如何计算朗肯循环热效率 发动机知识合集——1. 基础
摘要：往复式内燃机——热机的一个子类——可以在四冲程和二冲程循环中运行。在每种情况下，发动机都可以配备火花点火 (SI) 或压缩点火 (CI) 燃烧系统。基于发动机机动性、应用、燃料、配置和其他设计参数，许多其他发动机分类是可能的。通过将质量和能量守恒定律应用于发动机气缸中的过程，可以在理论上对燃烧过程进行建模。内燃机的基本设计和性能参数包括压缩比、扫气容积、间隙容积、功率输出、指示功率、热效率、指示平均有效压力、制动平均有效压力、比油耗等。
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热机
往复式内燃机分类四冲程和二冲程循环其他发动机分类往复式内燃机基础知识发动机性能参数1. 热机1.1定义与分类热机是能量转换机器——它们通过在空气中燃烧燃料产生热量，将燃料中的化学能转化为功。该热量用于提高工作流体的温度和压力，然后用于执行有用的工作。热机可分为：
内燃机，其中燃烧产物或反应物（空气和燃料）直接用作发动机的工作流体外燃机，其中能量被传递（例如通过热交换器）到与燃烧产物或反应物分离的工作流体。发动机也可以分为往复式或旋转式：
在往复式发动机中，工作流体用于以线性方式移动活塞。然后通过曲柄滑块（连杆/曲轴）机构将线性运动转换为旋转运动。在旋转发动机中，工作流体使连接到输出轴的转子旋转。1.2内燃机在内燃机 (IC) 发动机中，工作流体由空气、燃料-空气混合物或燃料-空气混合物本身的燃烧产物组成。往复式活塞发动机可能是已知的最常见的内燃机形式。它们为汽车、卡车、火车和大多数船舶提供动力。它们还用于许多小型公用事业应用中。它们可以用汽油和柴油等液体燃料或天然气和液化石油气等气体燃料作为燃料。往复式活塞发动机的两个常见子类别是二冲程 和四冲程 发动机。旋转式内燃机的示例包括Wankel旋转式发动机和燃气轮机。
所有热机设计和开发的共同目标包括：最大化输出功（功率输出）、最小化能源消耗和减少在将化学能转化为功的过程中可能形成的污染物。图 1 显示了往复式内燃机的主要部件。干线式发动机设计是最常见的——尽管“干线式发动机”一词在大型发动机行业之外很少使用。十字头设计目前仅用于大型低速二冲程发动机。为简单起见，省略了进气门和排气门，但值得注意的是，在某些二冲程发动机设计中，使用进气口和排气口而不是进排气门。
二冲程和四冲程往复式内燃机都可以配备火花点火（SI）或压缩点火（CI）燃烧系统。
传统上，火花点火系统的特征在于预混合充气（即，燃料和空气在点火之前混合）和外部点火源，例如火花塞。预混合可发生在进气歧管或缸内。虽然在大多数应用中，预混合进料具有相对均匀的空气和燃料空间分布，但分布也可以是不均匀的。燃烧由火花引发，火焰从火花位置沿前部向外传播。据说 SI 发动机中的燃烧是动态控制的，因为整个混合物是可燃的，燃烧速率取决于化学反应从点火源开始消耗这种混合物的速度。
传统柴油发动机的特点是大约在需要点火时将燃料直接喷射到气缸中。结果，这些发动机中的空气和燃料充注非常不均匀，一些区域过度富集，而另一些区域则过度稀薄。在这些极端之间，燃料和空气的混合物将以不同的比例存在。喷射时，燃料在这种高温环境中蒸发，并与燃烧室周围的热空气混合。蒸发燃料的温度达到其自燃温度并自燃以开始燃烧过程。燃料的自燃温度取决于其化学性质。与 SI 系统不同，压燃式发动机的燃烧可能发生在空燃比和温度可以维持该过程的许多点。
在某些情况下，SI 和 CI 引擎之间的区别可能会变得模糊。由于减少排放和燃料消耗的压力，已经开发出可以同时使用 SI 和 CI 发动机的某些特性的燃烧系统；例如，汽油、柴油或两者混合物的预混混合物自燃。
图 2 中的燃气轮机是内燃机的另一个例子。然而，与往复式活塞发动机不同，燃烧是在专用燃烧室中单独进行的。
