【正文】 受到一定限制。提高指示熱it?效率不僅改善了內(nèi)燃機動力性能，而且也改善其經(jīng)濟性能，這需要從研究內(nèi)燃機實際循環(huán)和理論循環(huán)入手，切實掌握各種因素對熱力損失的影響程度，從而尋找提高 的具體it?技術(shù)措施，而其最主要的方面就是對內(nèi)燃機燃燒過程的改進。LP由公式（316）和（324 ）可得： （kW/L ） （327）nlHcmituasL?????10304??對于柴油機來說，燃料的 之值變化不大，故上式可以寫成0lu（kW/L ） (328)nKPcmitasL????1?式中 4013??lHKu另外， 作為衡量發(fā)動機經(jīng)濟性能的重要指標，根據(jù)公式（320）得：eb (329)mitetuet KHb??2610.??)/(hkWg?通過以上兩式，可以看出，提高發(fā)動機動力性能指標和經(jīng)濟性能指標的基本途徑有下面幾種：(1) 采用增壓技術(shù)增壓技術(shù)就是使空氣進入氣缸前進行預(yù)壓縮，增加吸入氣缸空氣的密度，可以使發(fā)動機的功率按比例增長。ebN比質(zhì)量表明了金屬材料在發(fā)動機中的利用程度，它與發(fā)動機的用途、壽命、材料性柴油發(fā)動機及其曲柄連桿機構(gòu)動力分析23能和工藝水平等因素有關(guān)。它一方面代表了發(fā)動機功率和轉(zhuǎn)速的強化，表征了性能指?標的先進性；另一方面又代表了發(fā)動機所受的熱負荷和機械負荷的大小，將影響到發(fā)動機的使用壽命和工作可靠性。 活塞的平均速度活塞平均速度 是在曲軸每一轉(zhuǎn)的兩個行程中活塞的速度平均值 [3]，即mC(m/s) （325）310???nSCm式中 S——活塞行程（mm） ；n——內(nèi)燃機的標定轉(zhuǎn)速（r/min） 。a?柴油機全負荷時， 值一般的范圍如下：a?高速非增壓柴油機為 =～增壓柴油機為 =～根據(jù)充量系數(shù) 的定義，每循環(huán)的實際充氣量可寫成：a?（kg）scshci Vm???式中 ——進氣管狀態(tài)下空氣密度（kg/m 3）s?根據(jù)過量空氣系數(shù)的 的定義a?01lgmba??式中， ——為每循環(huán)燃料供給量（kg） 。若以 表示內(nèi)燃機工作過程中每a?l千克燃料燃燒實際供給的空氣量，而每千克燃料完全燃燒需要的理論空氣量為 ，則0l （322）0la??混和氣濃稀程度還可以用空燃比表示。在非增壓內(nèi)燃機上一般采用當時的大氣狀態(tài)；在增壓柴油機上采用進氣管狀態(tài)。(1) 充量系數(shù) ：c?充量系數(shù)是實際進入氣缸的充量與進氣狀態(tài)下能充滿氣缸工作容積的充量之比值。h)]et e 四沖程汽油機 =～ =274～410 [g/(kWh)] （320）??uetb?、 是標志整個內(nèi)燃機經(jīng)濟性能的指標。e [g/(kWLPmep升功率是內(nèi)燃機的強化指標之一。 值是內(nèi)燃機重要的動力性指標。m?ePi機械效率 值的一般范圍是：汽油機 =~?四沖程非增壓柴油機 =~四沖程增壓柴油機 =~ 平均有效壓力和升功率(1) 平均有效壓力 mep內(nèi)燃機單位氣缸工作容積所作的有效功，稱為平均有效壓力 。運用下列公式即可eP求出內(nèi)燃機的有效功率 。在內(nèi)燃機內(nèi)部的傳遞過程中，不可避免地i有許多損失，這些損失主要有：內(nèi)燃機內(nèi)部運動件的摩擦損失，驅(qū)動附屬機構(gòu)的損失等。h） (37)310??iiBb根據(jù) 的定義ib （38）??uiitHb?、 是評定內(nèi)燃機實際工作循環(huán)經(jīng)濟性能的重要指標。h 的熱當量[KJ/(kW設(shè)一臺內(nèi)燃機的缸數(shù)為iP，缸徑為 ，行程為 ，每個氣缸的工作容積為 ，轉(zhuǎn)速為 ，平均指示壓力為 。mip(5)燃燒完全程度柴油機燃燒完善程度主要可以從完全、及時、柔和、無煙、低排污等幾個方面來加以衡量，燃燒愈完善，膨脹始點的 熱利用系數(shù)就愈高， 值也就愈大，這也就是研究mip燃燒過程所努力追求的目標。當 ≥α＞2 時，隨著mipα 的提高，混合氣逐漸變的比較稀薄， 的增加就變得很緩慢。