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柴油机的性能定义和技术指标 |
摘要：为了购买用户更好地理解产品质量的全面性，通常利用柴油机技术指标来判断和衡量柴油机的性能。柴油机主要性能指标有发动机标定功率、耗油率、最大牵引力、连续工作时间、有效扭矩、有效功率、转速、有效燃油消耗率以及动力性指标、经济性指标、环境指标、可靠性指标和耐久性指标。康明斯公司在本文中主要介绍了包括柴油发电机组用的发动机动力性、经济性、重量和外形尺寸、排气污染指标等数据。
一、性能指标的意义与价值
1、衡量与比较的基准
（1）产品选型：为用户提供客观、量化的依据，帮助他们在不同品牌、型号的柴油机中选择最适合其特定需求（如动力性、经济性、可靠性）的产品。
（2）技术发展评估：使工程师和研究人员能够清晰衡量技术进步，例如比较新旧两代机型或不同技术路线（如高压共轨vs传统泵喷嘴）在性能上的优劣。
2、设计与优化的目标
（1）研发导向：性能指标是柴油机设计的核心目标。工程师围绕这些目标（如提升有效热效率、降低排放、提高升功率）进行燃烧系统、进气系统、燃油系统等关键部件的设计与匹配。
（2）性能平衡：柴油机的各项性能指标往往相互制约（如动力性与经济性、排放与油耗的“Trade-off”）。明确指标有助于在矛盾中找到最佳平衡点，实现整体性能最优。
3、运行与管理的依据
（1）操作指导：指导使用者如何正确操作（如在什么负荷区间运行最经济、最安全），以充分发挥柴油机性能并避免损害。
（2）状态监测与维护：通过定期检测运行参数（如功率、油耗、排气温度、烟度等）并与标准技术指标对比，可以诊断柴油机的健康状况，预测故障，制定科学的维护计划。
4、商业与法规的标尺
（1）市场竞争：技术指标（如油耗、可靠性、排放等级）是产品宣传和市场竞争力最直接的体现。
（2）合规准入：排放、噪声等技术指标是柴油机必须满足的强制性法规要求。了解这些指标是产品合法上市和销售的前提。
二、性能定义与技术指标详解
理解其意义，需要掌握核心指标的内涵：
1、动力性指标
动力性指标是指柴油机对外做功能力，一般指功率、平均有效功率、平均有效压力、转速和活塞平均速度等。详细参数定义与计算公式如下
（1）有效功率：柴油机在单位时间内所做的功，功率的单位为kW，1kW＝1000N·m/s。
（2）指示功率：柴油机在气缸中单位时间内所做的功。
（3）有效功率Pe：指示功率减去消耗于内部零件的摩擦损失、泵气损失和驱动附件损失等机械损失功率之后，从发动机曲轴输出的功率。计算公式如下：
如果柴油机曲轴每分钟的转速为n，曲轴每秒输出的有效功率为We，由于
则柴油机的有效功率为
式中，Me——有效扭矩。
（4）平均有效压力：
各种发动机的动力性能通常用平均有效压力P。来比较和评定。它是一个作用在活塞顶上的假想的大小不变的压力，它是活塞移动一个行程所做的功，等于每循环所做的有效功。有效功率也可用下式表示：
Ne=iVsPen/30T(kW)
式中 i——气缸数；Vs ——气缸工作容积（L）；Pe ——平均有效压力（MPa）；n——发动机转速（r/min）；T——发动机的冲程数，对四冲程发动机T＝4，对二冲程发动机T＝2。
于是
Pe=30TNe/iVsn
可见Pe代表了单位气缸工作容积所发出的有效功率。Pe是一个重要指标，它不仅说明工作循环进行得好坏，而且还包括了机械损失的大小，在相同的条件下，Pe值越高，发动机输出的有效功越多。Pe的数值，非增压柴油机为0.5～0.9MPa；增压柴油机为0.8～3.2MPa。
（5） 转速和活塞平均速度
① 转速n：柴油机曲轴每分钟的转速，单位为r/min。转速对柴油机性能和结构影响很大。各种类型柴油机使用转速范围各不相同。
② 活塞平均速度Cm：活塞在气缸中运动的速度是不断变化的，在行程中间较大，在止点附近较小，止点处为零。若已知柴油机转速n时，则活塞平均速度可由下式计算
式中，S——行程（m）。
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图1 柴油发动机后视图和俯视图 |
图2 柴油发动机前视图和侧视图 |
2、经济性指标
一般指柴油机的燃油消耗率和润滑油消耗率。
（1）燃油消耗率：
其简称为耗油率，柴油机工作时，每千瓦小时所消耗油量的克数，单位为g/（kW·h）以指示功率计的每千瓦小时的燃油消耗率称为指示燃油消耗率，表示柴油机经济性的指示指标；有效燃油消耗率：有效功率计的每千瓦小时的燃油消耗率。表示柴油机经济性的有效指标。在柴油机产品说明中所指的燃油消耗率都是指有效燃油消耗率。测出扭矩Me和转速n，以及每小时燃油消耗量GT（kg/h）和有效功率Pe后，用下式求出有效燃油消耗率ge
柴油机的ge值g/（kW·h）范围，高速柴油机：ge＝212～215；中速柴油机：ge＝197～235；低速柴油机：ge＝169～190。
（2）润滑油消耗率：
柴油机在标定工况时，每千瓦小时所消耗润滑油量的克数，单位为g/（kW·h）。
