摘要：往複式内燃機——熱機的一個子類——可以在四沖程和二沖程循環中運行。在每種情況下，發動機都可以配備火花點火 (SI) 或壓縮點火 (CI) 燃燒系統。基于發動機機動性、應用、燃料、配置和其他設計參數，許多其他發動機分類是可能的。通過将質量和能量守恒定律應用于發動機氣缸中的過程，可以在理論上對燃燒過程進行建模。内燃機的基本設計和性能參數包括壓縮比、掃氣容積、間隙容積、功率輸出、指示功率、熱效率、指示平均有效壓力、制動平均有效壓力、比油耗等。

目錄

熱機

1. 往複式内燃機分類
2. 四沖程和二沖程循環
3. 其他發動機分類
4. 往複式内燃機基礎知識
5. 發動機性能參數

熱機是能量轉換機器——它們通過在空氣中燃燒燃料産生熱量，将燃料中的化學能轉化為功。該熱量用于提高工作流體的溫度和壓力，然後用于執行有用的工作。熱機可分為：

• 内燃機，其中燃燒産物或反應物（空氣和燃料）直接用作發動機的工作流體
• 外燃機，其中能量被傳遞（例如通過熱交換器）到與燃燒産物或反應物分離的工作流體。

發動機也可以分為往複式或旋轉式：

• 在往複式發動機中，工作流體用于以線性方式移動活塞。然後通過曲柄滑塊（連杆/曲軸）機構将線性運動轉換為旋轉運動。
• 在旋轉發動機中，工作流體使連接到輸出軸的轉子旋轉。

在内燃機 (IC) 發動機中，工作流體由空氣、燃料-空氣混合物或燃料-空氣混合物本身的燃燒産物組成。往複式活塞發動機可能是已知的最常見的内燃機形式。它們為汽車、卡車、火車和大多數船舶提供動力。它們還用于許多小型公用事業應用中。它們可以用汽油和柴油等液體燃料或天然氣和液化石油氣等氣體燃料作為燃料。往複式活塞發動機的兩個常見子類别是二沖程 和四沖程 發動機。旋轉式内燃機的示例包括Wankel旋轉式發動機和燃氣輪機。

所有熱機設計和開發的共同目标包括：最大化輸出功（功率輸出）、最小化能源消耗和減少在将化學能轉化為功的過程中可能形成的污染物。圖 1 顯示了往複式内燃機的主要部件。幹線式發動機設計是最常見的——盡管“幹線式發動機”一詞在大型發動機行業之外很少使用。十字頭設計目前僅用于大型低速二沖程發動機。為簡單起見，省略了進氣門和排氣門，但值得注意的是，在某些二沖程發動機設計中，使用進氣口和排氣口而不是進排氣門。

二沖程和四沖程往複式内燃機都可以配備火花點火（SI）或壓縮點火（CI）燃燒系統。

傳統上，火花點火系統的特征在于預混合充氣（即，燃料和空氣在點火之前混合）和外部點火源，例如火花塞。預混合可發生在進氣歧管或缸内。雖然在大多數應用中，預混合進料具有相對均勻的空氣和燃料空間分布，但分布也可以是不均勻的。燃燒由火花引發，火焰從火花位置沿前部向外傳播。據說 SI 發動機中的燃燒是動态控制的，因為整個混合物是可燃的，燃燒速率取決于化學反應從點火源開始消耗這種混合物的速度。

傳統柴油發動機的特點是大約在需要點火時将燃料直接噴射到氣缸中。結果，這些發動機中的空氣和燃料充注非常不均勻，一些區域過度富集，而另一些區域則過度稀薄。在這些極端之間，燃料和空氣的混合物将以不同的比例存在。噴射時，燃料在這種高溫環境中蒸發，并與燃燒室周圍的熱空氣混合。蒸發燃料的溫度達到其自燃溫度并自燃以開始燃燒過程。燃料的自燃溫度取決于其化學性質。與 SI 系統不同，壓燃式發動機的燃燒可能發生在空燃比和溫度可以維持該過程的許多點。

在某些情況下，SI 和 CI 引擎之間的區别可能會變得模糊。由于減少排放和燃料消耗的壓力，已經開發出可以同時使用 SI 和 CI 發動機的某些特性的燃燒系統；例如，汽油、柴油或兩者混合物的預混混合物自燃。

