正確理解發動機的“轉矩”和“功率”

□李陸山

“轉矩”和“功率”這2個詞對于廣大汽車愛好者來說，可謂司空見慣，但是當有人問起發動機的“轉矩”和“功率”各代表什么含義?它們之間又有何聯系?能準確回答出來的恐怕并不太多。下面就和大家談談有關發動機“轉矩”和“功率”的一些內容。

一、“轉矩”和“功率”是表征發動機動力性能的重要指標

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

發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。它等于有效轉矩與曲軸角速度的乘積。發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矩和曲軸角速度，然后運用以下的公式便可計算出發動機的有效功率。

Pe=Te·(2π·n/60)·10－3≈Te·n/9550(kW)

其中：Te--有效轉矩，N·m

n--發動機轉速，r/min

有效轉矩的最大值稱為最大轉矩，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，其技術參數中的轉矩和功率通常就是最大轉矩和最大功率。而發動機銘牌上標明的功率及相應轉速則稱為額定功率和額定轉速，額定功率一般要小于最大功率，按照汽車發動機可靠性試驗方法的規定，汽車發動機應能在額定工況下能連續運行300～1000h。

關于轉矩和功率的含義，通俗一點講，轉矩好比百米賽跑選手在起跑點蹲撐，蓄勢待發，準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。增大發動機的排量，就能提高Te和Pe。為了增大發動機排量，可增加氣缸數(如3缸變4缸)，或者增加單位氣缸的容積(如增大氣缸內徑)。

二、正確理解發動機的“轉矩”和“功率”關系

發動機的轉矩、功率與曲軸轉速的變化規律可以通過發動機的臺架試驗來得到，試驗時先保持發動機一定的節氣門開度，用測功器對發動機曲軸施加一定數值的阻力矩。當發動機運轉穩定時，即阻力矩等于發動機發出的有效轉矩，這時可測得發動機轉速n和有效轉矩Te，然后根據Pe與Te和n的關系即可求出有效功率Pe來。用這種方法可以測得另一轉速下的Te與Pe，如此重復多次，即可得到一定節氣門開度下的Te、Pe和n的變化曲線。如果改變節氣門開度，又可測得另一組特性曲線。當節氣門開度最大時，所得到的特性曲線稱為發動機外特性曲線(如圖)，節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，當轉速為n2時，發動機發出最大轉矩。當轉速小于n2時，發動機燃燒不良，另外轉速降低，每個工作循環的時間增加，燃燒氣體與氣缸壁接觸時間增長，由于冷卻而產生的熱量損失更大，因而轉矩略小。當轉速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。

當轉速達到n3時，有效功率Pe達到最大值，由于功率等于轉矩和轉速的乘積。在n1～n2范圍內，因為Pe與n都是漸漸增加的，其乘積自然也增加，故在轉速n1～n2范圍內Pe隨n的增加而增加。在n2～n3范圍內，n雖繼續增加，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。

以上講的是發動機轉矩、功率與曲軸轉速三者之間的關系，為了讓大家能更好地理解上述內容，我們不妨再形象地打個比方：

發動機的轉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動機轉速的逐漸升高而增加的，但是它不會一直變大上去，到了某一轉速它就會達到顛峰，這就是平時人們所說的最大轉矩。發動機的轉速再上升，它就會逐漸下降，這是汽油發動機等內燃機在轉矩上的特色，也是最不理想的地方。

功率等于轉矩乘以轉速，它象征在單位時間里發動機可吸進的油氣量。所以，當發動機轉速逐漸上升到最大轉矩點時，每口氣吸進的油氣量和單位時間里的吸氣次數都在增加，因此功率一直上升；當轉速超過最大轉矩點后，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在增加，所以一直增加到最大功率點為止；當轉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的增加幅度，所以功率開始減少。

三、如何比較不同發動機的優劣或強化程度

汽車所要求的發動機動力性指標Te和Pe是在一定轉速下得到的。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)，所對應的發動機轉速就不一樣，因此不同用途的發動機，即便在有效功率相等的情況下，它們所對應的轉速也是不一樣的，反言之即功率相等的發動機并不能符合所有車型的要求，還必須在考慮功率和轉矩的同時看其所對應的轉速，這樣才能全面看出發動機的動力性能指標Te和Pe是否符合要求。而Te和Pe這兩項動力性指標并不能直接用來評價不同排量發動機的優劣或強化程度，即不是功率和轉矩大的發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出的功率和轉矩。TL和PL就是表示單位氣缸工作容積的轉矩和功率，使用這兩項指標才能比較出不同發動機的優劣或強化程度。

汽車發動機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，發動機每升氣缸工作容積所發出的功率叫升功率。

PL=Pe/(Vh·i)(kW/L)

其中：Vh--氣缸工作容積(L)

i--氣缸數

升功率標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出的功率越大，那么當發動機功率一定時，PL越大發動機就越小，材料質量越小。

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)改善混合氣質量和燃燒質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的功率消耗和泵氣損失。(4)適當提高轉速主要是增加作功(或充氣)頻率，即增加單位時間的充氣量。但是提高發動機轉速除應考慮機械強度外，轉速增加，每循環的充氣量減少、機械損失增大、燃燒過程難以組織，即轉速提高，會使Pe下降，因此，增加轉速也要適度。