图 2。用于中型和重型车辆增程器应用的微型燃气轮机
1.3 外燃机在外燃发动机中，工作流体与燃料-空气混合物完全分离。来自燃烧产物的热量通过热交换器的壁传递给工作流体。蒸汽机是众所周知的外燃机实例。
往复式外燃发动机的一个例子是斯特林发动机，其中热量在高温下被添加到工作流体中，而在低温下被排出。添加到工作流体的热量几乎可以由任何热源产生，例如燃烧化石燃料、木材或任何其他有机材料。
许多蒸汽机设计所基于的Ranking循环是外燃机的另一个例子。从外部来源添加的热量会提高液体（例如水）的温度，直到它转化为用于移动活塞或旋转涡轮机的蒸汽。1900 年至 1916 年间美国的蒸汽机为汽车提供动力；然而，它们在 1924 年几乎消失了。蒸汽动力卡车在英格兰很受欢迎，直到现在 1930 年代中期。虽然在 20世纪的大部分时间里，许多国家的蒸汽动力机车逐渐被内燃机车所取代，但仍有少数在 21世纪仍处于干线服务状态。蒸汽机作为移动应用中的原动机而消亡的原因包括其运行所需的主要部件的尺寸和数量，例如熔炉、锅炉、涡轮机、阀门，以及它们复杂的控制装置。蒸汽轮机——仍在许多固定式发电厂中运行——是旋转外燃发动机的一个例子。
在21世纪，对提高发动机效率的关注重新激发了人们对移动应用循环的兴趣——以废气余热回收 ( WHR ) 的形式。虽然其中一些设备使用蒸汽，但其他设备使用更适合汽车排气温度相对较低的应用的有机流体。由于朗肯循环和有机工作流体的结合，这些系统通常被称为有机朗肯循环 (ORC) 废热回收系统。
2. 往复式内燃机分类2.1四冲程和二冲程循环2.1.1四冲程循环发动机在四冲程发动机中完成燃烧循环需要四个冲程。图 3 是应用于柴油发动机的四冲程燃烧循环的示意图。在第一个冲程，即进气冲程 中，活塞从其上止点 (TDC) 的位置向下止点 (BDC) 移动。在大部分进气冲程中，过滤后的空气被吸入气缸。在第二个冲程中，被吸入气缸的空气被活塞从 BDC 的起始位置移回 TDC 压缩。第二个冲程称为压缩冲程 其中气缸中的空气加热到通常高于燃料的自燃温度的温度，该燃料在上止点附近喷射到气缸中。当燃料燃烧时，热能被释放以提高接近 TDC 余隙容积的温度和压力。将升高的压力施加到活塞的顶面以将其推回 BDC。
这个冲程被称为膨胀冲程，因为它是通过高压气缸内燃烧的膨胀将力施加到活塞上，使其移动到 BDC。出于显而易见的原因，膨胀冲程也称为动力冲程。它也被一些人称为做功冲程，因为膨胀气体通过将压力施加到活塞顶部来产生功。四个冲程中的最后一个是排气冲程 燃烧副产物被排入排气系统以排入大气。为了提高比输出，现代四冲程柴油发动机配备了进气系统压缩机（例如涡轮增压器），以增强充气并允许以与引入的额外空气成比例的喷射额外燃料。
在四个冲程中会发生压力、体积、温度和混合物成分的变化。压力-容积图（示功图）常用于描述一个完整循环期间气缸内压力和容积的变化。图 4 显示了自然吸气式柴油发动机的压力和体积变化。
在图 4 中，进气门和排气门事件由点 1 到 4 标记，其中点 1 是进气门打开点，点 2 是进气门关闭点，点 3 是排气门打开点，点 4 是排气门关闭点. 重要的是要注意进气门和排气门在点 1 和 4 之间的时间以及其等效曲轴转角持续时间期间都保持打开状态。这一时期称为气门重叠，对发动机性能及其排放特性起着重要作用。
进气门在 BDC 后延迟关闭以改善气缸充气效果，从而提高发动机的容积效率。在自然吸气发动机中，通过进气滤清器、进气管道、进气歧管、进气口和进气阀的限制会导致压力损失并将气缸压力降低到低于大气压。当活塞从 BDC 移动到 TDC 时，工作流体的有效和快速压缩在进气门关闭之后开始。当活塞接近压缩冲程的上止点时发生燃烧，并且在活塞仍接近膨胀冲程的上止点时不久就结束了。当活塞从 TDC 移动到 BDC 时，膨胀冲程以许多化学反应和热传递过程为标志。在第 3 点，由于气缸和排气系统之间的压力差，排气阀打开，从而允许一些燃烧产物通过排气门排出。在排气冲程期间，剩余的废气通过活塞从 BDC 到 TDC 的运动从气缸中排出。更详细地讨论了气门正时
