【正文】 ??? ?? （ kg） 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 21 式中 s? —— 進(jìn)氣管狀態(tài)下空氣密度（ kg/m3） 根據(jù)過量空氣系數(shù)的 a? 的定義 010 lgmllba ??? 式中， bg —— 為每循環(huán)燃料供給量（ kg）。在非增壓內(nèi)燃機(jī)上一般采用當(dāng)時(shí)的大氣狀態(tài)；在增壓柴油機(jī)上采用進(jìn)氣管狀態(tài)。h)] 四沖程汽油機(jī) et? =～ eb =274～ 410 [g/(kW 1000??ee PBb [g/(kW mep 值是內(nèi)燃機(jī)重要的動(dòng)力性指標(biāo)。運(yùn)用 下列公式即可求出內(nèi)燃機(jī)的有效功率 eP 。h） (37) 根據(jù) ib 的定義 ??uiit Hb? （ 38） ib 、 it? 是評(píng)定內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作循環(huán)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。 設(shè)一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的缸數(shù)為i ，缸徑為 D ，行程為 S ，每個(gè)氣缸的工作容積為 sV ，轉(zhuǎn)速為 n ，平均指示壓力為 mip 。當(dāng) ≥α＞ 2 時(shí)，隨著 α的提高，混合氣逐 漸變的比較稀薄， mip 的增加就變得很緩慢。這樣，平均指示壓力 mip 就與氣缸的工作容積大小無(wú)關(guān)了，使之成為從柴油機(jī)實(shí)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(gè)參數(shù)。 在四沖程增壓柴油機(jī)中，理論示功圖 cyz 部分圓整和四沖程非增壓柴油機(jī)一樣。mip 計(jì)算式是以氣缸的單位工作容積為準(zhǔn)，而與氣缸的幾何尺寸無(wú)關(guān)，所以 39。 )11(1])(1[1 1112 11 ?? ?????? ncacccac n VpVVn VpW ? 式中caVV?? 為壓縮比。平均指示壓力 mip 的計(jì)算分為兩步：第一步先求出理論示功圖的平均指示壓力的值 39。當(dāng)采用分開式燃燒室時(shí)，工質(zhì)在主、副燃燒室之間的流入和噴出將引起強(qiáng)烈的節(jié)流損失。在等壓加熱時(shí)，加熱的速度又能與活塞的速度密切配合，以實(shí)現(xiàn)等壓加熱。 在理論循環(huán)中，假定工質(zhì)的比熱容為定值，而在實(shí)際上空氣和燃?xì)饩哂衅浔葻崛蓦S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。 等容循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量 1Q 的規(guī)律不同。 比值 ? 、 ? 、 ? 及 ? 是與循環(huán)性能有關(guān)的主要參數(shù)。 139。通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的研 究，可以確定出最大可能的熱量利用率（循環(huán)熱效率）和氣缸容積利用程度（循環(huán)平均壓力），由此可以分析出 來 影響內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的主要因素，從而找到提高內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)的基本途徑。 研究方法與 內(nèi)容 先采用實(shí)測(cè)法獲取現(xiàn)有 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 的數(shù)據(jù)，然后通過簡(jiǎn)單的常規(guī)熱力學(xué)模擬各工況下燃燒室內(nèi)燃料燃燒的熱力學(xué)過程，再分析 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 的運(yùn)動(dòng)和受力，最后編制軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行仿真 。事實(shí)上，內(nèi)燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況每瞬時(shí)并不是穩(wěn)態(tài)的。 WD175 型柴油機(jī)是單缸、臥式、四沖程水冷柴油機(jī)，該機(jī)重量輕、體積小、馬力大、耗油省，工作可靠、性能穩(wěn)定、操作維護(hù) 方便，適應(yīng)多種用途，可作為小型發(fā)電、排灌、噴灌、收割、脫粒、手扶拖拉機(jī)、小型船舶、機(jī)動(dòng)三輪車等方面的配套動(dòng)力，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。所以進(jìn)行 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 的工作過程建模與動(dòng)力分析，改進(jìn)其參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以使其更好的服務(wù)于應(yīng)用，具有明顯的實(shí)際意義。