額定工況下的 值一般為：mip柴油發(fā)動機及其曲柄連桿機構(gòu)動力分析13四沖程增壓柴油機 =850~2600kPa；mip四沖程非增壓柴油機 =686~981kPa；i二沖程柴油機 =350~1300kPa；mi影響柴油機平均指示壓力 的主要因素一般有如下五個方面：ip(1)增壓度當柴油機的過量空氣系數(shù) α 不變時，提高增壓度即提高進缸空氣質(zhì)量，并相應(yīng)地提高每循環(huán)的噴油量，平均指示壓力 將隨著 pk 的提高成正比的提高。這樣，平均指示壓力 就與氣缸的mip工作容積大小無關(guān)了，使之成為從柴油機實際工作循環(huán)的角度來衡量氣缸工作容積 Vs 利用率高低的一個參數(shù)。它只考慮燃料在氣缸內(nèi)有關(guān)參數(shù)的各種損失，而不考慮燃料膨脹對活塞做功傳到曲軸輸出端所引起的各種摩擦損失。/mip在四沖程增壓柴油機中，理論示功圖 cyz 部分圓整和四沖程非增壓柴油機一樣。(b) ba 部分圓整損失的面積。mip是便于作為各種氣缸尺寸的柴油機相互間進行比較的依據(jù) [9]。 2 ???? nnesimipV ?????式（27 ）為四沖程等容 等壓混合循環(huán)的理論平均指示壓力 的計算式。zbV?? )1(])(1[121 ????naccac VpnVpW?式中 為壓縮比。mip柴油發(fā)動機及其曲柄連桿機構(gòu)動力分析10在圖 22 的理論示功圖上，一個循環(huán)的理論指示功 為39。平均指示壓力 的計算分為兩步：第一mip步先求出理論示功圖的平均指示壓力的值 ；第二步再將理論平均指示壓力的值 乘39。因此，對四沖程的柴油機來說，理論循環(huán)的熱效率一般可達 60%左右，但是，由于各項損失的存在，使實際循環(huán)的的熱效率一般僅為 40%左右，即實際循環(huán)的熱效率約為理論循環(huán)的 70%左右。當采用分開式燃燒室時，工質(zhì)在主、副燃燒室之間的流入和噴出將引起強烈的節(jié)流損失。但是在實際循環(huán)中，當接近 Z 點時，由于氧氣濃度的降低而引起燃燒速度下降，因而直到膨脹線以前還在繼續(xù)燃燒著，這就是所謂的后燃現(xiàn)象。在等壓加熱時，加熱的速度又能與活塞的速度密切配合，以實現(xiàn)等壓加熱。(3) 傳熱損失在理論循環(huán)中，假定構(gòu)成循環(huán)的各過程是可逆的，即假定燃料與氣缸蓋、活塞頂、氣缸壁、進排氣閥等受熱件完全沒有熱交換。在理論循環(huán)中，假定工質(zhì)的比熱容為定值，而在實際上空氣和燃氣具有其比熱容隨溫度的上升而增大的性質(zhì)，其結(jié)果是使循環(huán)熱效率和平均壓力有所降低。在等壓循環(huán)中，由于熱1Q量 加入時壓力不變，即 ，因此其壓力升高比為：1Qczp?1?czp?將 代入式（22） ，可得等壓循環(huán)的熱效率為1?? （24）)1(1????kt對上述三種理論循環(huán)的熱效率進行比較得知，在當壓縮比相同時，等容循環(huán)的熱效柴油發(fā)動機及其曲柄連桿機構(gòu)動力分析8率大于等壓循環(huán)的，而混合循環(huán)的熱效率界于兩者之間，即 等 壓混 合等 容 ttt ??如果三種理論循環(huán)在最大壓力相同、加入熱量相同而不同進行比較，則等壓循環(huán)的熱效率將大于等容循環(huán)的，而混合循環(huán)的熱效率居兩者之間，即 等 容混 合等 壓 ttt?這是由于在溫度不變的情況下等壓循環(huán)的最大而等容循環(huán)的最小的緣故 [5]。2等容循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量 的規(guī)律不同。在工程熱力學(xué)課程中已知混合循環(huán)的熱效率用下式表示： (22))1(1?????????kkt式中，K 為絕熱指數(shù), ； 為氣體在等壓下的比熱； 為氣體在等容下的比熱。2Q比值 、 、 及 是與循環(huán)性能有關(guān)的主要參數(shù)。1Q??即 ；而沿 yz 線的容積變化以初膨脹比 表示，即 。1的。圖 21 理論循環(huán)示功圖圖 21(a)表示混合循環(huán)的燃料在氣缸中的變化情況，這是將燃料壓力容積的變化畫在PV 坐標紙上，稱為 PV 示功圖。理論循環(huán)和實際循環(huán)雖然存在一定的差別，但這種從實際到理論的抽象、概括和簡化是合理的，并接近實際，這樣對理論循環(huán)的分析和計算結(jié)果不僅具有一般的理論指導(dǎo)意義，而且也具有一定的精確性。