说明四冲程循环的另一种方法是通过图 5 中所示的压力-曲柄角图。除了压力-容积图描述中概述的细节外，压力-曲柄角图突出显示了燃料在喷射以及点火延迟期。在此延迟期间，喷射到气缸中的燃料利用来压缩工作流体的热量蒸发。从压缩空气到燃料的热传递的结果是压力上升率降低，如图 5 所示。在燃烧开始后，压力上升率急剧增加，燃烧压力在超过 TDC 的角度达到峰值。控制压力上升速率的因素包括：点火延迟、燃料质量和喷射速率。
随着气缸压力的升高，气缸温度也升高并达到峰值。最高燃烧温度取决于几个因素，包括：燃油喷射速率、燃油喷射正时、燃油特性（尤其是其热值和十六烷值）、进气门关闭时的初始气缸压力和充气温度。
2.1.2二冲程循环发动机根据定义，二冲程发动机需要两个冲程来完成其燃烧循环。图 6 给出了曲轴箱扫气式二冲程发动机的运行细节。在柴油二冲程发动机中，随着曲轴箱通道和排气口打开，曲轴箱中处于轻微压力下的空气流入气缸。上升的活塞最终覆盖了曲轴箱进气口，从而将从曲轴箱吸入的空气捕获到气缸中。朝向上止点的进一步向上运动压缩了在适当时间喷射燃料的空气。从周围的热压缩空气中吸收的热量导致燃料蒸发并与空气混合。一旦达到自燃温度，燃烧开始并导致工作流体（可燃混合物）膨胀并在活塞表面施加压力，从而在发动机输出轴处产生有用的功。同时，新鲜空气流入曲轴箱，被下降的活塞压缩至下止点。下降时，活塞打开排气口，开始对气缸进行扫气，并导致曲轴箱压力略有增加。曲轴箱压力的增加导致新鲜空气通过曲轴箱传输端口进入气缸并再次恢复循环。
图 6 中示意图所示的二冲程发动机并不是二冲程发动机的唯一设计。其他几种设计存在各种机械布置，但它们的操作原理基本相同。一些二冲程发动机的进气口和排气口位于气缸的一端，如图 7 所示。其他在气缸盖中使用排气阀而不是排气口。
清除前一个循环中的废气并在气缸中填充新鲜空气以进行新循环的过程称为扫气。对二冲程发动机进行扫气的主要方法是利用引入的新鲜空气的压力来清除或置换前一个循环中的燃烧气体。一般来说，进气压力越大，扫气过程越完整。因此，在二冲程发动机中实现了更好的扫气，部分是通过提高引入气缸的新鲜空气的压力来实现的。这个过程是通过使用各种设备来完成的，例如鼓风机、压缩机或泵
2.2其他发动机分类由于各种原因，还有许多其他方法可以对引擎进行分类。其中一些包括：
移动性：引擎既可以用于固定应用，也可以用于移动应用。固定式发动机的范围从 5 马力以下的极小功率输出（例如 Hatz、Yanmar 和 Kubota 单缸发动机）到类似于图 8 中所示的 109,000 马力瓦锡兰单流扫气 14RT-flex96C 的大型低速二冲程设计。图 8 实际上是为移动应用设计的——大型集装箱船——类似的引擎也可以用于固定应用。固定式发动机可用于发电，作为备用或连续应用。它们还用于驱动大型压缩机等机械。图 8 瓦锡兰 14RT-flex96C 二冲程 109,000 马力（81 兆瓦）发动机
