正確理解發(fā)動機的“轉(zhuǎn)矩”和“功率”

□李陸山

“轉(zhuǎn)矩”和“功率”這2個詞對于廣大汽車愛好者來說，可謂司空見慣，但是當(dāng)有人問起發(fā)動機的“轉(zhuǎn)矩”和“功率”各代表什么含義?它們之間又有何聯(lián)系?能準(zhǔn)確回答出來的恐怕并不太多。下面就和大家談?wù)動嘘P(guān)發(fā)動機“轉(zhuǎn)矩”和“功率”的一些內(nèi)容。

一、“轉(zhuǎn)矩”和“功率”是表征發(fā)動機動力性能的重要指標(biāo)

發(fā)動機通過飛輪對外輸出的轉(zhuǎn)矩稱為有效轉(zhuǎn)矩，用Te表示，單位為N·m。有效轉(zhuǎn)矩與外界施加于發(fā)動機曲軸上的阻力矩相平衡。

發(fā)動機通過飛輪對外輸出的功率稱為有效功率，用Pe表示，單位為kW。它等于有效轉(zhuǎn)矩與曲軸角速度的乘積。發(fā)動機的有效功率可以用臺架試驗方法測定，即用測功器測定有效轉(zhuǎn)矩和曲軸角速度，然后運用以下的公式便可計算出發(fā)動機的有效功率。

Pe=Te·(2π·n/60)·10－3≈Te·n/9550(kW)

其中：Te--有效轉(zhuǎn)矩，N·m

n--發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min

有效轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大轉(zhuǎn)矩，有效功率的最大值稱為最大功率。報刊上在介紹某一車型時，其技術(shù)參數(shù)中的轉(zhuǎn)矩和功率通常就是最大轉(zhuǎn)矩和最大功率。而發(fā)動機銘牌上標(biāo)明的功率及相應(yīng)轉(zhuǎn)速則稱為額定功率和額定轉(zhuǎn)速，額定功率一般要小于最大功率，按照汽車發(fā)動機可靠性試驗方法的規(guī)定，汽車發(fā)動機應(yīng)能在額定工況下能連續(xù)運行300～1000h。

關(guān)于轉(zhuǎn)矩和功率的含義，通俗一點講，轉(zhuǎn)矩好比百米賽跑選手在起跑點蹲撐，蓄勢待發(fā)，準(zhǔn)備沖向前那一剎那的沖勁；而功率就是維持這股勁可以越跑越快，一直跑到終點的能力。增大發(fā)動機的排量，就能提高Te和Pe。為了增大發(fā)動機排量，可增加氣缸數(shù)(如3缸變4缸)，或者增加單位氣缸的容積(如增大氣缸內(nèi)徑)。

二、正確理解發(fā)動機的“轉(zhuǎn)矩”和“功率”關(guān)系

發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩、功率與曲軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律可以通過發(fā)動機的臺架試驗來得到，試驗時先保持發(fā)動機一定的節(jié)氣門開度，用測功器對發(fā)動機曲軸施加一定數(shù)值的阻力矩。當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定時，即阻力矩等于發(fā)動機發(fā)出的有效轉(zhuǎn)矩，這時可測得發(fā)動機轉(zhuǎn)速n和有效轉(zhuǎn)矩Te，然后根據(jù)Pe與Te和n的關(guān)系即可求出有效功率Pe來。用這種方法可以測得另一轉(zhuǎn)速下的Te與Pe，如此重復(fù)多次，即可得到一定節(jié)氣門開度下的Te、Pe和n的變化曲線。如果改變節(jié)氣門開度，又可測得另一組特性曲線。當(dāng)節(jié)氣門開度最大時，所得到的特性曲線稱為發(fā)動機外特性曲線(如圖)，節(jié)氣門其他開度下的特性稱為部分特性曲線。

從圖中我們可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為n2時，發(fā)動機發(fā)出最大轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于n2時，發(fā)動機燃燒不良，另外轉(zhuǎn)速降低，每個工作循環(huán)的時間增加，燃燒氣體與氣缸壁接觸時間增長，由于冷卻而產(chǎn)生的熱量損失更大，因而轉(zhuǎn)矩略小。當(dāng)轉(zhuǎn)速n2不斷增加時，由于進氣行程時間短，氣體流速高，阻力大，充氣量也減少，而摩擦損失又加大，故Te也隨之減少。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達到n3時，有效功率Pe達到最大值，由于功率等于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積。在n1～n2范圍內(nèi)，因為Pe與n都是漸漸增加的，其乘積自然也增加，故在轉(zhuǎn)速n1～n2范圍內(nèi)Pe隨n的增加而增加。在n2～n3范圍內(nèi)，n雖繼續(xù)增加，但Pe卻逐漸降低，不過由于Pe降低較慢，故Pe是緩慢地增加，到n3時Pe達到最大值。轉(zhuǎn)速超過Pe時，雖然n是增加的，但由于Pe下降很快，故Pe也逐漸下降。