圖 2 中的燃氣輪機是内燃機的另一個例子。然而，與往複式活塞發動機不同，燃燒是在專用燃燒室中單獨進行的。

圖 2。用于中型和重型車輛增程器應用的微型燃氣輪機

在外燃發動機中，工作流體與燃料-空氣混合物完全分離。來自燃燒産物的熱量通過熱交換器的壁傳遞給工作流體。蒸汽機是衆所周知的外燃機實例。

往複式外燃發動機的一個例子是斯特林發動機，其中熱量在高溫下被添加到工作流體中，而在低溫下被排出。添加到工作流體的熱量幾乎可以由任何熱源産生，例如燃燒化石燃料、木材或任何其他有機材料。

許多蒸汽機設計所基于的Ranking循環是外燃機的另一個例子。從外部來源添加的熱量會提高液體（例如水）的溫度，直到它轉化為用于移動活塞或旋轉渦輪機的蒸汽。1900 年至 1916 年間美國的蒸汽機為汽車提供動力；然而，它們在 1924 年幾乎消失了。蒸汽動力卡車在英格蘭很受歡迎，直到現在 1930 年代中期。雖然在 20世紀的大部分時間裡，許多國家的蒸汽動力機車逐漸被内燃機車所取代，但仍有少數在 21世紀仍處于幹線服務狀态。蒸汽機作為移動應用中的原動機而消亡的原因包括其運行所需的主要部件的尺寸和數量，例如熔爐、鍋爐、渦輪機、閥門，以及它們複雜的控制裝置。蒸汽輪機——仍在許多固定式發電廠中運行——是旋轉外燃發動機的一個例子。

在21世紀，對提高發動機效率的關注重新激發了人們對移動應用循環的興趣——以廢氣餘熱回收 ( WHR ) 的形式。雖然其中一些設備使用蒸汽，但其他設備使用更适合汽車排氣溫度相對較低的應用的有機流體。由于朗肯循環和有機工作流體的結合，這些系統通常被稱為有機朗肯循環 (ORC) 廢熱回收系統。

在四沖程發動機中完成燃燒循環需要四個沖程。圖 3 是應用于柴油發動機的四沖程燃燒循環的示意圖。在第一個沖程，即進氣沖程 中，活塞從其上止點 (TDC) 的位置向下止點 (BDC) 移動。在大部分進氣沖程中，過濾後的空氣被吸入氣缸。在第二個沖程中，被吸入氣缸的空氣被活塞從 BDC 的起始位置移回 TDC 壓縮。第二個沖程稱為壓縮沖程 其中氣缸中的空氣加熱到通常高于燃料的自燃溫度的溫度，該燃料在上止點附近噴射到氣缸中。當燃料燃燒時，熱能被釋放以提高接近 TDC 餘隙容積的溫度和壓力。将升高的壓力施加到活塞的頂面以将其推回 BDC。

這個沖程被稱為膨脹沖程，因為它是通過高壓氣缸内燃燒的膨脹将力施加到活塞上，使其移動到 BDC。出于顯而易見的原因，膨脹沖程也稱為動力沖程。它也被一些人稱為做功沖程，因為膨脹氣體通過将壓力施加到活塞頂部來産生功。四個沖程中的最後一個是排氣沖程 燃燒副産物被排入排氣系統以排入大氣。為了提高比輸出，現代四沖程柴油發動機配備了進氣系統壓縮機（例如渦輪增壓器），以增強充氣并允許以與引入的額外空氣成比例的噴射額外燃料。

在四個沖程中會發生壓力、體積、溫度和混合物成分的變化。壓力-容積圖（示功圖）常用于描述一個完整循環期間氣缸内壓力和容積的變化。圖 4 顯示了自然吸氣式柴油發動機的壓力和體積變化。

在圖 4 中，進氣門和排氣門事件由點 1 到 4 标記，其中點 1 是進氣門打開點，點 2 是進氣門關閉點，點 3 是排氣門打開點，點 4 是排氣門關閉點. 重要的是要注意進氣門和排氣門在點 1 和 4 之間的時間以及其等效曲軸轉角持續時間期間都保持打開狀态。這一時期稱為氣門重疊，對發動機性能及其排放特性起着重要作用。

