【正文】 排出熱量 2Q 至冷源。為了改善內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)，必須分析比較實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)之間的差距，以及引起各種差距的原因 [6]。但事實(shí)上，燃燒廢氣的排出和新鮮空氣的吸入是維持實(shí)際循環(huán)得以周而復(fù)始地進(jìn)行所 必 不可少的。此外，由于工質(zhì)比熱容的變化以及工質(zhì)與汽缸壁之間的熱量交換，是實(shí)際的壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程不是絕熱的，而是按照平均多變指數(shù)進(jìn)行。為了使整個(gè)燃燒過(guò)程能在上止點(diǎn)后不久即結(jié)束，以保證燃料輸入的熱量能充分的膨脹而有效利用，實(shí)際上總是將燃料提前噴入汽缸，以使著火能在上止點(diǎn)以前開(kāi)始，其結(jié)果增加了壓縮消耗功；此外，由于燃燒期間存在著傳熱損失，活塞的高速運(yùn)動(dòng)以及不完全燃燒現(xiàn)象，使循環(huán)最高壓力和初期膨脹比有所降低，減少 了膨脹有用功。此外，由于空氣不足，或者混合氣形成不良多引起的不完全燃燒，使燃料的熱值未得到充分利用，這也促使燃燒膨脹線(xiàn)下移，產(chǎn)生不完全燃燒損失。 活塞環(huán)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不可避免地會(huì)造成少量工質(zhì)的泄露，而產(chǎn)生泄露損失。因?yàn)?，進(jìn)行設(shè)計(jì)柴油機(jī)的熱力計(jì)算時(shí)，柴油機(jī)還沒(méi)有制造出來(lái)，當(dāng)然無(wú)法量取示功圖。mip 乘以示功圖的豐滿(mǎn) 系數(shù) ? ，得出近似實(shí)際值 mip [8]。 （ 25） 由熱力學(xué)知 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 10 )1()1( ?????? ?? ccczczczzzyz VpVVVpVpVpW 式中，czzc VVpp ?? ?? 。 12 ????????? ?? ?????? （ 26） 上式等號(hào)兩層各以 sV 相除并以 11?? 代scVV ，得 )]11(11)11(1)1([1 111239。這一式子對(duì)增壓柴油機(jī)和非增壓柴油機(jī)都是適用的。 (2) 示功圖的豐滿(mǎn)系數(shù) ? 及 mip 值 由圖 22 可以看出，理論示功圖（帶方棱的實(shí)線(xiàn)部分）大于實(shí)際示功圖（圖中虛線(xiàn)部分），主要是由于： (a) cyz 部分圓整所損失的面積。 實(shí)際示功圖面積 pF 與理論示功圖面積 TF 之比叫做示功圖豐滿(mǎn)系數(shù) ? ，即 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 11 TpFF?? 在四沖程非增壓柴油機(jī)中， ? =~，這一豐滿(mǎn)系數(shù)不包括進(jìn)氣排氣行程的泵氣損失，一般，將泵氣損失計(jì)算在機(jī)械損失之內(nèi)，所以非增壓四沖程柴油機(jī)的 pi 值為 39。 小結(jié) 本章對(duì) WD175 的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了理論分析 ， 對(duì)其實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)作了全面的闡述 ， 為以后動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析 中 缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn) 角 (或時(shí)間 )變化的計(jì)算提供依據(jù)。 平均指示壓力 平均指示壓力 mip 為內(nèi)燃機(jī)單位氣缸工作容積的指示功。因此，平均指示壓力是衡量柴油機(jī)實(shí)際循環(huán) 做功 能力大小的一個(gè)很重要的性能參數(shù)。 α增大意味著空氣 的 燃油比逐漸變大。 (3)換氣質(zhì)量 柴油機(jī)的換氣質(zhì)量愈好，殘余廢氣就愈少，氣缸中新鮮空氣填充愈充分，燃油燃燒速度愈高，在膨脹點(diǎn) z 的利用系數(shù) ξz 愈高， mip 值也就愈大。所以，組織好一個(gè)較為良好的燃燒過(guò)程并非容易，往往要在理論上和實(shí)驗(yàn)上下很大的工夫，即使這樣，有時(shí)還難于取得預(yù)想的結(jié)果，這就是組織好一個(gè)燃燒過(guò)程的困難所在 [13]。 對(duì)于四沖程內(nèi)燃機(jī) 3101 2 0 ??? inVpP smii （ kW） （ 33） 對(duì)于二沖程柴油機(jī) 31060 ??? inVpP smii (kW) （ 34） 指示熱效率與指示燃油油耗 指示熱效率 it? 是內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的指示功與 所消耗的燃料熱量之比值。通常以每指示千瓦小時(shí)功的耗油量表示。h)] 二沖程柴油機(jī) it? =～ ib =175～ 210 [g/(kW內(nèi)燃機(jī)的指示功率減去機(jī)械損失功率所得到的是功率輸出軸上所能輸出的凈功率，稱(chēng)之為有效功率。m）； n—— 轉(zhuǎn)速（ r/min）。 