柴油机的润滑油消耗率一般在0.5～4g/（kW·h）左右。柴油机的润滑油是在机内不断循环使用的，其消耗的原因主要是：柴油机在运转时润滑油经活塞窜入燃烧室内或由气阀导管流入气缸内烧掉，未烧掉的则随废气排出；另外，有一部分润滑油在曲轴箱内雾化或蒸发，而由曲轴箱通风口排出。
3、重量和外形尺寸指标
评价柴油机结构紧凑性和金属材料利用率的一项主要指标是柴油机的重量和外形尺寸。各种类型的柴油机对外形尺寸和重量的要求是不同的。
（1）重量指标：
柴油机的重量指标通常以比重量来衡量。比重量（gw）又称单位功率重量，是柴油机净重Gw与标定功率Pe的比值，即
所谓净重是指不包括燃油、润滑油、冷却水以及其他未直接装在内燃机本体上的附属设备与辅助系统的重量。比重量的大小，除了和柴油机类型、结构、附件的质量有关外，还和所用材料和制造技术有关。
（2）外形尺寸指标
其又称紧凑性指标，是指柴油机总体布置紧凑程度的指标。通常以柴油机的单位体积功率来衡量。计算公式如下：
单位体积功率Pv是柴油机的标定功率Pe与柴油机外廓体积V的比值，即
式中，V＝L·B·H，其中L、B、H为柴油机的最大长、宽、高尺寸。
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柴油发动机外形三维图 |
柴油发动机外形结构主视图
4、排气污染指标
在柴油机的排气中含有数量不大，但非常有害的排放物。它们是一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氧化氮NO和二氧化硫SO2。这些燃烧产物排入大气，污染环境而且有害于人体健康，从而造成社会公害。随着环境保护意识的增强，对柴油机排气污染的限制也日益严格。我国已实施的国家标准（GB20891-2014）对非道路移动机械用柴油机排放的限制见表2-1。
表1 中国第三、四阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限制
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阶段
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额定净功率
kW
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C0
(g/kW·h)
|
HC
(g/kW·h)
|
NOx
(g/kW·h)
|
HC+NOx
(g/kW·h)
|
PM
(g/kW·h)
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第三
阶段
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Pmax>560
|
3.5
|
/
|
/
|
6.4
|
0.20
|
|
130≤Pmax≤560
|
3.5
|
/
|
/
|
4.0
|
0.20
|
|
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75≤Pmax<130
|
5.0
|
/
|
/
|
4.0
|
0.30
|
|
|
37≤Pmax<75
|
5.0
|
/
|
/
|
4.7
|
0.40
|
|
|
Pmax<37
|
5.5
|
/
|
/
|
7.5
|
0.60
|
|
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第四
阶段
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Pmax>560
|
3.5
|
0.40
|
3.5,0.67
|
/
|
0.10
|
|
130≤Pmax≤560
|
3.5
|
0.19
|
2.0
|
/
|
0.025
|
|
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75≤Pmax<130
|
5.0
|
0.19
|
3.3
|
/
|
0.025
|
|
|
56≤Pmax<75
|
5.0
|
0.19
|
3.3
|
/
|
0.025
|
|
|
37≤Pmax<56
|
5.0
|
/
|
/
|
4.7
|
0.025
|
|
|
Pmax<37
|
5.5
|
/
|
/
|
7.5
|
0.60
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总结：
对柴油机性能定义和技术指标的深入了解，如同掌握了评价其“能力、效率、品德和寿命”的通用语言和精确量尺。对制造者（工程师/企业）而言，它是设计、优化、测试和市场竞争的指南针；对使用者（操作者/业主）而言，它是选型、高效运营、科学维护和成本控制的基石；对监管者和社会而言，它是推动技术进步、节能减排、保护环境的法律和技术工具。因此，无论是从事相关行业的技术人员、管理人员，还是重型设备的使用者，掌握这些知识都是进行理性决策、实现最佳技术和经济效益的基础。
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