進氣門在 BDC 後延遲關閉以改善氣缸充氣效果，從而提高發動機的容積效率。在自然吸氣發動機中，通過進氣濾清器、進氣管道、進氣歧管、進氣口和進氣閥的限制會導緻壓力損失并将氣缸壓力降低到低于大氣壓。當活塞從 BDC 移動到 TDC 時，工作流體的有效和快速壓縮在進氣門關閉之後開始。當活塞接近壓縮沖程的上止點時發生燃燒，并且在活塞仍接近膨脹沖程的上止點時不久就結束了。當活塞從 TDC 移動到 BDC 時，膨脹沖程以許多化學反應和熱傳遞過程為标志。在第 3 點，由于氣缸和排氣系統之間的壓力差，排氣閥打開，從而允許一些燃燒産物通過排氣門排出。在排氣沖程期間，剩餘的廢氣通過活塞從 BDC 到 TDC 的運動從氣缸中排出。更詳細地讨論了氣門正時

說明四沖程循環的另一種方法是通過圖 5 中所示的壓力-曲柄角圖。除了壓力-容積圖描述中概述的細節外，壓力-曲柄角圖突出顯示了燃料在噴射以及點火延遲期。在此延遲期間，噴射到氣缸中的燃料利用來壓縮工作流體的熱量蒸發。從壓縮空氣到燃料的熱傳遞的結果是壓力上升率降低，如圖 5 所示。在燃燒開始後，壓力上升率急劇增加，燃燒壓力在超過 TDC 的角度達到峰值。控制壓力上升速率的因素包括：點火延遲、燃料質量和噴射速率。

随着氣缸壓力的升高，氣缸溫度也升高并達到峰值。最高燃燒溫度取決于幾個因素，包括：燃油噴射速率、燃油噴射正時、燃油特性（尤其是其熱值和十六烷值）、進氣門關閉時的初始氣缸壓力和充氣溫度。

根據定義，二沖程發動機需要兩個沖程來完成其燃燒循環。圖 6 給出了曲軸箱掃氣式二沖程發動機的運行細節。在柴油二沖程發動機中，随着曲軸箱通道和排氣口打開，曲軸箱中處于輕微壓力下的空氣流入氣缸。上升的活塞最終覆蓋了曲軸箱進氣口，從而将從曲軸箱吸入的空氣捕獲到氣缸中。朝向上止點的進一步向上運動壓縮了在适當時間噴射燃料的空氣。從周圍的熱壓縮空氣中吸收的熱量導緻燃料蒸發并與空氣混合。一旦達到自燃溫度，燃燒開始并導緻工作流體（可燃混合物）膨脹并在活塞表面施加壓力，從而在發動機輸出軸處産生有用的功。同時，新鮮空氣流入曲軸箱，被下降的活塞壓縮至下止點。下降時，活塞打開排氣口，開始對氣缸進行掃氣，并導緻曲軸箱壓力略有增加。曲軸箱壓力的增加導緻新鮮空氣通過曲軸箱傳輸端口進入氣缸并再次恢複循環。

圖 6 中示意圖所示的二沖程發動機并不是二沖程發動機的唯一設計。其他幾種設計存在各種機械布置，但它們的操作原理基本相同。一些二沖程發動機的進氣口和排氣口位于氣缸的一端，如圖 7 所示。其他在氣缸蓋中使用排氣閥而不是排氣口。

清除前一個循環中的廢氣并在氣缸中填充新鮮空氣以進行新循環的過程稱為掃氣。對二沖程發動機進行掃氣的主要方法是利用引入的新鮮空氣的壓力來清除或置換前一個循環中的燃燒氣體。一般來說，進氣壓力越大，掃氣過程越完整。因此，在二沖程發動機中實現了更好的掃氣，部分是通過提高引入氣缸的新鮮空氣的壓力來實現的。這個過程是通過使用各種設備來完成的，例如鼓風機、壓縮機或泵

由于各種原因，還有許多其他方法可以對引擎進行分類。其中一些包括：

• 移動性：引擎既可以用于固定應用，也可以用于移動應用。固定式發動機的範圍從 5 馬力以下的極小功率輸出（例如 Hatz、Yanmar 和 Kubota 單缸發動機）到類似于圖 8 中所示的 109,000 馬力瓦錫蘭單流掃氣 14RT-flex96C 的大型低速二沖程設計。圖 8 實際上是為移動應用設計的——大型集裝箱船——類似的引擎也可以用于固定應用。固定式發動機可用于發電，作為備用或連續應用。它們還用于驅動大型壓縮機等機械。

