發動機的動力特性

　引言發動機的動力特性，系指發動機本身在最大扭矩轉速和最大功率轉速區間內克服負荷阻力和適應負荷變化的能力以及這兩種能力的合理分配關系。它與可靠性和經濟性一樣，亦是評定和選擇發動機的重要依據。

　　發動機的動力特性是以其功率（扭矩）與轉速的關系式來表達的。為實現發動機的程序控制，建立動力裝置動力性能的計算方法，都必須掌握發動機的動力特性。在試驗數據完整的情況下，這個關系式可用擬合的方法得到。在只知最大功率等少數參數的情況下，可以采用本文導出的一套較為精確實用的公式計算。發動機的動力特性，不僅以其動力性能（加速能力）和適應能力的高低來評價，而且還以這兩方面的分配合理性來評價。

　　作為適應性，雖早已給定了評價指標，但其計算公式卻未能達意。作為動力性，不僅沒有給以明確的定義，而且更沒有建立其評價指標。升功率和升扭矩的高低只能反映發動機的強化程度，說明其設計和制造水平的高低。它們根本不能體現動力性能的好壞。相反，個別過份強化的發動機，在技術不過關的情況下，不僅可靠性差，而且加速性能和適應能力都很差。作為分配合理性，必須看到動力性和適應性這二者是相互聯系而又相互制約的。加強某一方面，必然削弱另一方面。一個動力特性較好的發動機不僅兩大指標要高，而且必須分配合理。

　　1動力特性表達式1.1參數因子發動機的轉速n（r/min）、扭矩T和功率這3個參數之間有著T的內在關系。而三參數各自在最大扭矩點和最大功率點的6個數值卻有著更為深刻的內涵。它們既可用作動力特性計算的參數，也可用作動力性指標和適應性指標的構成因子。

　　1.1.1轉速因子轉速因子e（亦稱轉速適應性系數）在一定程度上決定著發動機的適應性能。其數值越大，適應性就越好。它可用式（1）計算：n為最大功率轉速，r/min；n為最大扭矩轉速，的數值一般在1.2～2.5之間。其平均值柴油機約為1.6，汽油機約為1.65，n內燃機學報汽油機僅為1.46.

　　1.1.2功率因子功率因子是決定發動機動力性能的重要因素。其數值越大，動力性能就越好。它可用式式中：P為最大功率，kW；P為最大扭矩點的功率，的數值一般在0.47～0.90之間。其平均值，柴油機約為0.75，汽油機約為0.72，高速汽油機則約為1.1.3扭矩因子扭矩因子e（亦稱扭矩適應性系數）是發動機動力特性的標志。它既影響發動機的動力性能，又影響發動機的適應性能。在P和均相同的兩種發動機中，e大者，必然是T轉速區間內的功率總量和扭矩總量都較大者。因此，一般說來，e值大，動力特性就好。它可用式（3）計算：式中：T為最大扭矩，N？m；T為最大功率點的扭一般在1.00～1.38之間。其平均值，柴油機約為1.18，汽油機約為1.16，高速汽油機則僅為和e三因子之間還存在式（4）的內在關系：式（4）暗含著動力特性在動力性和適應性兩個方面的分配關系。參見下文。

　　1.2動力特性計算式發動機動力外特性的計算式，就是功率（扭矩）與轉速的關系式。根據經驗，這一關系可用一個多次方程來表達。在已知最大功率P、最大扭矩T、最大功率轉速n和最大扭矩轉速n等參數的情況下，可以利用以下僅有的5個已知條件，導出一個四次方程來。

　　這5個條件任去其一，則可組合出5種情況，并導出5個三次方程來。這5個三次方程，在不同的轉速區間，將有著不同的計算精度。本文除取四次方程外，還取由前4個條件決定的一個三次方程。按上述假設導出的并以和作參數的方程列于式（5）之中：當時，注意，上述方程系數之和等于1，即=1.四次式由于利用的已知條件較多，因此適應范圍較廣，總體計算精度較高，特別適于動力特性較好的發動機。三次式更加貼近于動力特性較差的發動機，而且利用它進行公式推導時，一般能得到顯式函數。具體計算時，可根據扭矩因子e的大小按表1規定選取。

　　判定條件采用公式三次式三或四次式四次式式（5）的計算精度，可用較為直觀的相對誤差X來判斷。如果功率測試值為Pt，計算值為Pt.其相對誤差的均值X|/n.根據數十型發動機的計算統計，式（5）在（n）區間內總的X值不大于1%.