以上講的是發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、功率與曲軸轉(zhuǎn)速三者之間的關(guān)系，為了讓大家能更好地理解上述內(nèi)容，我們不妨再形象地打個比方：

發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩象征其氣缸一口氣所能吸進的油氣量，這個吸氣量是會隨油門開度的加大和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的逐漸升高而增加的，但是它不會一直變大上去，到了某一轉(zhuǎn)速它就會達到顛峰，這就是平時人們所說的最大轉(zhuǎn)矩。發(fā)動機的轉(zhuǎn)速再上升，它就會逐漸下降，這是汽油發(fā)動機等內(nèi)燃機在轉(zhuǎn)矩上的特色，也是最不理想的地方。

功率等于轉(zhuǎn)矩乘以轉(zhuǎn)速，它象征在單位時間里發(fā)動機可吸進的油氣量。所以，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸上升到最大轉(zhuǎn)矩點時，每口氣吸進的油氣量和單位時間里的吸氣次數(shù)都在增加，因此功率一直上升；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過最大轉(zhuǎn)矩點后，盡管每口氣吸進的油氣量減少，但由于降幅不大且吸氣次數(shù)在增加，所以一直增加到最大功率點為止；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過最大功率點后，每口氣吸進的油氣量減少幅度要大于吸氣次數(shù)的增加幅度，所以功率開始減少。

三、如何比較不同發(fā)動機的優(yōu)劣或強化程度

汽車所要求的發(fā)動機動力性指標(biāo)Te和Pe是在一定轉(zhuǎn)速下得到的。不同汽車的使用要求不一樣，車速也不一樣(如載貨汽車和轎車使用的車速就不一樣)，所對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速就不一樣，因此不同用途的發(fā)動機，即便在有效功率相等的情況下，它們所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也是不一樣的，反言之即功率相等的發(fā)動機并不能符合所有車型的要求，還必須在考慮功率和轉(zhuǎn)矩的同時看其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這樣才能全面看出發(fā)動機的動力性能指標(biāo)Te和Pe是否符合要求。而Te和Pe這兩項動力性指標(biāo)并不能直接用來評價不同排量發(fā)動機的優(yōu)劣或強化程度，即不是功率和轉(zhuǎn)矩大的發(fā)動機就好或強化程度就高，而是要看單位氣缸工作容積所發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)矩。TL和PL就是表示單位氣缸工作容積的轉(zhuǎn)矩和功率，使用這兩項指標(biāo)才能比較出不同發(fā)動機的優(yōu)劣或強化程度。

汽車發(fā)動機TL和PL的范圍：

汽油機：TL=600kPa～1000kPa

PL=22kW/L～55kW/L

柴油機：TL=600kPa～900kPa

PL=11kW/L～26kW/L

在額定工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的功率叫升功率。

PL=Pe/(Vh·i)(kW/L)

其中：Vh--氣缸工作容積(L)

i--氣缸數(shù)

升功率標(biāo)征單位氣缸工作容積的利用率，PL越大表示單位氣缸工作容積發(fā)出的功率越大，那么當(dāng)發(fā)動機功率一定時，PL越大發(fā)動機就越小，材料質(zhì)量越小。

提高升功率的途徑主要有4個：(1)增加充氣量燃料燃燒需要空氣，相對燃料而言，空氣更難進入氣缸。采用增壓技術(shù)或改善換氣過程(如減少進氣阻力)可提高充氣量。(2)改善混合氣質(zhì)量和燃燒質(zhì)量在一定的空氣量下，空氣與油料混合均勻，燃燒充分，單位氣缸容積供熱量增多。(3)提高發(fā)動機機械效率減少機械損失才能增加有效功率的輸出。減少機械損失主要是減少各摩擦副的摩擦損失，其次是減少輔助機構(gòu)的功率消耗和泵氣損失。(4)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速主要是增加作功(或充氣)頻率，即增加單位時間的充氣量。但是提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速除應(yīng)考慮機械強度外，轉(zhuǎn)速增加，每循環(huán)的充氣量減少、機械損失增大、燃燒過程難以組織，即轉(zhuǎn)速提高，會使Pe下降，因此，增加轉(zhuǎn)速也要適度。