圖 8 瓦錫蘭 14RT-flex96C 二沖程 109,000 馬力（81 兆瓦）發動機

• 燃料：雖然汽油和柴油燃料是内燃機中最常用的燃料，但還有許多其他燃料可以使用。其中包括：天然氣、液化石油氣 (LPG)、甲醇、乙醇、生物柴油、二甲醚、重質燃料油等。較不常見的燃料可用于可能位于該燃料豐富供應地區附近的特殊應用中。
• 應用：發動機可以安裝在道路（也稱為高速公路或公路）或非道路（也稱為越野）應用的車輛中。公路發動機可為重型卡車以及乘用車和輕便摩托車提供動力。非道路發動機可能涵蓋多種應用，從推土機、反鏟挖掘機和其他建築設備到農業機械，如聯合收割機、拖拉機、割草機和園林工具。其他不太适合公路或非公路描述的應用可能包括飛機、船舶、機車和便攜式設備。
• 速度：發動機的轉速也可以定義為低速、中速或高速。雖然每個速度範圍沒有普遍接受的定義，但表 1 中的值可作為有用的指導

• 布置：發動機設計适合各種安裝。多年來，直列式發動機設計（圖 9（a））在車輛應用中最為流行。二戰後，具有 8 個或更多氣缸的發動機進化到 V 型設計，圖 9(b)，以允許更短的發動機艙。在 1970 年代中期，前輪驅動開始流行，為新的小型汽車設計提供更多空間。橫向發動機安裝成為普遍做法，并導緻 V6 發動機的普及。V 型配置壓縮了發動機的長度，并允許将其包裝在乘用車的引擎蓋下。其他配置包括水平對置活塞發動機圖 10，環形發動機圖 11(a) 和三角型（△）發動機圖 11(b)

• 氣門驅動設計：進氣和排氣閥門或端口的位置可用于區分各種發動機設計。例如，頂置凸輪設計有利于單體噴射器燃料噴射系統的驅動。單體噴油器的驅動通常通過在進氣凸輪和排氣凸輪之間插入一個額外的凸輪來完成。圖12顯示了在實際發動機實施例中應用的各種凸輪布置。

• 進氣：進氣系統有兩種基本設計；自然吸氣或增壓。帶有增壓進氣系統的發動機使用諸如渦輪增壓器或機械增壓器之類的壓縮機來提高進氣歧管中充氣的壓力。帶有自然吸氣式進氣系統的發動機則沒有。圖 13 是渦輪增壓發動機的示意圖

• 增壓空氣冷卻：渦輪增壓或增壓發動機導緻增壓空氣溫度升高。雖然較高的壓力增加了進氣的密度，但可以通過在其壓力升高後冷卻來實現額外的充氣密度。在進氣被壓縮之後的這種冷卻被稱為增壓空氣冷卻、中間冷卻或後冷卻。圖 13 顯示了水冷增壓空氣冷卻器（中間冷卻器）。在增壓空氣冷卻器中，熱量在引入氣缸之前從空氣傳遞到另一種介質，通常是水或空氣。發動機通常被描述為渦輪增壓和後冷 (TA)。
• 發動機冷卻：燃燒産生的熱量必須從發動機最熱的區域散發出去，以保持其機械完整性。将熱量從發動機的關鍵部件帶走的過程是通過其冷卻系統實現的。雖然大多數發動機在熱的發動機部件周圍使用水套通過熱交換器（散熱器）将熱量從發動機傳遞到環境中，但有些發動機使用空氣冷卻。這些發動機在其外表面上有散熱片，通過吹過這些散熱片的空氣進行熱交換。
• 功率調制：增加或減少發動機的功率輸出通常需要控制流向發動機的燃油量。在汽油、火花點火發動機中，空燃比通常是固定的并且在發動機的工作範圍内變化很小，功率調節是通過對發動機進行節流和控制引入氣缸的燃料-空氣混合物的量來實現的。在壓縮點火 (CI) 發動機中，氣流通常不受控制，而功率通過改變噴射到氣缸中的燃料量來控制。雖然空燃比總體上保持稀薄，但它因此在發動機運行範圍内變化很大。在自然吸氣 CI 發動機中，氣流在給定的發動機轉速下相對不變。

往複式内燃機的幾何形狀通常由幾個參數來表征，包括：掃氣容積、間隙容積和壓縮比。

掃氣容積。對于具有缸徑 B cyl和活塞沖程 S p的發動機氣缸，排量V s由該氣缸的橫截面積和活塞沖程的乘積定義，如下所示：

V s = (πB cyl 2 /4) · S p (1)

