1.现行评价指标存在的问题

 

　　对于工程机械，尤其是铲土运输机械，其作业对象负荷多变，使得发动机转速在额定转速至最大扭矩转速范围内变化，当遇到过大冲击载荷时，还会导致发动机强行熄火。由于不同的机器如推土机、装载机、挖掘机和起重机等，其负载特性不完全相同，因此在发动机的选取上也有差异。

 

　　目前，发动机的动力性能主要是以发动机的外特性来体现的。所谓发动机外特性，是指发动机油量调节拉杆固定在额定功率循环供油位置（喷油泵最大供油量）时，发动机的性能指标（主要指输出功率Pe、输出扭矩Me、比油耗ge等）随转速ne的变化关系，如图1所示。发动机的外特性曲线能够反映出发动机所具有的动力性能。图1中PeH为额定转速对应的发动机功率，称为额定功率；Pem为最大扭矩对应的发动机功率；geH为额定转速对应的比油耗；gem为最大扭矩对应的比油耗；gmin为发动机工作转速范围内的最小比油耗。扭矩适应性系数KM和速度适应性系数KV分别由式（1）和式（2）求得。

 

　　式中：Me.max为最大扭矩（N·m）；MeH为额定功率对应的扭矩（N·m）；nem为额定功率对应的转速（r/min）；nem为最大扭矩对应的转速（r/min）。

 

　　通常情况下，发动机工作时的正常转速为nem～neH，而评价指标Km和KV值的实际意义如下：

 

　　1.1.KM主要说明车辆在作业中阻力增大、发动机转速下降时扭矩自动增加的能力，因而该值的大小反映了车辆在不换挡的情况下发动机克服外载荷的能力；

 

　　1.2.KV值越大，则说明发动机的工作转速范围越宽，车辆克服外载荷的潜力也就越大。

 

　　选取发动机时，首先要根据需要选择发动机的输出功率Pe和输出扭矩Me，其次考虑扭矩适应性系数KM和速度适应性系数KV，这4个指标作为发动机动力性能公认的评价指标，其意义是不言而喻的，但它们也存在着一定的缺陷。如下页图2所示，3条外特性曲线的Me.max、MeH、KM和KV是相同的，但是3条曲线的路径不同。在外载荷波动的情况下，3条发动机扭矩特性曲线所对应的发动机转速分别下降至n1、n2、n3，显然在同样的动载荷作用下，发动机转速下降越大，其转速波动也越大，发动机功率损失就会越大，实际输出的功率、扭矩就会减小。因此3台发动机的动力性能明显存在着较大的差异，发动机1的动力性能明显强于发动机2和发动机3。出现这种情况主要是因为KM和KV只考虑了发动机扭矩外特性曲线上的2个点：最大扭矩点和额定扭矩点，很显然，仅用这2个点的参数来衡量发动机的工作性能，是不能全面地反映发动机的动力性能的。

 

　　同样，如下页图3上3条发动机功率曲线，其额定功率的大小都是相同的，但在发动机正常工作范围内（nem和neH之间）的功率大小有很大的差异。因此在发动机外特性功率曲线上，仅仅考虑额定转速所对应的额定功率PeH，也不能全面地反映发动机的动力性能。

 

　　所以，Pe、Me、KM、KV虽然都能在一定程度上各自反映发动机的动力性能，但却不能说明发动机转速与扭矩之间的变化关系，因为KM仅仅是Me.max、MeH这2个扭矩的比值，其大小尽管能反映发动机克服瞬时超负荷的能力，但却不能说明发动机克服瞬时超负荷时的转速波动性；同样，KV仅是neH、nem这2个转速的比值，没有反映出两转速间的扭矩变化大小，因而其大小尽管可反映出发动机转速的波动性，但却不能反映出发动机克服瞬时超负荷的能力。

 

　　由以上分析可知：Pe、Me、KM、KV用作评价发动机动力储备性能的量化指标，特别是在比较不同发动机的动力性能时是不够全面的。此外，随着世界范围内能源问题的日益严重，在研究发动机动力性指标的同时，应该兼顾发动机的经济性指标。此时，就需要考虑发动机外特性曲线中的比油耗ge（g/（kW·h）），其计算式为

 

　　（3）

 

　　式中：GT为燃料消耗量（kg/h）；Pe为有效功率（kW）。

 

　　比油耗即燃油消耗率，发动机每工作1kW·h的有效功所消耗的燃油量，称为燃油消耗率。不同的比油耗反映了不同的发动机在消耗等量燃油时所作的有效功的差异，而有效功也是发动机动力性的体现，因此本文将比油耗也作为研究发动机动力性能的一个指标。比油耗在发动机工作范围内随着发动机转速的升高，是一个先减后增的过程，因此比油耗曲线有个极值点，为最小比油耗gmin，然而用最小比油耗来评价发动机的性能是不准确的。如图4所示，发动机3与发动机1和发动机2相比，其最小比油耗最小，但是发动机3在其他点的比油耗均高于发动机1和发动机2。使用额定功率点的比油耗geH来评价发动机的性能同样也是不准确的，发动机1与发动机2相比，只有geH较低，总体比油耗仍高于发动机2。