對(duì)于四沖程內(nèi)燃機(jī) 310120 ??? inVpP see （ kW ） (313) 對(duì)于二沖程內(nèi)燃機(jī) 31060 ??? inVpP smee (kW) (314) 由式（ 312）得 31030 ??inV Pp s eme ? (kPa) 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 17 將式（ 310）代入上式得 iVTiVTp stqstqme ?? ???(kPa) (315) 對(duì)于排量（ ivs）一定的內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)， mep 正比于 tqT ，所以 mep 業(yè)反映了內(nèi)燃機(jī)單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。 33 103010130 ?? ?????? ?? npiVinVpiVPP mehsmeseL(kW/L) （ 316） 式中 eP —— 發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率（ kW）； i —— 氣缸數(shù)； Vs—— 每個(gè)氣缸的工作 容積（ L）； mep —— 在標(biāo)定工況下的平均有效壓力（ MPa）； n—— 標(biāo)定轉(zhuǎn)速（ r/min）。 升功率 LP 的一般范圍是： 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 18 農(nóng)用柴油機(jī) LP =9～ 15（ kPa） 汽車(chē)用柴油機(jī) LP =11～ （ kPa） 強(qiáng)化高速柴油機(jī) LP =15～ 40（ kPa） 載貨汽車(chē)用汽油機(jī) LP =22～ 26（ kPa） 小客車(chē)用汽油機(jī) LP =40～ 70（ kPa） 二沖程小型風(fēng)冷汽油機(jī) LP =～ （ kPa） 有效熱效率和有效燃油消耗率 (1) 有效燃油消耗率 eb 有效熱效率 eb 是指單位有效功的耗油量。h)]； B—— 每小時(shí)耗油量（ kg/h）； (2) 有效熱效率 et? 有效熱效率是內(nèi)燃機(jī)有效功 eW 與所消耗的熱量 Q 之比值。h)] 中速柴油機(jī) et? =～ eb =195～ 240 [g/(kWh)] 圖 31 燃油消耗率外特性曲線(xiàn) WD175 柴油機(jī)的燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線(xiàn)示于圖 31，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 2600 r/min 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率基本最低，而 WD175 柴油機(jī)在額定工況下的轉(zhuǎn)速也 為 2600rpm，可見(jiàn) WD175 在額定工況點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性非常好。 msh、 Vs—— 分別為進(jìn)氣狀態(tài)下所能充滿(mǎn)氣缸工作容積的充量質(zhì)量、氣缸工作容積。 (2) 過(guò)量空氣系數(shù) a? 和空燃比 ? 內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中，為使燃料完全燃燒，供給的空氣數(shù)量應(yīng)該等于理論空氣量，但實(shí)際上供給的空氣量往往大于或者小于理論空氣量。 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工作條件的要求，過(guò)量空氣系數(shù) a? 值可以大于 1（稀混合氣，實(shí)際供給的空氣量大于理論空氣量），小于 1（濃混合氣，實(shí)際供給的空氣量小于理論空氣量），等于1（實(shí)際供給 的空氣量等于理論空氣量）。 根據(jù)平均有效壓力 mep 的定義 setseme V QVWp ??? （ kPa） 將（ 323）代入上式得 itmcsa ua ueme lHl Hp ?????? ??? 00sct ?? (kPa) （ 324） 式（ 324）建立了動(dòng)力性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，它是分析內(nèi)燃機(jī)性能的一個(gè)重要依據(jù)。 mC 值愈高，表明發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和升功率由高，但發(fā)動(dòng)機(jī)所受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷也越大。 比質(zhì)量 比質(zhì)量是指發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)質(zhì)量與其標(biāo)定功率的比值。通常值小的發(fā)動(dòng)機(jī)也都是強(qiáng)化程度高、升功率較大的發(fā)動(dòng)機(jī) [17]。這一措施已在柴油機(jī) 是獲得了廣泛的應(yīng)用 [19]。改善進(jìn)氣過(guò)程不僅對(duì)提高 c? 有利，且可減少換氣損失。在這方面，主 要是依靠合理選定各種參數(shù)，在結(jié)構(gòu) 上、工藝上采取措施減少摩擦損失 水泵、潤(rùn)滑油泵等附屬機(jī)構(gòu)所消耗的功率，改善內(nèi)燃機(jī)的潤(rùn)滑、冷卻條件等方法來(lái)達(dá)到。