柴油機的實際循環(huán)是由一系列非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程所組成的。本文的所有程序均是由 MATLAB 語言編寫的，最后的結(jié)果也是在MATLAB 中運行得出的。內(nèi)燃機熱力循環(huán)模擬，不僅可以計算設(shè)計工況點，而且也可以計算非設(shè)計工況和變工況點，估計環(huán)境參數(shù)變化對內(nèi)燃機性能的影響，不僅可以計算內(nèi)燃機的穩(wěn)態(tài)過程，而且也可以計算瞬態(tài)過程；研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)系，探求改善瞬態(tài)特性的技術(shù)措施；不僅在內(nèi)燃機設(shè)計階段通過計算模擬可以進行方案的比較，而且在內(nèi)燃機調(diào)試階段與測試相結(jié)合，可以指明調(diào)整的參數(shù)及其值的大??；同時，在熱力循環(huán)模擬的基礎(chǔ)上還可以進行熱力循環(huán)模擬優(yōu)化，使內(nèi)燃機熱力循環(huán)模擬研究向優(yōu)化設(shè)計推進一步 [2]。隨著內(nèi)燃機性能的不斷提高，產(chǎn)品更新的周期不斷柴油發(fā)動機及其曲柄連桿機構(gòu)動力分析4縮短，采用常規(guī)熱力計算進行這種經(jīng)驗設(shè)計，已遠遠滿足不了現(xiàn)代高性能內(nèi)燃機研制工作的需要。當前大功率柴油機（包括低速、中速和高速機）研究和發(fā)展的主要趨勢是：降低柴油機燃油和潤滑油的消耗；研究在柴油機上使用非石油產(chǎn)品的代用燃料，以保證石油供應(yīng)枯竭時，柴油機仍能依靠代用燃料工作；提高柴油機的可靠性和耐久性；提高柴油機單機功率或單缸功率，降低單位功率的重量；采用普通材料，降低生產(chǎn)成本；減少機型，加強通用化、系列化和標準化工作；簡化維護和維修工作；加強自動監(jiān)護和遙控操縱研究；降低噪音、振動、冒煙及排氣中有毒物質(zhì)的排放；加強某些理論的研究工作，例如對燃油霧化、著火過程及反應(yīng)動力學(xué)的研究，對氣缸內(nèi)燃油分布與氣流運動的研究，氣缸內(nèi)傳熱問題的研究，氣缸內(nèi)燃燒問題數(shù)學(xué)模擬的研究等。柴油機發(fā)動機的工作過程研究是應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此柴油機的使用范圍越來越廣，數(shù)量越來越多，同時對柴油機的動力性能、經(jīng)濟性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來越高。 發(fā)展現(xiàn)狀柴油機雖然已經(jīng)有了百余年的發(fā)展歷史，其技術(shù)也日趨完善，但是他仍然在不斷地發(fā)展和改進之中。這種簡單的熱力計算雖然能夠得出比較直觀的、可作定性或初步定量分析的數(shù)據(jù)，但卻十分粗略，不能全面地反映內(nèi)燃機燃燒放熱過程、缸內(nèi)工質(zhì)的流動及傳熱過程、進排氣系統(tǒng)中熱力學(xué)和氣體動力學(xué)過程以及與渦輪增壓器的配合性能等，更不能對變化的工況性能進行預(yù)算。那些由內(nèi)燃機運行狀態(tài)所決定的內(nèi)部過程，如燃燒過程、氣體流動過程、熱交換過程以及進排氣系統(tǒng)與渦輪增壓器匹配的氣動過程等，有可能在計算中予以考慮，能夠建立起比較符合實際的物理模型，通過數(shù)學(xué)模擬予以表達，求得各熱力參數(shù)隨時間變化的規(guī)律，用以分析內(nèi)燃機的性能及其影響因素；也能系統(tǒng)地模擬結(jié)構(gòu)參數(shù)、燃燒規(guī)律、配氣相位、進排氣系統(tǒng)中的流動阻力、中冷器特性以及渦輪增壓器特性等與內(nèi)燃機性能間的相互關(guān)系，并進行參數(shù)優(yōu)化，尋求最佳的方案組合，為內(nèi)燃機的設(shè)計、試驗和性能改進提供理論依據(jù)，因而使現(xiàn)代內(nèi)燃機的理論研究建立在一個全新的基礎(chǔ)上 [1]。使用MATLAB 編程運算與人進行科學(xué)計算的思路和表達方式完全一致，猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。第 2 章 柴油機的熱力學(xué)分析 柴油機的理論熱循環(huán)柴油機是熱力發(fā)動