 

　　注：图中1、2、3分别代表3台不同发动机的比油耗曲线

 

　　图4发动机外特性比油耗曲线

 

　　因此，无法用一个点来准确描述发动机耗油量的大小，使用最小比油耗或额定功率点比油耗来评价发动机的性能，也是不全面的。

 

　　2.新增评价指标的引入

 

　　从前面的分析可知，发动机动力性能的优劣主要取决于发动机外特性曲线上最大扭矩点与额定扭矩点之间曲线的形状；其动力性能的优劣是由扭矩、功率和比油耗曲线上所有的点共同构造而成的，并非只与最大扭矩点和额定扭矩点有关。故用来评价发动机动力性能的指标必须包含外特性曲线上所有点的信息，这样的评价指标才能够全面、准确地反映发动机的动力性能。因此，本文提出平均扭矩MeP、平均功率PeP和平均比油耗geP对发动机动力性能评价指标进行补充。

 

　　发动机静态外特性曲线是通过台架试验测得，并对试验数据进行拟合得到的。在负载急剧波动的动态过程中，发动机输出的功率、扭矩和转速会偏离所测的静态外特性曲线，特别是在非调速区段，平均扭矩和平均功率与静态特性相比会有大幅度下降。因此，使用现行评价指标KM和KV进行评价时，其评价结果就不够准确。

 

　　对比国内外工程机械用发动机，虽然拥有同样的发动机额定功率，但是中国生产的发动机在工作转速范围内的平均功率普遍低于国外产品。以某工程机械用额定功率160kW发动机为例，国外发动机平均功率可达156kW，而中国的发动机平均功率只有146kW左右，国外发动机的动力性能明显大于中国发动机。因此，比较不同发动机的平均功率具有重要意义。

 

　　3.PeP、MeP、geP的计算

 

　　由于在载荷波动的动态过程中，发动机的输出转矩和转速不可能按台架试验所确定的外特性进行变化，所以，平均功率PeP、平均扭矩MeP和平均比油耗gep需要在实际工况中进行测定。

 

　　发动机特性曲线中，扭矩Me和比油耗ge可以直接测量，并通过拟合得到，因此平均扭矩MeP和平均比油耗geP比较容易得出，而发动机功率Pe需要经过计算才能得出。

 

　　发动机Pe、Me、ne三者之间的关系为

 

　　（4）

 

　　平均功率PeP可根据式（5）计算得出

 

　　（5）

 

　　平均扭矩MeP、平均功率PeP和平均比油耗geP涵盖了发动机工作时的正常转速区间nem～neH内外特性曲线上所有点的信息，比现行评价指标更全面。由于扭矩、功率和比油耗单位较复杂，且表达不够直观，本文仿照扭矩适应性系数KM和速度适应性系数KV的计算式，对平均扭矩MeP、平均功率PeP和平均比油耗geP进行简单处理，以达到直观效果。

 

　　为了能够得到一个量纲一值，将平均扭矩MeP除以最大扭矩Me.max，得到KT，即式（6）；将平均功率PeP除以额定功率PeP，得到KP，即式（7）；将平均比油耗gep除以额定功率点比油耗geH，得到Kg，即式（8）。KT和KP均小于1，Kg大于1。

 

　　（6）（7）（8）

 

　　式中：KT为在负载波动过程中，发动机输出扭矩与静态最大扭矩的接近程度，KT越大说明发动机扭矩储备越大，转速波动越小，功率损失越小，有效功率就越大；KP为发动机输出功率与额定功率的接近程度，KP越大，其值越接近1，说明发动机越接近于恒功率的理想状态，功率储备能力也越大；Kg为发动机比油耗与最小比油耗的关系，Kg的大小反映了发动机耗油量大小，其值越小，说明发动机的油耗越低。

 

　　4.结语

 

　　4.1.扭矩适应系数KM、速度适应系数KV、额定功率PeP和额定扭矩MeH虽能在一定程度上反映了发动机的动力性能，但由于这些指标只考虑了发动机外特性曲线上几个点的因素，没有考虑到发动机的整个工况，不能说明发动机在外界阻力增加时其转速下降与扭矩增大过程中的变化情况，不能全面评价发动机动力性能，因此，本文提出平均功率PeP平均扭矩MeP和平均比油耗geP等新的评价指标，以弥补现行评价指标的不足。

 

　　4.2.使用KM、KV、PeP、MeP和geP共同对发动机动力性能进行评价，既考虑了发动机外特性曲线上特殊点的因素，又涵盖了整个动态范围（nem～neH）发动机的性能参数，使工程机械选用与比较发动机采用新的评价指标更加合理、全面。