定义和特征参数详解-汽车工程手册：德国版

1.功率特征参数

发动机功率包括为保证发动机工作的必要的辅助装置，由DIN ISO 1585标准规定的条件确定，并换算到“标准状态”T_u=298K，p_u=990mbar（与干燥空气有关）。规定环境（大气）状态是必要的，因为发动机功率在不同的环境状态是不同的。功率随大气的稀薄而下降。地面高度每升高100m，功率约下降1%。潮湿的空气也会降低发动机功率。

在曲轴上的标定功率P_e，在标准中也称纯功率，可按下式计算：

P_e=M·ω=2π·M·n

式中，n和M分别为发动机转速和转矩。如果转矩的单位用N·m，转速的单位用r/min，则单位为kW的标定功率的近似计算公式为：

P_e=M·n/9549

在使用比特征参数平均有效压力p_me（参见5.1.2小节）时，发动机标定功率计算式为：

P_e=i·n·p_me·V_H

式中，二冲程发动机i=1；四冲程发动机i=0.5；V_H为发动机工作容积（排量）。

发动机转速n的单位用r/min，平均有效压力p_me的单位用bar，发动机工作容积V_H用L，则标定功率的关系式为：

P_e=i·n·p_me·V_H/600

发动机最大功率为额定功率，在该功率下的转速为额定转速。按设计的有关配气定时、充量更换机构的气体流动阻力和进、排气系的动态过程等的充量更换过程，额定转速会或多或少地低于曲柄连杆机构允许的最大转速。

2.发动机比特征参数

因为发动机的功率特征参数直接与发动机大小有关，所以将发动机的这些特征参数与发动机工作容积参数联系起来（即比参数）是有意义的。这样就可直接比较不同大小的发动机参数。

与发动机工作容积有关的转矩是由传给活塞上的压力（或力）减去曲柄连杆机构的摩擦压力（或力）的损失（即活塞上的平均有效压力）转换而来的。有效压力是瞬时变化的，可用一个等效的平均有效压力表示：

p_me=P_e/（i·V_H·n）或p_me=（2π/i）^[1]·（M/V_H）

在发动机工作过程热力学分析中，不考虑曲柄连杆机构的摩擦损失，我们感兴趣的是传给活塞的、随气缸工作容积而变的活塞功。利用气缸压力测定仪检测气缸内气体压力随曲轴转角的变化p（α），并乘以与p（α）相对应的气缸容积变化dV，可得在曲轴转角为α时活塞功p（α）dV。再对整个的工作循环积分就可得到总的活塞功∫p（α）dV。由活塞功还可得到平均指示压力p_mi。

其他常用的发动机比特征参数为：

1）容积功率（升功率）P_H=P_e/V_H，单位为kW/L。

2）功率质量m_p=m/P_e，单位为kg/kW。

3）比燃料消耗b_e=/P_e=1/（H_u·η_e），单位为g/kW·h，式中为燃料质量流量，单位为g/h。

图5.1-2为直喷柴油机和点燃式发动机燃油消耗特性场实例，采用比燃油消耗特征参数b_e和平均有效压力p_me。

图5.1-2 典型的乘用车发动机燃油消耗特性场

3.热效率

发动机工作过程的品质或效率通常用“理想（或理论）”和“实际”边界条件下的品质或效率进行比较。理想边界条件假设工作过程没有各种损失，可用简单的方法计算。由于发动机实际工作过程中的各种影响因素，与理想工作过程相比有一个效率链（参见DIN 1940），它分为下面几个方面（图5.1-3）：

图5.1-3 往复活塞式发动机的各种效率和总效率

（1）理想循环热效率η_thv有等容燃烧过程的循环为理想循环。它由等熵压缩（1→2）、等焓加热（燃烧，2→3）、等熵膨胀（3→4）和理想气体等焓回到原始状态（4→1）4个工作过程组成。理想循环的边界条件和假设为：

1）无热和气体损失。

2）无残余气体。

3）比热容c_p，c_v不变的理想气体，且κ=c_p/c_V=1.4。(www.xing528.com)

4）无限快的加热和放热。

5）无流动损失。

理想的“完美发动机”的热效率_{η thv}为：

η_thv=（Q_zu-Q_ab）/Q_zu=1-Q_ab/Q_zU

从2→3加热（燃烧）热能为：

Q_zu=m·c_V·（T₃-T₂）

从4→1放热热能为：

Q_ab=m·c_V·（T₄-T₁）

从而可得η_thv=1-（T₄-T₁）/（T₃-T₂）

1→2和3→4的绝热状态方程式为：

T·V^κ-1=常数

从而可导出：

η_thv=1-T₁/T₂

而T₁/T₂=（1-1/ε）κ^-1，则有等容燃烧工作过程的理想热力学循环为

η_thv=1-ε^1-κ

从该公式中可见，压缩比ε=（V_c+V_h）/V_c直接影响内燃机的理论循环热效率。由此也可明了柴油机热效率高于点燃式发动机热效率是因为它的压缩比高，而点燃式发动机的压缩比受爆燃的限制。

（2）品质效率η_G理想循环和实际循环的所有差别可在高压工作过程（即高压工作过程效率η_GHP）和低压工作过程（即充量更换过程效率η_GLW）检测到。实际循环使用的不是理想气体，而是实际的工作气体（工质）：缸内有残余气体，燃烧室壁有热损失、气体损失，充量更换损失（η_GLW）。实际的燃烧过程品质效率按下式计算：

η_G=η_GHP·η_GLW=W_i/W_thv

式中，W_i为指示功，按缸内气体实际压力变化过程计算；W_thv为理想循环功，W_thv=Q_zu-Q_ab。

（3）指示效率η_i指示效率η_i是作用在活塞上的功（指示功）W_i与加入发动机内的燃料的当量热量W_B之比，即

η_i=W_i/W_B

式中，W_B=m_B·H_u，H_u为燃料低热值，m_B为燃料质量。

指示效率也可用理想循环热效率η_thv和品质效率η_G的乘积表示：

η_i=η_thv·η_G

（4）机械效率η_m机械效率η_m考虑曲柄连杆机构、活塞与缸壁的摩擦损失、配气机构和辅助装置（如机油泵、水泵、燃料泵、发电机等）所消耗的驱动功率。

η_m=W_e/W_i

式中，W_e为离合器上的有用功。

（5）有效效率η_e发动机总效率也称有效效率，是效率链中各个效率的乘积：

η_e=η_thv·η_G·η_m

它也是离合器上的有用功W_e与加入发动机燃料量的当量功之比。

实际汽车发动机可达到的有效效率，对乘用车点燃式发动机为η_e=0.36；对柴油机可达η_e=0.43。在通常的发动机设计中，最佳的η_e值是在平均有效压力随发动机转速变化的特征场中处于整个转速变化范围的中间和稍低于全负荷曲线的工作位置，参见图5.1-2。