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 4 隨著 大容量電子計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在內(nèi)燃機(jī)研究中的應(yīng)用，加上試驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量?jī)x器以及測(cè)試裝備的改進(jìn)，使內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)和理論研究上有了一個(gè)較大的發(fā)展，使內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)模擬成為可能，使內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)由過去比較粗糙的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向著模擬計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和內(nèi)燃機(jī) CAD 方面過渡，并取得了令人耳目一新的進(jìn)展。 主要研究?jī)?nèi)容有： (1) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 的熱力學(xué)分析； (2) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，建立發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的具有氣、固耦合的動(dòng)力學(xué)模型； (3) 用 MATLAB 語(yǔ)言編制仿真軟件，對(duì) 柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 工作過程建模與動(dòng)力分析，提出改進(jìn)建議。在內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)中，工質(zhì)的放熱過程一般在等容 積 方式下進(jìn)行，而吸熱過程則有三種不同的方式：一是先在等容后在等壓方式下進(jìn)行；二是在等容 積 方式下進(jìn)行；三是在等壓方式下進(jìn)行 [4]。39。 循環(huán)所做的功以 tW 表示，若示功圖按照一定的比例繪制時(shí)，則面積 acyzba 表示 tW 。在等容循環(huán)中，因?yàn)閏z VV? 所以 初膨脹比為 1?? czVV? 其后膨脹比為 ?? ??? cbzb VVVV 即循環(huán)壓縮比 ? 等于膨脹比 ? 。 (2) 換氣損失 理論循環(huán)假定研究的體系是封閉的，以向冷源定容放熱代替排氣過程，即不考慮進(jìn)氣和排氣過程， 無(wú)需進(jìn)行工質(zhì)的替換。但是，實(shí)際柴油機(jī)的活塞都具有相當(dāng)高的運(yùn)動(dòng)速度，而且燃料著火至完全燃燒需要一定的時(shí)間。但這些損失由于氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒的改善可以部分地彌補(bǔ)過來 [7]。mip ；第二步再將理論平均指示壓力的值 39。 將上列 yzW 、 zbW 及 acW 的式子代入式（ 25）中得 nmKgnnVpW nncci /)]11(11)11(1)1([ 111239。mip 是便于作為各種氣缸尺寸的柴油機(jī)相互間進(jìn)行比較的依據(jù) [9]。但是由于增壓柴油機(jī)有較大的氣閥重疊角，計(jì)算示功圖時(shí)不是以全行程為準(zhǔn)，而是以有效行程容積為準(zhǔn)，即以有效壓縮比代替幾何壓縮比，所以示功圖的尾部還要單獨(dú)加以考慮 [10]。 mip 愈高，表示單位氣缸工作容積的利用率也高。到 α＞ 后，如供油量仍保持不變的話，空氣燃油混合氣變得過于稀薄，使燃燒前期的燃燒速度 dx/dφ（ x 表示缸內(nèi)燃油已燃燒的百分?jǐn)?shù)）大大下降，后燃增加， ηi 下降， mip 也隨之下降。則每缸、每循環(huán)工質(zhì)所作的指示功為： Wi = mip sV = mip 42D? S (J) 內(nèi)燃機(jī)指示功率（每秒所作的指示功）為： 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 14 31030602 ???? ?? inVpniWP smiii （ kW） (32) 式中 ?—— 沖程數(shù)；四沖程 ? =4；二沖程 ? =2； mip —— 平均指示壓力（ kPa）； sV —— 氣缸工作容積（ L）； n—— 曲軸轉(zhuǎn)速（ r/min）。它們的大致范圍是[14]： 四沖程柴油機(jī) it? =～ ib =175～ 210 [g/(kW 3q3 101 0 4 ?? ???? nTTnP ttqe ? （ kW） （ 310） 式中 tqT —— 有效轉(zhuǎn)矩（ N 平均有效壓力 mep 值一般范圍是： 農(nóng)用柴油機(jī) mep =600～ 800（ kPa） 車用柴油機(jī) mep =650～ 1000（ kPa） 強(qiáng)化高速柴油機(jī) mep =1000～ 2900（ kPa） 四沖程載貨汽車用汽油機(jī) mep =600～ 700（ kPa） 四沖程小客車用汽油機(jī) mep =650～ 1200（ kPa） 二沖程小型風(fēng)冷汽油機(jī) mep =400～ 750（ kPa） (2) 升功率 LP 升功率 LP 是指在標(biāo)定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。h)] （ 317） 式中 eb —— 有效燃油消耗率 [g/(kWh)] 二沖程汽油機(jī) et? =～ eb =410～ 545 [g/(kW 充量系數(shù)是用來表征內(nèi)燃機(jī)實(shí)際換氣過程進(jìn)行的完善程度的一個(gè)重要參數(shù)。 則 001 lVlmgasscab ???? ?? （ kg） 得每循環(huán)加熱量 Q 為 0lVHgQasscub ? ???? （ kJ） （ 323） 式中 0la? —— 燃燒每公斤燃料實(shí)際充入汽缸的空氣量（ kg）； uH —— 燃燒低熱值（ kJ/kg）。