下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
发动机的动力性可用发动机的有效功率即轴功率评价。发动机点火系统、燃油供给系统、润滑系统、冷却系统技术状况不良或机件磨损，都会导致功率下降。因此，发动机功率是评价发动机技术状况的综合性指标。检测发动机功率，不仅可以直接评价发动机的动力性，而且可以确定发动机的技术状况。
发动机有效功率 P e （kW）、有效转矩 M e （N·m）和转速 n （r/min）之间有如下关系：
由式（2-1）可见，发动机有效功率可以通过测量有效转矩和转速，并据此计算得到。
发动机功率检测（简称测功）有台架稳态试验和就车动态试验两种基本形式。
稳态测功，是指发动机在节气门开度一定、转速一定和其他参数都保持不变的稳定状态下，在专用发动机测功机上测定发动机功率的一种方法。常见的测功机有水力测功机、电力测功机和电涡流测功机3种。利用测功机测出发动机的转速和转矩，然后计算得出发动机有效功率。
稳态测定发动机的额定功率是在发动机节气门全开的情况下进行的。利用测功机对发动机的曲轴施加负荷，使其在额定转速下稳定运转，测出其对应的转矩，便可据此求出额定有效功率。如在不同的加载负荷下，测出所对应的转矩和转速，并计算出在不同负荷下发动机输出的功率，便可以在 M e -n 、 P e -n 坐标图上绘制出转矩外特性和功率外特性曲线。
稳态测功时，由于需要对发动机施加外部负荷，所以也称为有负荷测功或有外载测功。
稳态测功的结果比较准确、可靠，但需要较为复杂昂贵的测功设备，且测功过程费时费力、成本较高。因此，稳态测功多为发动机设计、制造部门和科研单位进行发动机性能试验时所采用。
动态测功是指发动机在节气门开度和转速等参数均处于变化的状态下，测定发动机功率的一种方法。动态测功时，由于无须对发动机施加外部载荷，所以又称为无负荷测功或无外载测功。其基本方法是：当发动机在怠速或某一低转速下，突然全开节气门，使发动机克服自身惯性和内部各种运转阻力而加速运转时，其加速性能的好坏能直接反映出发动机功率的大小。该测功方法所用仪器轻便，测功速度快，方法简单，但测功精度较低。
对于汽车使用单位而言，由于经常需要在不解体条件下进行就车试验测定发动机功率。因此，发动机无负荷动态测功得到广泛应用。
根据GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》，发动机功率应大于等于标牌（或产品使用说明书）标明的发动机功率的75%；根据GB/T 3799—2021《汽车发动机大修竣工出厂技术条件》，发动机大修竣工时发动机动力性应符合GB/T 18276—2017汽车驱动轮输出功率的要求。
GB/T 18276—2017《汽车动力性台架试验方法和评价指标》规定，汽车动力性评价指标包括：
①汽车在发动机最大转矩工况或额定功率工况时的驱动轮输出功率。
②汽车在发动机额定功率工况或最大转矩工况时的驱动轮轮边稳定车速。采用驱动轮轮边稳定车速作为评价指标时，压燃式发动机车辆采用额定功率工况，点燃式发动机车辆采用最大转矩工况。
表2-1为客车最大转矩工况车速及驱动轮输出功率限值推荐值。
表2-1 客车最大转矩工况车速及驱动轮输出功率限值推荐值
如果把发动机的所有运动部件看成一个绕曲轴中心线转动的回转体，当发动机与传动系统脱开，将没有任何外界负荷的发动机在怠速下突然将节气门打开至最大开度时，发动机产生的动力克服机械阻力矩和压缩气缸内混合气阻力矩后所剩余的有效转矩 M e ，将全部用来使发动机运动部件加速。此时，发动机克服本身惯性力矩迅速加速到空载最大转速。对于某一型号的发动机而言，其运动部件的转动惯量近似为一个定值。发动机的有效功率越大，其运动部件的加速度也越大。这样，可以通过测定发动机在某一转速下的瞬时加速度或指定转速范围内的平均加速度、加速时间来确定发动机有效输出功率的大小。