　　四轉速功率測試值計算值三次式四次式次式的X值僅為0.22%，就是不適合計算的三次式也式（5）只在低速區間的偏差較大，且不適合具有多進氣道等的特殊發動機。有關這些問題尚需進一步研究。

　　2動力特性的評價指標發動機的動力特性可用動力性系數、適應性系數和分配系數3個指標來評價?，F分述如下。

　　2.1動力性系數動力性系數是發動機動力性能的標志，它也是從最大扭矩點加速到最大功率點的加速能力的象征。若要具有較高的加速強度，就必須具有較高的平均功率P值的高低，就代表著該發動機動力性能的好壞。然而，P值是隨最大功率的變化而變化的，不同的發動機很難說清誰大誰小。為具有可比性，P值尚需除以Pm.所以，發動機的動力性系數就是在（n）區間內的功率均值與其最大功率的比值。據此，發動機的動力性系數可用式（6）表示：代入式（5），并經積分整理后可得：系數c在有試驗數據時，可用同次數的回歸方程的系數取代。為簡化計算，也可忽略功率曲線的上凸部分，而粗略地采用式（8）估算：由式（8）可知，D的理論數值范圍為0.5～1.0.根據計算統計，汽油機的D值在0.78～0.94之間變化，其平均值約為0.89；柴油機的D值在0.85～0.95之間變化，其平均值約為0.91.

　　2.2適應性系數適應性系數是發動機適應性能的標志，也就是當外界負荷變化時，發動機抵抗轉速從n下降到n的能力。

　　發動機的適應性系數A是以式A來表達的。該式的理論根據是：e值大，扭矩曲線的總體斜率就可能大，外界負荷增大時，轉速就不易下落；e值大，轉速由n下降到的過程就長。這從粗略的定性意義上講是有道理的。然而，這里面存在2個問題：一是沒有考慮扭矩曲線上凸部分的作用，二是從理論上講，尚有不妥之處。例如，當e=1時（扭矩曲線平直），發動機本不具有任何適應能力，可此時Ar.又如，當e趨近n，發動機也不具有任何適應能力，而此時A=eT.因此，很有必要給出一個更為準確的定義，建立一個更為貼切的計算公式。

　　根據圖2b的幾何關系，發動機的適應性系數應是區間（n）內的扭矩總量（這個總量決定于區間的寬度和扭矩曲線的總體斜率）對于最大扭矩T和最大功率轉速n的相對比值，即式（9）中乘以100是為適應習慣上的可視性。式（9）經積分整理后可得：系數c在有試驗數據時，可用同次數的回歸方程的系數取代。為簡化計算，也可忽略扭矩曲線的上凸部分而粗略地采用式（11）估算：由式（11）可知，當n與相互趨近時，或扭矩曲線平直時，e根據計算統計，汽油機的A值一般在1.5～6.0之間變化，其平均值約為3.3；柴油機的A值在1.22～6.23之間變化，其平均值約為3.70.

　　2.3分配系數扭矩因子e是發動機動力特性的標志，它既影響動力性系數D，又影響適應性系數A.總地來說，e大者動力特性就好，e小者動力特性就差。在e一定的情況下，由于D增大，A必減??；反之，A增大，D必減小。因此，就存在如何將e合理地分配于動力性和適應性這兩個方面的問題。偏向分配難于充分發揮e的潛能。由于在扭矩因子e一定的情況下，功率因子e決定著轉速因子決定著因此影響在和A兩個方面的分配問題，實質上就是e在e和e兩2000年10月宮春峰等：內燃機的動力特性個方面的分配問題。由于eP，所以只要找到了和的合理關系，就能合理地進行動力特性分配。

　　正因為如此，故把e和的比值λ定義為動力特性分配系數：由計算統計，汽油機的λ值在1.65～5.33之間變化，其平均值約為2.4；柴油機的λ值在1.5～3.0之間變化，其平均值約為2.15.高速汽油機λ值在1.35～4.00之間變化，平均值約為1.9.

　　在發動機的設計和評價中，建議以表3所列數值作為參考。λ值增大，適應性則增強，但動力性卻降低。λ值的正負號，可以根據使用環境和轉速高低酌情選取。外界負荷變化不大和n值高者可以采用負號，反之采用正號。但作為一般情況，均不宜超過10%.

　　發動機類型柴油機一般汽油機在發動機的設計中，當e和λ均確定之后，便可利用式（13）和式（14）計算轉速因子e和功率因子e當e和n確定后，最大扭矩轉速n就被確定。當和被確定后，最大扭矩功率P和最大扭矩亦被確定。

　　值得注意的是，現代高速汽油機的e值普遍較低，動力特性較差。但它們往往被用在負荷變化不大的動力裝置上，例如常駛于良好路面的小轎車。因此，可以減小λ值，以降低適應性來增強動力性。特別是采取“大馬拉小車”的辦法來彌補動力性和適應性的不足。

　　也就是以大功率作后盾，以較大的平均功率（扭矩）的絕對值來補償相對值的不足。然而，這僅是一些使用措施，絲毫改變不了發動機自身動力特性的本質。