燃料：虽然汽油和柴油燃料是内燃机中最常用的燃料，但还有许多其他燃料可以使用。其中包括：天然气、液化石油气 (LPG)、甲醇、乙醇、生物柴油、二甲醚、重质燃料油等。较不常见的燃料可用于可能位于该燃料丰富供应地区附近的特殊应用中。应用：发动机可以安装在道路（也称为高速公路或公路）或非道路（也称为越野）应用的车辆中。公路发动机可为重型卡车以及乘用车和轻便摩托车提供动力。非道路发动机可能涵盖多种应用，从推土机、反铲挖掘机和其他建筑设备到农业机械，如联合收割机、拖拉机、割草机和园林工具。其他不太适合公路或非公路描述的应用可能包括飞机、船舶、机车和便携式设备。速度：发动机的转速也可以定义为低速、中速或高速。虽然每个速度范围没有普遍接受的定义，但表 1 中的值可作为有用的指导布置：发动机设计适合各种安装。多年来，直列式发动机设计（图 9（a））在车辆应用中最为流行。二战后，具有 8 个或更多气缸的发动机进化到 V 型设计，图 9(b)，以允许更短的发动机舱。在 1970 年代中期，前轮驱动开始流行，为新的小型汽车设计提供更多空间。横向发动机安装成为普遍做法，并导致 V6 发动机的普及。V 型配置压缩了发动机的长度，并允许将其包装在乘用车的引擎盖下。其他配置包括水平对置活塞发动机图 10，环形发动机图 11(a) 和三角型（△）发动机图 11(b)气门驱动设计：进气和排气阀门或端口的位置可用于区分各种发动机设计。例如，顶置凸轮设计有利于单体喷射器燃料喷射系统的驱动。单体喷油器的驱动通常通过在进气凸轮和排气凸轮之间插入一个额外的凸轮来完成。图12显示了在实际发动机实施例中应用的各种凸轮布置。进气：进气系统有两种基本设计；自然吸气或增压。带有增压进气系统的发动机使用诸如涡轮增压器或机械增压器之类的压缩机来提高进气歧管中充气的压力。带有自然吸气式进气系统的发动机则没有。图 13 是涡轮增压发动机的示意图增压空气冷却：涡轮增压或增压发动机导致增压空气温度升高。虽然较高的压力增加了进气的密度，但可以通过在其压力升高后冷却来实现额外的充气密度。在进气被压缩之后的这种冷却被称为增压空气冷却、中间冷却或后冷却。图 13 显示了水冷增压空气冷却器（中间冷却器）。在增压空气冷却器中，热量在引入气缸之前从空气传递到另一种介质，通常是水或空气。发动机通常被描述为涡轮增压和后冷 (TA)。发动机冷却：燃烧产生的热量必须从发动机最热的区域散发出去，以保持其机械完整性。将热量从发动机的关键部件带走的过程是通过其冷却系统实现的。虽然大多数发动机在热的发动机部件周围使用水套通过热交换器（散热器）将热量从发动机传递到环境中，但有些发动机使用空气冷却。这些发动机在其外表面上有散热片，通过吹过这些散热片的空气进行热交换。功率调制：增加或减少发动机的功率输出通常需要控制流向发动机的燃油量。在汽油、火花点火发动机中，空燃比通常是固定的并且在发动机的工作范围内变化很小，功率调节是通过对发动机进行节流和控制引入气缸的燃料-空气混合物的量来实现的。在压缩点火 (CI) 发动机中，气流通常不受控制，而功率通过改变喷射到气缸中的燃料量来控制。虽然空燃比总体上保持稀薄，但它因此在发动机运行范围内变化很大。在自然吸气 CI 发动机中，气流在给定的发动机转速下相对不变。3. 往复式内燃机基础知识3.1基本参数往复式内燃机的几何形状通常由几个参数来表征，包括：扫气容积、间隙容积和压缩比。
扫气容积。对于具有缸径 B cyl和活塞冲程 S p的发动机气缸，排量V s由该气缸的横截面积和活塞冲程的乘积定义，如下所示：
V s = (πB cyl 2 /4) · S p (1)
间隙容积。间隙容积 (V c ) 是活塞处于上止点位置时活塞上方的容积。图 14 显示了扫气容积和间隙容积。
图 14。扫气容积和间隙容积之间的关系
压缩比 几何 或体积 压缩比通常定义为总（最大）气缸体积与最小气缸体积之比。
C r =（最大气缸容积）/（最小气缸容积） （2）
术语压缩比 意味着等式 2 中的最大容积将是进气冲程结束时的气缸容积，而最小容积将是压缩冲程结束时的气缸容积。在扫气容积和间隙容积方面：
C r = (V c + V s ) / V c （3）
值得注意的是，几何压缩比可能并不总是反映发动机的有效压缩比或受限压缩比。通常，气门可以在活塞从 BDC 位置初始移动期间打开。在所有气门和/或端口关闭之前，几乎不存在压缩。有效压缩比基于所有气门和或端口关闭并且工作流体可被认为被截留在气缸内之后的总气缸体积。