这样，根据基本测功原理，无负荷测功可分为两类：
①用测定瞬时角加速度的方法测定瞬时功率。
②用测定加速时间的方法测定平均功率。
（1）瞬时功率测试原理 把发动机的所有运动部件等效地看成一个绕曲轴中心线旋转的回转体，当突然将节气门打开，使发动机克服其惯性力矩加速旋转时，测得发动机的瞬时角加速度，进而求出发动机的瞬时输出功率。
根据刚体定轴转动微分方程，发动机有效转矩与角加速度间的关系为：
式中 M e ——发动机有效转矩（N·m）；
J ——发动机运动部件对曲轴中心线的当量转动惯量（kg·m 2 ）；
n ——发动机转速（r/min）；
——曲轴角加速度（rad/s
2
）；
——曲轴转速变化率（r/s
2
）；
ω ——曲轴的角速度（rad/s）。
将 M e 代入式（2-1）得：
令
则
在节气门突然开启的急加速变工况条件下测试发动机功率时，混合气形成、发动机燃烧状况和热状况等与稳态测试时不同，其有效功率值比稳态测试时的功率值小，因此引入修正系数 K 1 对式（2-3）进行修正。即
记 C′ = K 1 · C 1 ，则
式（2-4）表明：加速过程中，发动机在某一转速下的功率与该转速下的瞬时加速度成正比。这样，发动机无负荷测瞬时功率的问题，实质上成为测定发动机转速和在该转速下的角加速度或曲轴转速变化率的问题。即只要测出发动机在加速过程中的转速
n
和对应的瞬时转速变化率
，便可求出该转速下的瞬时有效功率。
（2）平均功率测试原理 瞬时功率检测要求检测系统具有很快地处理、计算转速传感器输出的转速信号的能力，在实际应用时有时会遇到一定困难。
平均功率测试指在无负荷工况下根据发动机从某一指定转速急加速到另一指定转速所经过的时间，求得在加速过程中发动机的平均有效功率 P em 。
发动机空载低速运转时，将加速踏板突然开至最大开度，相当于对发动机施加一个阶跃输入，其转速响应过程接近于二阶系统的阶跃响应曲线，如图2-1所示。从图中可以看出，在一定时间内转速呈直线上升趋势。在此时间段内，发动机的功率克服自身加速运动产生的惯性力矩而做功。
图2-1 发动机转速上升曲线
根据动能原理，发动机无负荷加速过程中，其动能增量等于发动机所作的功。即
式中 A ——发动机所做的功（J）；
ω 1 ——测定区间起始角速度（rad/s）；
ω 2 ——测定区间终止角速度（rad/s）。
若发动机曲轴旋转角速度从 ω 1 上升到 ω 2 的时间为Δ T （s），则发动机在这段时间内的平均功率 P em （W）为
显然：
，如果以千瓦（kW）作为平均功率
P
em
的单位，则有
若已知转动惯量 J （kg·m 2 ），并确定测量时的起始转速和终止转速 n 1 （r/min）、 n 2 （r/min），则 C 2 为常数，称为平均功率测功系数。一般 n 1 要稍高于怠速转速， n 2 宜取额定转速。
式（2-5）表明，加速过程中，发动机在某一转速范围 n 1 ～ n 2 内的平均功率与加速时间Δ T （s）成反比。即节气门突然全开时，发动机由转速 n 1 （r/min）加速到转速 n 2 （r/min）的时间越短，表明发动机功率越大，动力性越好；加速时间越长，则发动机功率越低。这样，测某转速范围的平均功率，实质上就成为测定该转速范围加速时间的问题。
与瞬时功率测试的情况类似，由于 n 1 ～ n 2 范围内的平均功率亦是在急加速变工况条件下测得的，其测试值与稳态工况下的测试值有一定差异，需引入修正系数 K 2 进行修正，并令 C″ = K 2 · C 2 。这样：