間隙容積。間隙容積 (V c ) 是活塞處于上止點位置時活塞上方的容積。圖 14 顯示了掃氣容積和間隙容積。

圖 14。掃氣容積和間隙容積之間的關系

壓縮比 幾何 或體積 壓縮比通常定義為總（最大）氣缸體積與最小氣缸體積之比。

C r =（最大氣缸容積）/（最小氣缸容積） （2）

術語壓縮比 意味着等式 2 中的最大容積将是進氣沖程結束時的氣缸容積，而最小容積将是壓縮沖程結束時的氣缸容積。在掃氣容積和間隙容積方面：

C r = (V c V s ) / V c （3）

值得注意的是，幾何壓縮比可能并不總是反映發動機的有效壓縮比或受限壓縮比。通常，氣門可以在活塞從 BDC 位置初始移動期間打開。在所有氣門和/或端口關閉之前，幾乎不存在壓縮。有效壓縮比基于所有氣門和或端口關閉并且工作流體可被認為被截留在氣缸内之後的總氣缸體積。

雖然不是一個通常使用的術語，但也可以将等式 (2) 視為幾何或體積膨脹比，其中最大體積将由膨脹沖程結束時的氣缸體積表示，而最小體積将是在膨脹沖程的開始。對于基于圖 1 所示滑塊曲柄機構的典型發動機，幾何壓縮比和膨脹比之間沒有區别，通常幾乎不需要區分兩者。

然而，對于有效壓縮比和膨脹比而言，情況可能并不總是如此。例如，出于與燃料經濟性和/或排放相關的原因，許多發動機設計已經采用了進氣門正時策略，較傳統發動機進氣進行提前或延遲氣門正時。在這些情況下，壓縮開始時的有效最大氣缸容積減小，有效壓縮比也減小。但是，如果排氣門打開的正時保持不變，則膨脹結束時的有效最大氣缸容積仍然大于壓縮開始時的有效最大氣缸容積，有效膨脹比也是如此。

應該注意的是，有些發動機設計的幾何壓縮比和幾何膨脹比不相等。這方面的一個例子是 James Atkinson 的發明，圖 15 基于阿特金森的早期商業版本是由英國發動機公司在 19世紀建造的。本田在 2011 年為家用熱電聯産機組商業化了一個現代示例。對于汽車應用，(可變壓縮比)這種方法提供了潛在的效率提升，而無需借助複雜的進氣增壓系統來保持功率密度。

物理定律以優雅的方式描述了受控體積中工作流體的質量和能量平衡。在我們的例子中，受控體積是能量和質量流入和流出的發動機氣缸。圖16是内燃機中控制容積的圖示，其中以燃料形式引入化學能以及以燃料和空氣形式引入質量。

定量的燃料通常進入控制容積，空氣也被引入。燃料和空氣都以支持有效燃燒并産生所需功率輸出的量（質量）引入氣缸。總之，控制體積接收質量和能量并且還傳遞質量和能量。應用熱力學定律有助于量化傳遞的能量與控制體積接收的能量之間的關系。

熱力學第一定律簡單地說，能量不能被創造或破壞，隻能從一種形式轉換為另一種形式。例如，大量碳氫燃料包含化學能，該化學能在内燃機的氣缸（控制容積）内轉化為功或機械能。有許多因素，一些理論和一些實際的因素，使這種能量轉換過程無法達到 100% 的效率。将能量從一種形式轉換為另一種形式涉及許多損失，從而導緻整體效率損失。這就是熱力學第二定律所表達的，因為它指出燃燒系統的有用功應該小于熱能輸入。

通常，有用功與添加到氣缸混合氣的熱能之間的比率代表系統的熱效率（η th）：

η th = (輸出功) / (提供給控制體積的熱能) (4)

在圖 16 所示的氣缸和活塞布置中，進入控制容積的燃料和空氣的可燃混合物中所含的能量表示等式 (4) 的分母。當燃料和空氣混合物在控制容積中燃燒時，會産生熱量，從而提高壓力并導緻容積膨脹和活塞移動。活塞的運動使軸旋轉以産生有用的功。控制體積産生的有用功代表方程（4）的分子。

由于第二定律規定該比率必須小于 1，并且第一定律規定不産生或破壞能量，因此還必須考慮發生的損失。損失的大部分能量以熱量的形式通過氣缸壁傳遞或與高溫廢氣産品一起傳遞。通過氣缸壁的熱傳遞被水、油或空氣帶走，以确保構成發動機的材料的溫度不會過高，并且不會失去其機械強度或耐用性。廢氣在高溫下離開氣缸并将熱能傳遞到環境中而沒有任何好處。它們還帶有一些勢能（壓力）和動能（速度）。

