1.2.2 发动机的性能指标

发动机的性能指标可分为四大类：指示性能指标、有效性能指标、环境性能指标和其他性能指标。具体表现为发动机的动力性、经济性、运转性和耐久可靠性指标等。

1.发动机的指示性能指标

指示性能指标用以评定发动机实际循环情况的优劣。其中，平均指示压力、指示功率评定实际循环的动力性；指示热效率、指示燃料消耗率评定实际循环的经济性。

图1.11所示示功图反映工质压力P随汽缸工作容积V（或曲轴转角φ）变化的关系。P—V图曲线包容的面积表示工质完成一个实际循环所做的有用功。P—φ图称为展开示功图。

（1）指示功Wi和平均指示压力pi

① 指示功。指示功指一个实际循环工质对活塞所做的有用功。用Wi（kJ）表示，它可根据实测示功图通过计算求得，即

Wi=abA（kJ）

式中 a——示功图纵坐标的比例尺（kPa/cm）；

b——示功图横坐标的比例尺（L/cm）；

A——示功图面积（cm2）。

因为不同发动机具有不同的工作容积，不能仅用指示功Wi评价工作循环的好坏，还必须采用工作影响指标（平均指示压力pi），对发动机的工作循环进行评价。

② 平均指示压力。平均指示压力是指循环指示功Wi与汽缸工作容积Vh之比，即

显然，平均指示压力pi越大，汽缸工作容积的利用程度越高，发动机工作循环越优，设活塞面积为A（cm2），活塞行程为S（cm），从前式得出

Wi=piAS×10-3（kJ）

如图1.12所示，pi的一般范围是：汽油机0.8～1.5MPa；柴油机0.7～1.1MPa；增压柴油机1～2.5MPa。

（2）指示功率Ni。指示功率Ni是指发动机单位时间（每秒）内所做的指示功。设平均指示压力为pi（kPa）；单缸工作容积为Vh（L）；缸数为i；转速为n（r/min）；冲程数为τ，则

（3）指示燃油消耗率gi。指示燃油消耗率gi是指单位指示功所消耗的燃油量。如测得发动机每小时燃油消耗量为GT（kg/h），指示功率为Ni（kW），则指示燃油消耗率为

gi的大致范围是：柴油机为170～200g/（kW·h）；汽油机为230～340g/（kW·h）。

（4）指示热效率ηi。指示热效率（ηi）是指发动机实际循环指示功与所消耗燃料的热量之比值，即

式中 Qi——所消耗的热量（kJ）；

hμ——燃料的低热值（kJ/kg）。

ηi的大致范围是：柴油机为ηi=0.25～0.4；汽油机为ηi=0.4～0.5。

2.发动机的有效性能指标

发动机有效性能指标是以曲轴输出功率为基础的指标，用以评价发动机的设计与制造水平及其整机性能。有效性能指标分为动力性指标和经济性指标。

（1）发动机动力性能指标。有效功率Ne。指示功率Ni不可能完全输出，即在传递过程中不可避免产生如下机械损失。a.内部运动机件的摩擦损失，占总机械损失的60%～70%。如活塞及活塞环与汽缸壁、轴承与轴颈、配气机构等。

b.驱动附属机构的损失，占总机械损失的10%～20%。如驱动冷却水泵、机油泵、喷油泵、风扇、电动机和点火装置等。

c.进、排气过程所消耗的功率，占总机械损失的10%～20%。

上述损失导致的功率消耗称为机械损失功率Nm。指示功率与机械损失功率之差Ne=Ni-Nm，称为有效功率Ne（kW），可由试验测得。

（2）有效转矩Me。发动机工作时，由功率输出轴输出的转矩称为有效转矩Me（N·m）。它与有效功率的关系是

（3）平均有效压力pe。发动机单位汽缸工作容积输出的有效功，称为平均有效压力pe（kPa）。有效功率与平均有效压力之间有下列关系

对于排量（iVh）一定的发动机，pe正比于Me，pe值越大，则单位汽缸工作容积输出功越多，输出转矩越大。pe值是发动机重要的动力指标之一。

pe的一般范围是：汽油机0.7～1.3MPa；柴油机0.6～1.0MPa；增压柴油机0.9～2.2MPa。

（4）转速n和活塞平均速度Cm。提高发动机转速，即可增加单位时间的做功次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率大。转速n增加，活塞平均速度随之增加。