虽然不是一个通常使用的术语，但也可以将等式 (2) 视为几何或体积膨胀比，其中最大体积将由膨胀冲程结束时的气缸体积表示，而最小体积将是在膨胀冲程的开始。对于基于图 1 所示滑块曲柄机构的典型发动机，几何压缩比和膨胀比之间没有区别，通常几乎不需要区分两者。
然而，对于有效压缩比和膨胀比而言，情况可能并不总是如此。例如，出于与燃料经济性和/或排放相关的原因，许多发动机设计已经采用了进气门正时策略，较传统发动机进气进行提前或延迟气门正时。在这些情况下，压缩开始时的有效最大气缸容积减小，有效压缩比也减小。但是，如果排气门打开的正时保持不变，则膨胀结束时的有效最大气缸容积仍然大于压缩开始时的有效最大气缸容积，有效膨胀比也是如此。
应该注意的是，有些发动机设计的几何压缩比和几何膨胀比不相等。这方面的一个例子是 James Atkinson 的发明，图 15 基于阿特金森的早期商业版本是由英国发动机公司在 19世纪建造的。本田在 2011 年为家用热电联产机组商业化了一个现代示例。对于汽车应用，(可变压缩比)这种方法提供了潜在的效率提升，而无需借助复杂的进气增压系统来保持功率密度。
3.2热力学第一和第二定律物理定律以优雅的方式描述了受控体积中工作流体的质量和能量平衡。在我们的例子中，受控体积是能量和质量流入和流出的发动机气缸。图16是内燃机中控制容积的图示，其中以燃料形式引入化学能以及以燃料和空气形式引入质量。
定量的燃料通常进入控制容积，空气也被引入。燃料和空气都以支持有效燃烧并产生所需功率输出的量（质量）引入气缸。总之，控制体积接收质量和能量并且还传递质量和能量。应用热力学定律有助于量化传递的能量与控制体积接收的能量之间的关系。
热力学第一定律简单地说，能量不能被创造或破坏，只能从一种形式转换为另一种形式。例如，大量碳氢燃料包含化学能，该化学能在内燃机的气缸（控制容积）内转化为功或机械能。有许多因素，一些理论和一些实际的因素，使这种能量转换过程无法达到 100% 的效率。将能量从一种形式转换为另一种形式涉及许多损失，从而导致整体效率损失。这就是热力学第二定律所表达的，因为它指出燃烧系统的有用功应该小于热能输入。
通常，有用功与添加到气缸混合气的热能之间的比率代表系统的热效率（η th）：
η th = (输出功) / (提供给控制体积的热能) (4)
在图 16 所示的气缸和活塞布置中，进入控制容积的燃料和空气的可燃混合物中所含的能量表示等式 (4) 的分母。当燃料和空气混合物在控制容积中燃烧时，会产生热量，从而提高压力并导致容积膨胀和活塞移动。活塞的运动使轴旋转以产生有用的功。控制体积产生的有用功代表方程（4）的分子。
由于第二定律规定该比率必须小于 1，并且第一定律规定不产生或破坏能量，因此还必须考虑发生的损失。损失的大部分能量以热量的形式通过气缸壁传递或与高温废气产品一起传递。通过气缸壁的热传递被水、油或空气带走，以确保构成发动机的材料的温度不会过高，并且不会失去其机械强度或耐用性。废气在高温下离开气缸并将热能传递到环境中而没有任何好处。它们还带有一些势能（压力）和动能（速度）。
活塞和其他机械部件的运动会产生摩擦，从而减少控制体积中的膨胀气体可能产生的功。如果等式 (4) 的分子中的输出功表示膨胀气体的做功减去摩擦损失和将气体吸入和排出气缸所需的泵送功，则该比率表示制动热效率(η bth或BTE)。如果净功代表在考虑摩擦和泵送损失之前活塞顶部膨胀气体所做的功，则该比率代表指示热效率（η ith或 ITE）。
因此，考虑到手头的系统，我们可以考虑供应燃料和空气并传递活塞运动（功）的控制体积。然而，传递的功远小于提供给控制体积的能量值。提供给控制容积的能量与其输送的能量之间的差异是损失的总和，包括但不限于冷却和排气损失。图 17 给出了这种能量平衡的有用说明。