活塞和其他機械部件的運動會産生摩擦，從而減少控制體積中的膨脹氣體可能産生的功。如果等式 (4) 的分子中的輸出功表示膨脹氣體的做功減去摩擦損失和将氣體吸入和排出氣缸所需的泵送功，則該比率表示制動熱效率(η bth或BTE)。如果淨功代表在考慮摩擦和泵送損失之前活塞頂部膨脹氣體所做的功，則該比率代表指示熱效率（η ith或 ITE）。

因此，考慮到手頭的系統，我們可以考慮供應燃料和空氣并傳遞活塞運動（功）的控制體積。然而，傳遞的功遠小于提供給控制體積的能量值。提供給控制容積的能量與其輸送的能量之間的差異是損失的總和，包括但不限于冷卻和排氣損失。圖 17 給出了這種能量平衡的有用說明。

雖然到目前為止對通過控制體積進行能量交換的描述通常是正确的，但可能不是很完整。更好地計算進入和離開控制體積的所有能量将必須包括其他類型的能量，但尚未計算在内。例如，任何進入控制體積的質量都會帶來幾種形式的能量：

• 内能; 主要是因為它的溫度通常非常小
• 動能; 主要是由于噴射特性通常會導緻控制容積内的燃料和空氣之間發生重要的相互作用
• 勢能；通常與允許質量進入控制體積的壓力有關
• 流動能量；主要與控制體積與其壓力之間的相互關系有關。

重新審視熱力學第一定律并考慮我們現在熟悉的各種能量形式，可以将控制體積中的能量平衡視為如下：

淨輸出 =（提供給控制體積的能量）-（總能量損失） (5)

換句話說，仔細計算提供給控制體積的能量和由相同體積傳遞的能量有助于評估系統轉換效率。這将在下節“發動機效率”更詳細地讨論。

定義控制體積時必須小心。到目前為止，我們已經将發動機中的一個氣缸視為控制體積。但是，可以将整個發動機或整個車輛視為該控制體積。因此，定義控制體積及其邊界在能量守恒方程中極為重要。

為了完成對控制體積的讨論，應該考慮進入和離開它的質量。如圖 16 所示，燃料和空氣是進入控制容積的兩個主要成分。鑒于現代發動機技術，這可能是對進入控制容積的質量的有限處理，因為控制排放的需要可能要求将一些排氣産物再循環回氣缸。此外，潤滑油會導緻廢氣排放，因此努力限制其在氣缸内的消耗。因此，可以通過以下關系來描述控制體積中質量平衡的更準确表示：

排氣量 = 空氣量 再循環排氣量 燃料量 潤滑油量 (6)

要麼

M exh = M a M egr M f M lo (7)

在往複式内燃機的實際實施例中，附件用于執行各種功能以支持發動機運行。例如，潤滑發動機需要由發動機本身驅動的油泵，從而減去該發動機産生的一部分功。因此，如果控制體積是氣缸，那麼這種系統的轉換效率會比控制體積是發動機的高。發動機運行所需的其他驅動包括燃油噴射系統、凸輪軸、交流發電機、冷卻液泵和增壓器都會額外消耗發動機氣缸内釋放的能量。

無論類别、設計特征、應用重要性、排量或任何其他描述性特征如何，發動機都必須執行一項特定任務——機械功的産生。他們通常期望以最低成本提供高性能，因為客戶期望他們的資本投資（發動機及其安裝所支付的價格）和他們的運營成本（運行和維護發動機的成本）獲得最大的回報。此外，發動機必須在滿足日益嚴格的環境性能标準的同時完成其任務。

發動機設計完成後，必須進行驗證設計。為了充分了解發動機的功能，工程師必須精通測試發動機的科學知識，包括為此目的而設計的實驗室工具、評估和性能參數、測試方法、解釋結果、統計工具、設備校準以及測試和維護。分析設備。對最終用戶來說重要的是以下幾點：

• 發動機購置成本
• 發動機運行特性（輸出和轉速）
• 發動機運行成本（油耗和維護）
• 發動機的可靠性和耐用性
• 發動機的廢氣排放曲線以及使其更加環保的成本。