由于现代内燃机具有类似的外特性功率曲线和动态特性，发动机发出的平均功率与外特性最大有效功率间有较为稳定的比例关系。因此，通过对比无负荷平均功率的测试值与台架试验发动机功率的测试值，找到所测机型的动态平均功率与稳态有效功率间的关系，确定 K 2 的值，并据此对无负荷测功仪进行标定，便可以通过测定 n 1 ～ n 2 转速范围内的加速时间Δ T 测出发动机的功率值。
由无负荷测功原理可知，无论瞬时功率测试还是平均功率测试，都离不开对转速
n
、角加速度
或加速时间Δ
T
的测试。
（1）转速 对汽油发动机而言，其转速信号可取自点火线圈的漏磁或点火线圈低压、高压脉动电流。图2-2a为漏磁感应所用传感器，在螺栓形的磁心上绕一匝数约为10000匝的电感线圈。当传感器靠近点火线圈时，在点火线圈脉动漏磁作用下，传感器1、2两端便会产生感生脉动电压信号。图2-2b为电磁感应所用传感器，在U形磁心上绕一电感线圈，点火线圈低压或高压连接线嵌入磁心内，发动机运转时，连接线有脉动电流通过，在其周围产生脉动磁场，从而在传感器线圈两端产生脉动电压信号。
发动机转速 n （r/min）与高压连接线中感生电压脉动频率 f （s -1 ）的关系为
式中 τ ——发动机缸数。
对于柴油发动机，可利用磁阻式传感器从发动机飞轮上取得转速信号，见图2-2c。磁阻式传感器由永久磁铁及绕在其上的线圈组成，使用时装在飞轮壳上并使其与飞轮齿顶保持1～2mm的间隙。当飞轮旋转时，轮齿的凹部和凸部交替通过磁阻式传感器，引起磁路中磁阻的变化，使通过线圈的磁通量发生强弱交替变化，从而在线圈中产生交流电动势。电动势的交变频率等于飞轮每秒钟转过的齿数，由此得到发动机转速 n 与传感器线圈中感应电动势的交变频率 f 间的关系为
图2-2 转速传感器工作原理
式中 z ——飞轮齿圈齿数。
（2）角加速度 图2-3为瞬时角加速度测试原理框图。从传感器传来的转速脉冲信号，输入脉冲整形装置整形放大，转变为矩形触发脉冲信号，并把脉冲信号的频率放大2～4倍，以提高仪器的灵敏性。矩形触发脉冲信号输入加速度计算器，并且只有在发动机转速达到规定值时，整形装置才输出触发脉冲信号。触发脉冲信号通过控制装置触发加速度计算器工作，计算一定时间间隔内输入的脉冲数，并把这些脉冲数累加起来。时间间隔由时间信号发生器控制。每一时间间隔的脉冲数与发动机转速成正比，后一时间间隔和前一时间间隔脉冲数的差值则与发动机的角加速度成正比，而发动机的有效功率又与角加速度成正比。转换分析器可把计算器输出的脉冲信号，即与功率成正比的角加速度脉冲信号转变为直流电压信号，然后输入指示电表。该指示电表可按功率单位标定，因而可直接测得功率值。时间间隔取得越小，则所测出的有效功率越接近瞬时有效功率。
（3）加速时间 图2-4为加速时间测试原理框图。来自传感器的发动机转速信号脉冲，经整形装置整形为矩形触发脉冲，并转变为平均电压信号。在发动机加速过程中，当转速达到起始转速 n 1 时，此时与 n 1 对应的电压信号通过 n 1 触发器触发计算与控制电路，使时标信号进入计算器并寄存。当发动机加速到终止转速 n 2 时，与 n 2 对应的电压信号通过 n 2 触发器又去触发计算与控制电路，使时标信号停止进入计算器，并把寄存器中时标脉冲数经数模转换随时转换成电信号，通过显示装置显示出加速时间或直接标定成功率单位显示。
图2-3 瞬时角加速度测试原理框图
图2-4 加速时间测量原理框图
无负荷测功误差较大的主要原因如下：
（1）发动机运转部件的当量转动惯量 J 的误差 当量转动惯量 J （kg·m 2 ）用于模拟发动机所有运动部件对曲轴中心线的转动惯量，不可避免会存在误差。即使对同型号发动机而言， J 的值也只是基本上接近常量。因此，当量转动惯量 J 值的精确度在很大程度上决定了无负荷测功结果的精确度。