虽然到目前为止对通过控制体积进行能量交换的描述通常是正确的，但可能不是很完整。更好地计算进入和离开控制体积的所有能量将必须包括其他类型的能量，但尚未计算在内。例如，任何进入控制体积的质量都会带来几种形式的能量：
内能; 主要是因为它的温度通常非常小动能; 主要是由于喷射特性通常会导致控制容积内的燃料和空气之间发生重要的相互作用势能；通常与允许质量进入控制体积的压力有关流动能量；主要与控制体积与其压力之间的相互关系有关。重新审视热力学第一定律并考虑我们现在熟悉的各种能量形式，可以将控制体积中的能量平衡视为如下：
净输出 =（提供给控制体积的能量）-（总能量损失） (5)
换句话说，仔细计算提供给控制体积的能量和由相同体积传递的能量有助于评估系统转换效率。这将在下节“发动机效率”更详细地讨论。
定义控制体积时必须小心。到目前为止，我们已经将发动机中的一个气缸视为控制体积。但是，可以将整个发动机或整个车辆视为该控制体积。因此，定义控制体积及其边界在能量守恒方程中极为重要。
3.3燃烧质量平衡为了完成对控制体积的讨论，应该考虑进入和离开它的质量。如图 16 所示，燃料和空气是进入控制容积的两个主要成分。鉴于现代发动机技术，这可能是对进入控制容积的质量的有限处理，因为控制排放的需要可能要求将一些排气产物再循环回气缸。此外，润滑油会导致废气排放，因此努力限制其在气缸内的消耗。因此，可以通过以下关系来描述控制体积中质量平衡的更准确表示：
排气量 = 空气量 + 再循环排气量 + 燃料量 + 润滑油量 (6)
要么
M exh = M a + M egr + M f + M lo (7)
在往复式内燃机的实际实施例中，附件用于执行各种功能以支持发动机运行。例如，润滑发动机需要由发动机本身驱动的油泵，从而减去该发动机产生的一部分功。因此，如果控制体积是气缸，那么这种系统的转换效率会比控制体积是发动机的高。发动机运行所需的其他驱动包括燃油喷射系统、凸轮轴、交流发电机、冷却液泵和增压器都会额外消耗发动机气缸内释放的能量。
4. 发动机性能参数4.1介绍无论类别、设计特征、应用重要性、排量或任何其他描述性特征如何，发动机都必须执行一项特定任务——机械功的产生。他们通常期望以最低成本提供高性能，因为客户期望他们的资本投资（发动机及其安装所支付的价格）和他们的运营成本（运行和维护发动机的成本）获得最大的回报。此外，发动机必须在满足日益严格的环境性能标准的同时完成其任务。
发动机设计完成后，必须进行验证设计。为了充分了解发动机的功能，工程师必须精通测试发动机的科学知识，包括为此目的而设计的实验室工具、评估和性能参数、测试方法、解释结果、统计工具、设备校准以及测试和维护。分析设备。对最终用户来说重要的是以下几点：
发动机购置成本发动机运行特性（输出和转速）发动机运行成本（油耗和维护）发动机的可靠性和耐用性发动机的废气排放曲线以及使其更加环保的成本。任何这些项目的重要性将取决于发动机的具体应用。因此，在购买发动机之前必须确定优先级，以反映发动机的使用目的。然而，有一些常用的方法可用于评估发动机性能及其排放曲线。本节重点介绍发动机性能参数、测试工具和测试方法。
4.2功率输出对于设计师、发动机开发工程师、最终用户和业内其他人来说，最重要的是发动机的功率输出。功率输出由给定发动机转速下的最大扭矩定义。发动机功率输出定义如下：
功率输出 = (T · N) / 常数 (8)
其中 T 是以 Nm 或 lb-ft 为单位的发动机扭矩，N 是以每分钟转数为单位的发动机转速。发动机最大功率输出，有时称为额定功率，定义为特定应用的发动机工作转速范围内的峰值功率。