任何這些項目的重要性将取決于發動機的具體應用。因此，在購買發動機之前必須确定優先級，以反映發動機的使用目的。然而，有一些常用的方法可用于評估發動機性能及其排放曲線。本節重點介紹發動機性能參數、測試工具和測試方法。

對于設計師、發動機開發工程師、最終用戶和業内其他人來說，最重要的是發動機的功率輸出。功率輸出由給定發動機轉速下的最大扭矩定義。發動機功率輸出定義如下：

功率輸出 = (T · N) / 常數 (8)

其中 T 是以 Nm 或 lb-ft 為單位的發動機扭矩，N 是以每分鐘轉數為單位的發動機轉速。發動機最大功率輸出，有時稱為額定功率，定義為特定應用的發動機工作轉速範圍内的峰值功率。

等式（8）中扭矩的出現使我們通過考慮使用發動機的基本目的來尋求更基本的功率定義。發動機産生我們可以在各種應用中使用的功，而功率是産生該功的速率。用于測量功率的最常用方法是設計用于制動發動機的裝置，稱為測功機。測功機的種類很多，但它們都有一些共同的特點。大多數測功機設計有一個不旋轉的定子，并通過電磁或液壓方式與轉子耦合，如圖 18 所示。一些簡單的測功機設計甚至可以使用摩擦制動器。轉子與定子同心并連接到發動機并圍繞定子的軸線旋轉。在電磁測功機中，轉子由發動機驅動，定子中的電場試圖阻止其運動。施加的電磁力 (F) 由放置在距離稱重傳感器中心 (b) 處的稱重傳感器測量，如圖 18 所示。力 (F) 和距離 (b) 的乘積表示為等式 (9) 定義了扭矩。

T = F × b (9)

一轉中，轉子抵抗阻力 f 移動距離 2r，因此它在這一轉中的功為：

功 = 2πrf (10)

轉子的轉動力矩 (rf) 必須通過乘積 F·b 的外部轉動力矩精确平衡，這種關系可以表示如下：

rf = Fb (11)

将等式 (11) 代入等式 (10)，我們可以将工作表示為：

功 = 2πFb (12)

使用等式 (9) 的關系來表示單位時間的功，給出如下：

每分鐘工作量 = 2πTN (13)

由于功率被定義為做功的速率，因此我們可以編寫以下内容：

每分鐘做功 = 功率 = 2πTN (14)

馬力 (hp) 在英制系統中是等于每分鐘 33,000 磅-英尺（每秒 550 磅-英尺）的功率單位，而在公制系統中，千瓦 (kW) 是等效的。千瓦是 550 × 0.746 = 738 磅英尺每秒。定義了這些單位後，我們可以将發動機功率表示為：

馬力 = 2πTN / 33,000 = T(lb-ft) × N(rpm) / 5252 (15)

要麼

kW = 2πTN / 60,000 = T(Nm) × N(rpm) / 9549 (16)

等式 (15) 和等式 (16) 建立了功率輸出、扭矩和發動機轉速之間的關系。從這些關系中，我們得出結論，由于功率是扭矩和速度的函數，因此可以設計發動機以通過高扭矩或高速獲得功率。為高扭矩輸出而設計的發動機通常很大，并且可以承受高内力。它們的最大速度非常低，從不到 100 轉每分鐘 (rpm) 到可能 1800 到 2100 rpm。固定式和船用發動機處于速度範圍的低端，而公路卡車、中檔發動機和大馬力發動機占據速度範圍的高端。高扭矩/低速發動機非常适合重型卡車應用，使它們能夠以非常低的發動機轉速将極高的負載從裝卸碼頭或路口移開。同時，小型高速發動機，例如為許多乘用車提供動力的發動機，在非常高的發動機轉速（高于 5,000 rpm）下産生高功率。這類應用的一個極端例子是速度遠超過 9,000 rpm 的賽車發動機。

如上所述，制動力以用于量化的方法命名。制動功率是衡量發動機産生的有用功率的好方法。指示功率是通過在活塞表面上直接施加氣體壓力産生的功率。通過在完整的燃燒循環期間對氣缸壓力進行積分，可以獲得可用于計算指示功率的循環壓力值。