Cm增大，则活塞组的热负荷和曲柄连杆机构的惯性力均增大，磨损加剧，寿命下降，以致Cm已成为表征发动机强化程度的参数。一般汽油机不超过18m/s；柴油机不超过13m/s。

为了提高转速又不使Cm过大，可以减小行程S，即采用较小的行程缸径比（S/D）值。但S/D值减小也会造成燃烧室高度减小，其表面积与容积比（A/V）值增大，混合气形成条件变差，不利于燃烧。n、Cm、S/D值的大致范围如表1.6所示。

表1.6 n、Cm、S/D值的大致范围

3.发动机经济性指标

（1）有效热效率ηe。有效热效率是指循环的有效功与所消耗燃料的热量之比，即

式中——机械效率；

Qi——获得有效功所消耗燃料的热量；

ge——有效燃料消耗率。

发动机台架试验时，可采用单缸熄火法、拖动法、示功法等方法测定ηm，ηm值越接近1，表明发动机性能越好。

参照Ni与pi的关系，可导出平均机械损失压力

pm值的一般范围是：汽油机0.15～0.25MPa；柴油机0.2～0.3MPa。现代发动机机械效率ηm一般范围如表1.7所示

表1.7 现代发动机机械效率ηm一般范围

（2）有效燃油消耗率ge。有效燃油消耗率是指单位有效功所消耗燃油的量，即

ηe和ge的大致范围如表1.8所示。

表1.8 ηe和ge的大致范围

4.发动机强化性能指标

（1）升功率NL。升功率是指发动机每升工作容积产生的有效功率，即

NL与pen乘积成正比，即提高平均有效压力和转速，可提高升功率，提高发动机强化程度。

（2）比重量Ge。发动机比重量是指其净重G与标定工况有效功率之比。它表征发动机结构重量利用程度及结构紧凑性。

当发动机净重一定时，有效功率越大，比重量越小，则其强化程度越高。NL与Ge的大致范围如表1.9所示。

表1.9 NL与Ge的大致范围

（3）强化系数。发动机强化系数用平均有效压力与活塞平均速度的乘积表示。其系数越大，则发动机强化程度越高，即机械负荷和热负荷越高。pe·Cm的大致范围是：汽油机8～17MPa·m/s；小型高速柴油机6～11MPa·m/s；重型汽车柴油机9～15MPa·m/s。

综上所述，发动机的有效性能指标主要有：pe、n、Cm、S/D、ge、ηe、NL、Ge、pe·Cm等，如表1.10所示。

表1.10 发动机的有效指标

5.发动机的环境性能指标

发动机除要求具有良好的动力性、经济性和较高的强化程度外，还必须具有良好的排气清净性、较低噪声度、较小振动和可靠的低温起动性。

（1）排放污染。发动机排放污染是指排出废气中的有害成分。主要有：一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化物NOx、二氧化硫SO2、铅化合物、臭味气体、固体微粒，以及从曲轴箱通风孔泄漏出的碳氢化合物和从汽油箱逸出的燃油蒸气等。这些有害排放物主要生成于燃烧过程中，应从混合气形成、燃烧和排气方式上设法加以控制。

为了保护环境，保障人体健康，发动机在工作机理和结构设计上应尽量使有害排放物减少，对废气加以净化处理。我国国家环保总局于2005年4月27日公布，自2010年7月1日起实施的中国轻型汽车第Ⅳ号排放标准，如表1.11和表1.12所示。

表1.11 Ⅳ型试验的排放限值

表1.12 轻型汽车国Ⅱ与国Ⅲ、国Ⅳ排放标准Ⅰ型试验排放限值对比

（2）噪声污染。发动机工作时产生的噪声刺激神经，使人心情烦躁、反应迟钝、甚至导致耳聋、高血压和神经系统疾病。噪声主要源于进排气门、风扇和增压器等的气体动力噪声、汽缸内燃烧噪声、机体内的机械噪声（如活塞敲击、配气机构运行、齿轮运转）等。国际标准组织（ISO）提出了保护环境和保护听力的噪声标准，现代发动机噪声已大大超过了允许的值。为此，我国拟定了机动车辆允许噪声、中小功率柴油机噪声限值和噪声测试方法的标准。

（3）起动性能。发动机在一定温度下能可靠起动，且起动迅速，起动消耗的功率小、磨损少是起动性能的重要标志。起动性能的好坏直接影响车辆机动性、操作者的安全和劳动强度。我国标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油在-10℃、柴油机在-5℃以下的环境条件下起动顺利，且15s以内能自行运转。