等式（8）中扭矩的出现使我们通过考虑使用发动机的基本目的来寻求更基本的功率定义。发动机产生我们可以在各种应用中使用的功，而功率是产生该功的速率。用于测量功率的最常用方法是设计用于制动发动机的装置，称为测功机。测功机的种类很多，但它们都有一些共同的特点。大多数测功机设计有一个不旋转的定子，并通过电磁或液压方式与转子耦合，如图 18 所示。一些简单的测功机设计甚至可以使用摩擦制动器。转子与定子同心并连接到发动机并围绕定子的轴线旋转。在电磁测功机中，转子由发动机驱动，定子中的电场试图阻止其运动。施加的电磁力 (F) 由放置在距离称重传感器中心 (b) 处的称重传感器测量，如图 18 所示。力 (F) 和距离 (b) 的乘积表示为等式 (9) 定义了扭矩。
T = F × b (9)
一转中，转子抵抗阻力 f 移动距离 2r，因此它在这一转中的功为：
功 = 2πrf (10)
转子的转动力矩 (rf) 必须通过乘积 F·b 的外部转动力矩精确平衡，这种关系可以表示如下：
rf = Fb (11)
将等式 (11) 代入等式 (10)，我们可以将工作表示为：
功 = 2πFb (12)
使用等式 (9) 的关系来表示单位时间的功，给出如下：
每分钟工作量 = 2πTN (13)
由于功率被定义为做功的速率，因此我们可以编写以下内容：
每分钟做功 = 功率 = 2πTN (14)
马力 (hp) 在英制系统中是等于每分钟 33,000 磅-英尺（每秒 550 磅-英尺）的功率单位，而在公制系统中，千瓦 (kW) 是等效的。千瓦是 550 × 0.746 = 738 磅英尺每秒。定义了这些单位后，我们可以将发动机功率表示为：
马力 = 2πTN / 33,000 = T(lb-ft) × N(rpm) / 5252 (15)
要么
kW = 2πTN / 60,000 = T(Nm) × N(rpm) / 9549 (16)
等式 (15) 和等式 (16) 建立了功率输出、扭矩和发动机转速之间的关系。从这些关系中，我们得出结论，由于功率是扭矩和速度的函数，因此可以设计发动机以通过高扭矩或高速获得功率。为高扭矩输出而设计的发动机通常很大，并且可以承受高内力。它们的最大速度非常低，从不到 100 转每分钟 (rpm) 到可能 1800 到 2100 rpm。固定式和船用发动机处于速度范围的低端，而公路卡车、中档发动机和大马力发动机占据速度范围的高端。高扭矩/低速发动机非常适合重型卡车应用，使它们能够以非常低的发动机转速将极高的负载从装卸码头或路口移开。同时，小型高速发动机，例如为许多乘用车提供动力的发动机，在非常高的发动机转速（高于 5,000 rpm）下产生高功率。这类应用的一个极端例子是速度远超过 9,000 rpm 的赛车发动机。
4.3指示功率如上所述，制动力以用于量化的方法命名。制动功率是衡量发动机产生的有用功率的好方法。指示功率是通过在活塞表面上直接施加气体压力产生的功率。通过在完整的燃烧循环期间对气缸压力进行积分，可以获得可用于计算指示功率的循环压力值。
从图 19 中，施加到活塞表面的净压力为（A 区 - B 区）。区域 A 以顺时针箭头为界，被视为活塞上的正压力。对区域 B 进行了类似的考虑，发现活塞在从 BDC 移动到 TDC 时再次推动废气，并在从 TDC 移动到 BDC 时吸入进气。B 区通常被认为是衡量泵送损失的指标。净指示功是整个发动机循环产生的净功，即：净指示功=面积A-面积B。总指示功是活塞面上在燃料化学能转化为功时所做的总功，即: 总指示工作 = A 区。
总指示功率可以表示为：
指示功率 = 制动功率 + 泵送功率 + 摩擦功率
4.4指示平均有效压力图 19 中的区域 A 被描述为表示工作流体在活塞表面上施加的功的区域。燃烧过程产生的压力，作为气缸容积的函数，被施加到活塞表面以产生动力。指示的平均有效压力 (imep) 是单位扫过体积中气体对活塞所做的功。以下是imep的表达式：