從圖 19 中，施加到活塞表面的淨壓力為（A 區 - B 區）。區域 A 以順時針箭頭為界，被視為活塞上的正壓力。對區域 B 進行了類似的考慮，發現活塞在從 BDC 移動到 TDC 時再次推動廢氣，并在從 TDC 移動到 BDC 時吸入進氣。B 區通常被認為是衡量泵送損失的指标。淨指示功是整個發動機循環産生的淨功，即：淨指示功=面積A-面積B。總指示功是活塞面上在燃料化學能轉化為功時所做的總功，即: 總指示工作 = A 區。

總指示功率可以表示為：

指示功率 = 制動功率 泵送功率 摩擦功率

圖 19 中的區域 A 被描述為表示工作流體在活塞表面上施加的功的區域。燃燒過程産生的壓力，作為氣缸容積的函數，被施加到活塞表面以産生動力。指示的平均有效壓力 (imep) 是單位掃過體積中氣體對活塞所做的功。以下是imep的表達式：

imep = ∫ (P i /V d ) dV (18)

圖 20 以圖形方式顯示了指示的平均有效壓力。

等式 (18) 可用于根據是否包括泵送損失來确定總 IMP 或淨 IMP。

雖然imep是施加在活塞表面上的整體壓力的一種形式，但制動平均有效壓力可以描述為産生有用功率的imep部分。它表示減去摩擦、泵送和其他寄生損失（這些損失中最大的是摩擦損失）後的淨功。制動平均有效壓力 (bmep) 與發動機扭矩之間存在比例關系。與其使用取決于發動機尺寸的扭矩，不如使用 bmep，因為它是等式 (19) 中給出的歸一化參數。

bmep = ∫ (P b /V d ) dV (19)

在數值上，bmep 可以使用其與扭矩的比例關系來計算，如公式 (20) 和公式 (21) 所示，分别适用于二沖程和四沖程發動機。

bmep 2 沖程= 75.4 × T(lb-ft) / V d (in 3 ), psi; 或 = 6.28 × T(Nm) / V d (dm 3 ), kPa (20)

bmep四沖程= 150.8 × T(lb-ft) / V d (in 3 ), psi; 或 = 12.56 × T(Nm) / V d (dm 3 ), kPa (21)

其中 V d是發動機排量。習慣上根據發動機的 bmep 使用其峰值扭矩值來比較發動機。然而，更準确的發動機比較應該考慮發動機的整個 bmep 特性與其速度範圍。

通常在發動機測試期間記錄單位時間内的燃料消耗量。評估發動機效率的一種方法是使用燃料消耗與有用功率的比率。這種數學處理的結果産生了術語制動比燃料消耗 (bsfc)。本質上，bsfc 是發動機在産生一馬力或千瓦輸出的過程中消耗多少燃料的量度，公式 (22)。

bsfc =（單位時間油耗）/（制動功率輸出） (22)

常用單位為 g/kWh 或 lb/bhp-hr。

單缸發動機在發動機研究工作中很受歡迎。由于動力僅由一個氣缸産生，因此相對于這些發動機的動力輸出而言，摩擦和寄生損失高得不成比例。在這些情況下，工程師不使用術語 BSFC計算指示的特定燃料消耗 (ISFC)。ISFC 項是根據指示的功率輸出計算得出的，公式 (23)。同樣，常用單位是 g/kWh 和 lb/bhp-hr。

ISFC =（單位時間燃料消耗）/（指示功率輸出） (23)

對于給定較低熱值 (LHV) 的燃料，燃料消耗率 (SFC) 與發動機的熱效率η th 成反比。

η th =（功率輸出）/（熱能輸入）=（功率輸出）/（燃油率·LHV）=1/（SFC·LHV） (24)

對于柴油，假設 LHV = 42.64 MJ/kg，這可以表示為：

η th，柴油= 84.4 / sfc (25)

其中：SFC = 單位燃料消耗量，單位為 g/kWh

這種關系對制動器特定（BTE 和 BSFC）和指示（ITE 和 ISFC）參數對都有效。

發動機總重量和體積對于包裝和成本考慮非常重要。例如，大多數移動引擎應用程序中的引擎蓋下空間是有限的。因此，在具有合适的功率輸出和扭矩特性的發動機中，體積最小的發動機将是最大的優勢。不僅發動機體積非常重要，而且它的重量也很重要。重量越輕，它對給定應用的優勢就越大，因為運輸額外的重量需要消耗燃料。術語比發動機重量和比發動機體積用于比較具有相似功率輸出但具有不同尺寸和重量的發動機。

比容和比重由以下等式計算：

比容 =（發動機容積）/（額定功率） (26)

比重=（發動機重量）/（額定功率） (27)

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