目前，四沖程中小功率柴油機(jī)的強(qiáng)化系數(shù) pmeCm/τ 一般為 ~15。同時(shí)，它還是改善經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約原材料、降低排氣污染最有效的一項(xiàng)技術(shù)措施。 (5) 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率可使其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有所提高。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 27 圖 42 額定工況點(diǎn)單工作循環(huán)活塞速度 活塞加速度 將活塞的速度 v 對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，即得活塞的加速度 j dtdddvdtdvj ?? ??? )2co s(co s2 ???? ?? r (44) WD175 柴油機(jī)的活塞加速度曲線如圖 43 所示， 由圖 43 可見，活塞的加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線近似為弦函數(shù)曲線。p —— 曲柄箱內(nèi)的氣體壓力（ kPa） 。 圖 45 活塞往復(fù)慣性力 jF 的方向與活塞加速度方向相反（公式中負(fù)號(hào)表示）。切向力 tF 與 39。 下式表 39。139。 額定工況點(diǎn) R175 單循環(huán)輸出扭矩如圖 48 所示。油門開度為 30%～ 100%，轉(zhuǎn)速為 1200r/min～ 3400r/min 的工況內(nèi)，運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻度為 %～,平均為 %；燃油消耗率為 ～ ；機(jī)械效率為 %～81%；輸出功率為 ～ ， 絕大多數(shù)工況下的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性較好。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 35 謝 辭 本課題是在 惠民電大任光利 老師的 細(xì) 心指導(dǎo)下完成的。 (a) 曲柄銷所受切向力 (b) 曲柄銷所受徑向力 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 33 圖 49 曲柄銷中心切向、徑向受力特性曲線 圖 410 曲柄銷中心所受合力特性曲線 圖 49 (a)所示，曲柄銷所受切向力是由連桿的所受力所傳遞過去的，此力對(duì)主軸頸中心簡(jiǎn)化后將得到一力偶，即柴油機(jī)的指示扭矩。cF 大小相等而方向相反，這樣就構(gòu)成了一個(gè)與方向相反的力偶 kT ，其值為 ? ?? ? TRFRFhFhFT ck????????????????????c o ss i ns i ns i nt a nt a n 上式說明， cF 和 39。F 和垂直于氣缸中心線的 39。nF 又和 39。 1jF稱為一級(jí)往復(fù)慣性力（簡(jiǎn)稱一級(jí)慣性力），它是曲軸轉(zhuǎn)角的余弦函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，它變化一個(gè)周期； 2jF 稱為二級(jí)往復(fù)慣性力（簡(jiǎn)稱二級(jí)慣性力），它是曲軸轉(zhuǎn)角二倍的曲線函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，它變化兩個(gè)周期。p ），即分別取決于 gp 和 39。 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中 的 作用力 有 ： （ 1） 氣缸中氣體壓力； （ 2） 運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力； （ 3） 外界負(fù)荷對(duì)內(nèi)燃機(jī)的阻力； （ 4） 相對(duì)運(yùn)動(dòng)件表面的摩擦力等。 (6) 采用二沖程來提高升功率 由式（ 328）可知，采用二沖程可以提高升功率。 (2) 合理組織燃燒過程 以提高工作循環(huán)的指示熱效率 it? ，并求得最大限度利用氣缸內(nèi)的空氣。 ebN NGg ? (kg/kw) (326) 式中 G—— 發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)質(zhì)量（ kg）； ebN —— 發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率（ kW）。 標(biāo)志柴油機(jī)整機(jī)性能的其他參數(shù) 為了從各個(gè)不同的 角度反映柴油機(jī)的整機(jī)性能，還采用其他一些參數(shù)。因此，為了評(píng)定內(nèi)燃 機(jī)工作過程中混合氣的濃稀程度，常引用過量空氣系數(shù) a? 這一概念。 根據(jù)吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力 為了導(dǎo)出吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力的公式，先給出 兩 個(gè)重要定義 [16]。 Q mie ?? WQW et ?? (318) 將公式（ 35）代入得 mitet ??? ? 與前述 it? 一樣，可得 6et 10b ??ue H? eb 可寫為 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析