imep = ∫ (P i /V d ) dV (18)
图 20 以图形方式显示了指示的平均有效压力。
等式 (18) 可用于根据是否包括泵送损失来确定总 IMP 或净 IMP。
4.5制动平均有效压力虽然imep是施加在活塞表面上的整体压力的一种形式，但制动平均有效压力可以描述为产生有用功率的imep部分。它表示减去摩擦、泵送和其他寄生损失（这些损失中最大的是摩擦损失）后的净功。制动平均有效压力 (bmep) 与发动机扭矩之间存在比例关系。与其使用取决于发动机尺寸的扭矩，不如使用 bmep，因为它是等式 (19) 中给出的归一化参数。
bmep = ∫ (P b /V d ) dV (19)
在数值上，bmep 可以使用其与扭矩的比例关系来计算，如公式 (20) 和公式 (21) 所示，分别适用于二冲程和四冲程发动机。
bmep 2 冲程= 75.4 × T(lb-ft) / V d (in 3 ), psi; 或 = 6.28 × T(Nm) / V d (dm 3 ), kPa (20)
bmep四冲程= 150.8 × T(lb-ft) / V d (in 3 ), psi; 或 = 12.56 × T(Nm) / V d (dm 3 ), kPa (21)
其中 V d是发动机排量。习惯上根据发动机的 bmep 使用其峰值扭矩值来比较发动机。然而，更准确的发动机比较应该考虑发动机的整个 bmep 特性与其速度范围。
4.6燃油消耗率通常在发动机测试期间记录单位时间内的燃料消耗量。评估发动机效率的一种方法是使用燃料消耗与有用功率的比率。这种数学处理的结果产生了术语制动比燃料消耗 (bsfc)。本质上，bsfc 是发动机在产生一马力或千瓦输出的过程中消耗多少燃料的量度，公式 (22)。
bsfc =（单位时间油耗）/（制动功率输出） (22)
常用单位为 g/kWh 或 lb/bhp-hr。
单缸发动机在发动机研究工作中很受欢迎。由于动力仅由一个气缸产生，因此相对于这些发动机的动力输出而言，摩擦和寄生损失高得不成比例。在这些情况下，工程师不使用术语 BSFC计算指示的特定燃料消耗 (ISFC)。ISFC 项是根据指示的功率输出计算得出的，公式 (23)。同样，常用单位是 g/kWh 和 lb/bhp-hr。
ISFC =（单位时间燃料消耗）/（指示功率输出） (23)
对于给定较低热值 (LHV) 的燃料，燃料消耗率 (SFC) 与发动机的热效率η th 成反比。
η th =（功率输出）/（热能输入）=（功率输出）/（燃油率·LHV）=1/（SFC·LHV） (24)
对于柴油，假设 LHV = 42.64 MJ/kg，这可以表示为：
η th，柴油= 84.4 / sfc (25)
其中：SFC = 单位燃料消耗量，单位为 g/kWh
这种关系对制动器特定（BTE 和 BSFC）和指示（ITE 和 ISFC）参数对都有效。
4.7 发动机比重和体积发动机总重量和体积对于包装和成本考虑非常重要。例如，大多数移动引擎应用程序中的引擎盖下空间是有限的。因此，在具有合适的功率输出和扭矩特性的发动机中，体积最小的发动机将是最大的优势。不仅发动机体积非常重要，而且它的重量也很重要。重量越轻，它对给定应用的优势就越大，因为运输额外的重量需要消耗燃料。术语比发动机重量和比发动机体积用于比较具有相似功率输出但具有不同尺寸和重量的发动机。
比容和比重由以下等式计算：
比容 =（发动机容积）/（额定功率） (26)
比重=（发动机重量）/（额定功率） (27)
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