6.发动机的可靠性与耐久性

发动机的可靠性与耐久性用以衡量其在持续的负荷运转中，工作性能的可靠程度与耐久程度。

可靠性是指发动机在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。一般以发生故障前的工作时间、故障间隔时间、无故障工作概率等指标评定。我国汽车行业对于载货汽车发动机的可靠性评定已有单项指标和综合指标。单项指标包括平均首次故障时间、平均故障间隔时间、当量故障率和使用有效度。综合指标为单项指标加权计算后得出的可靠性水平评定分数。

耐久性是指发动机在规定的使用和维修条件下，达到某种技术或经济指标极限时完成规定功能的能力。耐久性常指发动机的使用寿命或大修寿命。耐久性的评定，设计部门可以按各主要零件的试件在试验中的磨损来确定各主要零件乃至整机的耐久性指标；使用部门可以按整机达到极限状态前的工作小时数或车辆行驶里程数来评定。

可靠性和耐久性受诸多因素的影响，例如所用材质、加工方法、装配调试、驾驶技术，以及负荷特点、气候因素等。即使同一型号发动机，可靠性和耐久性也会有相当大差别。当然发动机的可靠性与耐久性也与其结构组成和工作机理有关。

发动机工作时，各系统及有关机件将承受不同机械负荷与热负荷。机械负荷包括由于气体压力、冲击力、惯性力引起的应力和振动、预紧、摩擦等引起的附加应力，使发动机零部件分别受到拉伸、压缩、弯曲、扭转等或它们复合成的各种负荷引起的变形。热负荷过大可使某些零件温度过高而失去工作能力，如零件烧伤、变形导致配合间隙破坏，材料强度、硬度下降而加速磨损，润滑油变质结胶而使机件润滑条件恶化、摩擦磨损加剧等；热负荷过大还使某些零件温差过大导致内部热应力过大，如缸盖底面和活塞顶部变形和裂纹等。同时，某些结构还会发生化学蚀损，如汽缸内壁上部因高温废气而蚀损，湿式缸套外壁因电化学作用而穴蚀，高压油路、冷却水路、曲轴轴瓦等结构也可能出现穴蚀。

发动机在正常运转、满负荷作业和正确的技术维护下，机械负荷、热负荷和化学蚀损将在允许限度以内，可靠性和耐久性将合乎规律地自然缓慢下降。如果处在“敲缸”、超负荷、过热、“飞车”等不正常情况下长期作业，发动机将承受不应有的静负荷、动负荷、热负荷，加速化学蚀损，可靠性和耐久性急剧下降。

7.发动机的热平衡

发动机燃料的热能只有一部分转化为有效机械能，其余部分通过各种途径而损失。一般情况下，发动机热平衡方程式可以表述为

Q=Qe+Qr+Qw+Qs

式中 Q——进入发动机的燃料产生的热量，如Qf代表发动机每小时的耗油量，Hμ代表燃料低热值（kJ/kg），则Q=QfHμ

Qe——相当于有效功的热量，Qe=3.6Ne

Qr——随废气排出的热量，相当于废气内能与新鲜充量内能之差，不包括燃料不完全燃烧的热损失。如C'p和Cp1分别代表废气和新鲜充量的平均定压比热，T'0代表进气管入口处新鲜充量的温度，Tr代表废气在靠近排气门处的温度，M1表示每小时排出的废空气量，M2表示每小时消耗的空气量，则

Qr=（M2+Gf）C'pTr-（M1+Gf）Cp1T'0

Qw——传递给冷却介质的热量，如G代表冷却水的循环量，C代表冷却水的比热，t2和t1分别代表出水口和进水口处的水温，则Qw=GC（t2-t1）

Qs——其余热损失，包括燃料不完全燃烧的热损失，即相当于燃料完全燃烧应该放出的热量与燃料在燃烧过程中实际放出的热量之差；还包括驱动辅助机构和附属装置的能量消耗；废气热量损失和机体辐射热损失等。

显然，热平衡随发动机负荷、转速、供油或点火提前角等工况参数和调整参数的改变有所不同。

为了估计热平衡方程式中各项相对值，同时便于比较不同发动机热平衡，常以百分数来表示热平衡方程式，即

qe+qr+qw+qs=100%

式中，；；；。

一般高速四冲程发动机热平衡的百分数大约如表1.13所示。

表1.13 高速四冲程发动机的热平衡（%）

关于发动机的热平衡，还可用热流图来表示其中各项的大小与相互关系，如图1.13所示。