（2）无负荷测功的阻力负载 除发动机的惯性阻力外，发动机加速过程中的阻力负荷还包括：
①运动部件的摩擦阻力。
②驱动发动机附件的阻力。
③进、排气过程的泵吸损失等。
这些阻力都随相应部件、机构的技术状况而变化，不是定值。若不考虑其变化或视为定值，则会因此导致测试误差较大、重复性较差、可比性不好。
（3）变工况修正系数 K 1 、 K 2 的精确度 无论瞬时功率测试还是平均功率测试都是在节气门突然打开的急加速变工况条件下进行的，测试过程中的混合气形成、发动机燃烧状况和热状况等与稳态测试时不同，其有效功率值比稳态测试时的功率值小，因此引入了修正系数 K 1 、 K 2 对检测结果进行修正。但由于影响因素众多且不确定性较大，修正系数 K 1 、 K 2 的取值难免有误差，从而使无负荷功率检测结果产生较大误差。
（4）操作方法等人为因素的影响 操作方法等人为因素对无负荷加速测功的结果影响很大。测试时，踩加速踏板的快慢所引起的测试误差可高达20%。因此，测功试验时，踩加速踏板的速度和力度要均匀，重复性要好。
为提高无负荷测功结果的准确性，测试前应使影响发动机加速过程的有关机构处于正常的技术状况。例如：发动机供油系的加速踏板拉线松紧、节气门摇臂等机构的间隙应适当；并应充分暖车以使冷却系预热到正常工作温度。
检查各个气缸的功率及各缸动力性能是否一致，是动力性检测的重要内容。在发动机正常工作情况下，发动机输出功率应等于各缸功率之和，各缸输出功率应大致相等，即各缸动力应平衡。这样，发动机才能具有良好的动力性，其运转才能平稳。另一方面，在测得的发动机有效功率较小时，测试发动机单缸功率，可以发现引起发动机动力性下降的具体原因和部位。
发动机单缸功率或动力性检测有以下两种方法：
（1）用无负荷测功仪测试单缸功率 使用无负荷测功仪测定发动机单缸功率时，首先应测出各缸都工作时的发动机功率，然后在所测气缸断火（高压短路或柴油机输油管断开）情况下测出所测气缸不工作时的发动机功率，两功率测试值之差即为断火气缸的单缸功率。显然，气缸数越多，单缸功率占总功率的份额越小，对单缸功率的检测越困难，无负荷测功仪检测结果的误差越大。
若各单缸功率相同，则说明发动机各缸功率均衡性好；若某缸断火后，测得的功率没有变化，则说明其单缸功率为零，该缸完全不工作。若发动机单缸功率偏低，则一般是该缸高压线、分线插座或火花塞技术状况不佳、气缸密封性不良所致，应更换、调整或维修。
（2）利用断火试验时的发动机转速下降值判断单缸动力性 发动机以某一转速稳定运转时，如果交替使各缸点火短路，则每次短路后发动机均应出现功率下降，导致发动机转速下降。若各气缸工作状况良好，则每次转速下降的幅度应大致相等；而当各缸依次断火后发动机转速下降的幅度差别很大，则说明各缸动力性均衡性差，有些缸工作不正常；若某缸断火后，发动机依旧以原来的转速旋转或下降幅度不大，则可以断定该缸不工作或工作状况不良。据此，可以采用简单的转速表测定某缸不工作时的转速下降值，以判断该缸的动力性好坏。
断火试验时，发动机转速下降的程度与起始转速有关。试验表明：若发动机起始转速为1000r/min，正常情况下，某缸不工作时发动机转速的下降范围见表2-2。检测时，单缸断火后的转速下降值应符合诊断标准，且最高和最低下降值之差不大于转速下降平均值的30%。
表2-2 某缸不工作时发动机转速的下降值
发动机单缸断火后转速下降的平均值与气缸数有关，气缸数越多，单缸断火后转速的下降值越小。因此，对于气缸数多于8个的发动机，用单缸断火后的转速下降值判断各缸工作性能的难度较大。
使用上述两种方法检测发动机单缸功率时，应该注意的是：由于某缸断开后，进入该缸的汽油混合气不参与燃烧，汽油会洗刷气缸壁上的润滑油膜，使气缸磨损加剧；同时窜入油底壳的汽油会稀释机油。因此，进行断火试验时，其时间不能太长。