【正文】 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)沒有展開這方面的工作。 圖 48 額定工況下 WD175 柴油機(jī)輸出扭矩圖 曲柄銷的切向、徑向及合力如圖 4 410 所示。 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。1F 又可分解為沿氣缸中心線方向的 39。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。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。 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 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。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)的潤滑、冷卻條件等方法來達(dá)到。這一措施已在柴油機(jī) 是獲得了廣泛的應(yīng)用 [19]。 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。 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)。 (2) 過量空氣系數(shù) a? 和空燃比 ? 內(nèi)燃機(jī)工作過程中，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。h)] 圖 31 燃油消耗率外特性曲線 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 WD175 在額定工況點(diǎn)經(jīng)濟(jì)性非常好。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。 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）。m）； n—— 轉(zhuǎn)速（ r/min）。h)] 二沖程柴油機(jī) it? =～ ib =175～ 210 [g/(kW 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。 (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。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)。 小結(jié) 本章對(duì) WD175 的熱力學(xué)過程進(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)。 (2) 示功圖的豐滿系數(shù) ? 及 mip 值 由圖 22 可以看出，理論示功圖（帶方棱的實(shí)線部分）大于實(shí)際示功圖（圖中虛線部分），主要是由于： (a) cyz 部分圓整所損失的面積。 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。mip 乘以示功圖的豐滿 系數(shù) ? ，得出近似實(shí)際值 mip [8]。 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。為了使整個(gè)燃燒過程能在上止點(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。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。將 1?? 代入式（ 22）中，可得等 容循環(huán)的熱效率為 111 ??? kt ?? （ 23） 等壓循環(huán)的示功圖如圖 21(c)所示，圖中所示的熱力過程說明如下： ac 線 —— 氣體等 溫 壓縮， CpVk ? ； cz 線 —— 氣體在等壓下由熱源吸入熱量 1Q ； zb 線 —— 氣體等 溫 膨脹， CpVk ? ； ba 線 —— 氣體在等容下排出熱量 2Q 至冷源。循環(huán)所做功的熱當(dāng)量等于吸入熱量與排出熱量之差，即 21 AWt ?? 式中， A—— 單位功的熱當(dāng)量， A=1/427 千卡 /公斤 .米。139。 因此，在內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)中有三種不同循環(huán)可供考慮，即混合循環(huán)、等容循環(huán)和等壓循環(huán)。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 5 第 2 章 柴油機(jī)的熱力學(xué)分析 柴油機(jī)的理論熱循環(huán) 柴油機(jī)是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料的化學(xué)能先通過燃燒變?yōu)闊崮?，然后再通過工質(zhì)的狀態(tài)變化使熱能變?yōu)闄C(jī)械能。那些由內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)所決定的內(nèi)部過程，如燃燒過程、氣體流 動(dòng)過程、熱交換過程以及進(jìn)排氣 系統(tǒng)與渦輪增壓器匹配的氣動(dòng)過程等， 有可能在計(jì)算中予以考慮，能夠建立起比較符合實(shí)際的物理模型，通過數(shù)學(xué)模擬予以表達(dá)，求得各熱力參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，用以分析內(nèi)燃機(jī)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(jìn)排氣系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力、中冷器特性以及渦輪增壓器特性等與內(nèi)燃機(jī)性能間的相互關(guān)系，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，尋求最佳的方案組合，為內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和性能改進(jìn)提供理論依據(jù)，因而使現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的理論研究建立在一個(gè)全新的基礎(chǔ)上 [1]。 發(fā)展 現(xiàn)狀 柴油機(jī)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(jìn)之中。 柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程研究是應(yīng)用的基礎(chǔ)。隨著內(nèi)燃機(jī)性能的不斷提高，產(chǎn)品更新的周期不 斷縮短，采用常規(guī)熱力計(jì)算進(jìn)行這種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代高性能內(nèi)燃機(jī)研制工作的需要。 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(yùn)行得出的。 理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)雖然存在一定的差別，但這種從實(shí)際到理論的抽象、概括和簡化是合理的，并接近實(shí)際，這樣對(duì)理論循環(huán)的分析和計(jì)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。1Q ，這一吸熱過程是沿 zy 線進(jìn)行的。 ? 與 ? 及 ? 的關(guān)系如下式所示： ??? ???? zccbzb VVVVVV 在膨脹行程的終了，燃料中的熱量 2Q 排出至冷源，燃料的壓力沿等容 積 線 ba 變化。圖中所示的熱力過程說明如下： ac 線 —— 氣體等 溫 壓縮， CpVk ? ； 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 7 cz 線 —— 氣體在等容下由熱源吸入熱量 1Q ； zb 線 —— 氣體等 溫 膨脹， CpVk ? ； ba 線 —— 氣體在等容下排出熱量 2Q 至冷源。 (1) 工質(zhì)變化的影響 在理論循環(huán)中，假定工質(zhì)為空氣，而在實(shí)際循環(huán)中，燃燒前的工質(zhì)是新鮮空氣與上一循環(huán)殘留廢氣的混合物，燃燒后的工質(zhì)變?yōu)槿紵a(chǎn)物 —— 廢氣。 (4) 燃燒損失 燃燒損失包括時(shí)間損失和后燃及不完全燃燒損失兩項(xiàng)： (a)時(shí)間損失 在時(shí)間概念上，理論循環(huán)假定活塞以無限緩慢的速度運(yùn)動(dòng)，以保持汽 缸內(nèi)的工質(zhì)始終處于平衡狀態(tài)，并且假定由熱源向工質(zhì)進(jìn)行等容加熱的速度極快，是瞬時(shí)完成的。 (5) 氣流運(yùn)動(dòng)及泄露損失 活塞的高 速運(yùn)動(dòng)使工質(zhì)在汽缸內(nèi)產(chǎn)生渦流而造成壓力損失。有時(shí)連計(jì)算的示功圖也沒有畫出來，這時(shí)分析方法就顯得方便些。 為前膨脹比 )11(1])(1[1 1212 22 ?? ?????? ncbzzzzb nVpVVn VpW ??? 式中，zbVV?? 為后膨脹比。 上述的 39。mimi pp ?? （ 28） 式中， /mip 為從理論示功圖求得平均指示壓力。 mip =siVW (kPa) （ 31） 式中 Wi —— 指示功（ J） sV —— 氣缸工作容積（ L） 由上式（ 31）可 以看出，平均指示壓力就是柴油機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中每單位氣缸工作容積（即活塞排量）活塞所獲得的指示功 Wi/Vs。在 α≤2以前，隨著 α 的增大，混合氣中的氧氣成分增加，可促進(jìn)燃燒的改善，并且 mip 值也隨著 α 的提高而有所提高。 指示功率 柴油機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所作的指示功稱為指示功率的指示 功率 iP 。當(dāng)測得內(nèi)燃機(jī)的指示功率 iP （ kW） ,每小時(shí)燃油消耗量為 B （ kg/h）柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 15 時(shí)，則指示燃油消耗率為： 310??ii PBb （ g/kW mie PPP ?? (kW) （ 39） 內(nèi)燃機(jī)有效功率 eP 是利用測功器和轉(zhuǎn)速計(jì)進(jìn)行測量計(jì)算而得到的。排量一定的內(nèi)燃機(jī)， mep 值越大，則對(duì)外輸出功越多，轉(zhuǎn)矩越大。通常以每千瓦小時(shí)的耗油量表示。h)] 高速柴油機(jī) et? =～ eb =215～ 285 [g/(kW 進(jìn)氣狀態(tài)是指進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)。 在柴油機(jī)中，因燃料難以與空氣均勻混合，所以需要多供給些空氣，往往 a? 〉 1。 強(qiáng)化系數(shù) 平均有效壓力 mep 和活塞的平均速度 mC 的乘積通常為強(qiáng)化系數(shù)，如果考慮沖程系數(shù) ?的影響，則可寫成 pmeCm/τ 。 提高柴油機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的主要措施 為了分析提高柴油機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的各種措施，可先分析影響單位氣缸工作容積的輸出功率，即升功率 LP 的各種因素 [18]。 (4) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即增加單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)氣缸作功的次數(shù)，從而提高內(nèi)燃機(jī)的功率輸出。 dtdddxdtdxv ?? ??? )2s in2( s in ???? ?? r (43) 活塞平均速度 )/(30 smSnCm ? WD175 柴油機(jī)的活塞速度曲線如圖 42 所示。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 28 氣體壓力的作用 作用在活塞上總的氣體壓力 gF 等于活塞上下倆側(cè)空間內(nèi)的氣體壓力差與活塞頂面積的乘積： ? ? 639。 jm 為集中到活塞銷中心處并作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，它等于活塞組質(zhì)量與簡化到連桿小端的連桿組質(zhì)量之和。 (2) 合力 F 的分解 由于連桿的擺動(dòng)， F 除了對(duì)連桿產(chǎn)生拉壓力 1F 以外，還對(duì)氣缸壁產(chǎn)生側(cè)向力 cF ，這時(shí)可得 ?cos/1 FF ? （ 49） ?tanFFc? （ 410） 力 cF 使氣缸在連桿傾斜時(shí)受到活塞的側(cè)向推壓，故稱為側(cè)向力。1F 和 1F 與 39。 cc FFFF ??? ?? s ins in 139。