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 25 第 4 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與受力分析 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 活塞的位移 由圖 41 的幾何關(guān)系可得 x=AA’=A’OAO=(l+R)(lcosβ+ rcos? ) (41) 為了分析方便 ,將上式中的變量消去一個(gè) ,以 ? 代替 β .為此 ,在 ΔOAB 中 ,由正弦定理可得： sinsinRl ??? 即 sin sinRl??? 令 Rl ?? ,得 sin sin? ? ?? 由三角公式 2 2 2c o s 1 s i n 1 s i n? ? ? ?? ? ? ? 現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)連桿比 λ 一般為 ~，而 sin 1,?? 所以上式取展開(kāi)式前兩項(xiàng)就足夠精確，即 221co s 1 sin2? ? ??? 將上式及 Rl ?? 代入公式（ 41），并簡(jiǎn)化： 221( 1 s i n ) c o s2x l R l R? ? ???? ? ? ? ?????22(1 co ) s in2lR ? ? ?? ? ?2 1 co s 2(1 co s ) 22lR ??? ?? ? ? [( 1 co s ) (1 co s 2 )]4R ???? ? ? ? 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 26 圖 41 曲柄連桿機(jī)構(gòu) ? 曲柄轉(zhuǎn)角； β連桿擺角； R 曲柄半徑； s活塞行程； l連桿長(zhǎng)度； x活塞位移 活塞速度 將活塞的位移 x 對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，即得活塞的速度 v。 圖 4 3 額定工況點(diǎn)單工作循環(huán)活塞加速度 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析 研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力，主要在于闡明曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，從而分析內(nèi)燃機(jī)的平衡情況及輸出轉(zhuǎn)矩合轉(zhuǎn)速的均勻情況。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析主要是研究氣體壓力和慣性力的作用情況 [21]。 對(duì)于一定的內(nèi)燃機(jī)， D 值是一定的，故作用在活塞上總的氣體壓力完全取決于活塞上下兩面氣體壓力差（ gp 39。 圖 44 代替曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化質(zhì)量系統(tǒng)和慣性力 rm 為集中在連桿軸頸中心處并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，它等于簡(jiǎn)化到曲柄半徑處的曲柄不平衡質(zhì)量與連桿組簡(jiǎn)化到大端的一部分質(zhì)量之和。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)， ? 大小不變，上式中 2?Rmj? =常數(shù) 當(dāng) 0?? 時(shí)（活塞位于上止點(diǎn)位置），往復(fù)慣性力 jF 的絕對(duì)值為最大，其值為： ? ??? ??? 12m a x RmF jj 由式（ 46）看出， jF 的變化情況與加速度的變化情況相似，也是由倆部分組成的。 圖 46 作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的力和力矩 (1) 作用于活塞上的合力 作用于活塞上的氣體壓力 gF 和慣性力 jF ，由于作用方向都是沿氣缸中心線(xiàn)，故作用于活塞上的合力 F 是氣體壓力與往復(fù)慣性力的代數(shù)和 (2)： jg FFF ?? （ 48） 合力將在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生一系列的力和力矩，如圖 46 所示。tF 構(gòu)成力偶 T ，這個(gè)力偶使內(nèi)燃機(jī)曲軸得以克服外界力矩而旋轉(zhuǎn)，它即為內(nèi)燃機(jī)一個(gè)氣缸所發(fā)出的指示轉(zhuǎn)矩，其值為： ? ?? ??co ss in ??? FRRFT t 同時(shí)，力 39。從圖（ 48）中可以看出 39。1F 又可分解為沿氣缸中心線(xiàn)方向的 39。139。 由此看出作用在氣缸壁上的側(cè)壓力 cF 和作用在主軸頸軸承上的側(cè)壓力 39。它使內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生傾覆，故稱(chēng)之為傾覆力矩。 圖 48 額定工況下 WD175 柴油機(jī)輸出扭矩圖 曲柄銷(xiāo)的切向、徑向及合力如圖 4 410 所示。 小結(jié) 本章對(duì) 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 的運(yùn)動(dòng)情況和 受力 情況做了詳細(xì)、全面的 分析 ， 研究 了 氣體壓力和慣性力的作用情況 ， 為 分析內(nèi)燃機(jī)的平衡情況及輸出轉(zhuǎn)矩合轉(zhuǎn)速的均勻情況 提供理論依據(jù)。但熱效率和機(jī)械效率有進(jìn)一步提高的潛力，這需要利用本設(shè)計(jì)對(duì) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 的特性進(jìn)行全面、深入的分析，由于時(shí)間所限，本設(shè)計(jì)沒(méi)有展開(kāi)這方面