标、经济性指标在整个试验过程中不得下降5%。

(6)试验后的排放污染参数不得超过排放标准限值，详见表2－4。

表2－4　各类发动机可靠性试验项目及试验持续时间

5.耐久性指标

从广义上说，事物的耐久性是指事物维持原有状态的时间积累。根据条件耐久性可用自然寿命(年限)、经济寿命(年限)和使用寿命(年限)来表述。

汽车耐久性指标是指发动机在规定的运行条件下正常工作而不需进行大修的性能，一般发动机从开始使用到第一次大修前累计运转时间表示。我国对汽车报废标准有过多次规定，根据我国经济发展和当时条件，起初规定为汽车行驶里程达到70×10⁵ km或使用年限15～20年，而后修改为50×10⁵ km或10～15年，现在更要考虑环境保护和使用成本，多从自然寿命、经济寿命、使用寿命等多方面优化考虑。如我国有关部门对解放牌和黄河牌的客货车的经济寿命根据行驶里程抽样调查分析研究，得出两种车型的经济使用寿命见表2－5。

表2－5　两种车型的经济使用寿命

2.2.4　技术进步指标

技术进步指标是指为比较发动机采用先进技术的程度和技术综合研发的程度而采用的指标。主要有表示发动机结构的紧凑性指标，如比容积、比质量、升功率、强化性系数。

1.比容积v _T

比容积是指包容发动机外体的最小容积与发动机额定功率之比。比容积越小，说明发动机结构越紧凑，发动机占用的空间越小，便于汽车整体结构的优化。

式中，v _T为比容积，m³/kW;v _B包容发动机外体的最小容积，m³。

2.比质量G _T

比质量是指发动机的总质量与发动机的额定功率之比。发动机的比质量越小，说明发动机所消耗的金属材料越少，占用空间越小，提高了净功利用率。

式中，G _T为发动机比质量，kg/kW。

3.升功率P _L

升功率是指在标定工况下每升气缸工作容积的有效功率。升功率越高，说明发动机的动力性越好。

式中，P_L为升功率，kW/L。

4.强化性系数X _T

强化性系数是指气缸里活塞平均速度和气缸内平均压力的乘积。强化性系数越大，说明发动机的热负荷和机械负荷越高，制造工艺越先进。

式中，X _T为强化性系数，m·Pa/s;c _m为活塞平均速度，

当代汽车的技术更新周期加快，技术进步指标不断刷新，比如，汽车发动机升功率由20世纪的十几千瓦每升到现在的五十几千瓦每升，发动机转数由过去的4000r/min到当代的6000r/min。像日本本田公司生产的2.0L高速发动机的最大速度为8300r/min;大众2.0L FSI T型发动机在1500～5000r/min范围内均可使转矩稳定在280N·m。

2.2.5　工艺性指标

工艺性指标是指发动机制造工艺复杂程度、发动机零部件拆换方便程度和维修保养简易程度的比较。