【正文】 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。 第 5 章 結(jié)論對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了分析；建立了其工作過(guò)程的具有氣、固耦合的動(dòng)力學(xué)模型；用 Matlab 語(yǔ)言編制仿真軟件，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程受力特征，及動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。 (a) 曲柄銷所受切向力 (b) 曲柄銷所受徑向力圖 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(guò)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。這一力矩不可能在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部平衡掉，kT而只能由內(nèi)燃機(jī)支承來(lái)承受，因而它是使內(nèi)燃機(jī)整機(jī)不平衡的因素。cF方向相反，這樣就構(gòu)成了一個(gè)與方向相反的力偶 ，其值為kT????RFRFhTck??????????osinsintata上式說(shuō)明， 和 構(gòu)成的反力矩 與 所產(chǎn)生的指示扭矩 大小相等，但方向相反。139。下式表 又可分解為沿氣缸中心線方向的 和垂直于氣缸中心線的 兩個(gè)分力，并39。t39。切向力 與 構(gòu)成力偶 ，這個(gè)力偶nFOtF39。r 作用在活塞上的合力及其分解WD175 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力和力矩如圖 46 所示 [23]。?2jj柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析30 圖 45 活塞往復(fù)慣性力 的方向與活塞加速度方向相反（公式中負(fù)號(hào)表示） 。 慣性力的作用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力有兩種：一種是由往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量 所產(chǎn)生的慣性力，簡(jiǎn)稱往jm復(fù)慣性力，以 表示；二是由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 所產(chǎn)生的慣性力，簡(jiǎn)稱旋轉(zhuǎn)慣性力或離心力，jFrm以 表示，如圖 44 表示 [22]。39。 氣體壓力和慣性力是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中最主要的也是數(shù)值最大的力，它們應(yīng)當(dāng)與每一瞬時(shí)的外界反作用力相平衡，同時(shí)也是曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件受載的主要原因。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 (44)dtvtj???)2cos(2????rWD175 柴油機(jī)的活塞加速度曲線如圖 43 所示，由圖 43 可見(jiàn)，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。用 MATLAB 語(yǔ)言編制系統(tǒng)仿真軟件，計(jì)算得到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況n=2600r/min、α =100%下的數(shù)據(jù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率：發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率：44%發(fā)動(dòng)機(jī)燃油率：%發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻度：%發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率：WD175 曲軸與軸瓦之間摩擦系數(shù)為 μc=WD175 活塞與缸套之間摩擦系數(shù)為 μp=[20] 小結(jié) 本章經(jīng)對(duì)影響柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，有利于今后在維修、保養(yǎng)、調(diào)整和使用中，揚(yáng)長(zhǎng)避短，盡可能的提高其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，提高工作效率和效益，使其優(yōu)質(zhì)、高效、低耗地發(fā)揮作用。(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。(3) 提高氣缸的充量系數(shù) c?同樣大小的氣缸容積，如能吸入更多的空氣，則將允許進(jìn)入更多的燃料，就可獲得更柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析24多的有用功。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。 值小，表明發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量輕、而功率大。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。活塞平均速度是表征發(fā)動(dòng)機(jī)高速性的指標(biāo)，它對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性工作可靠性及使用壽命都有很大的影響。bg則（kg）001lVlmgascab???得每循環(huán)加熱量 為Q （kJ） （323） 0lHgascub???式中 ——燃燒每公斤燃料實(shí)際充入汽缸的空氣量（kg） ；0la? ——燃燒低熱值（kJ/kg） 。混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比稱為空燃比 ，即?燃 油 質(zhì) 量空 氣 質(zhì) 量??按照化學(xué)反應(yīng)方程式的當(dāng)量關(guān)系，可求出 1kg 汽油完全燃燒所需空氣質(zhì)量約為，按此比例的混合氣的空燃比 =，稱為理論混合氣。充量系數(shù)是用來(lái)表征內(nèi)燃機(jī)實(shí)際換氣過(guò)程進(jìn)行的完善程度的一個(gè)重要參數(shù)。 （321）s1cVmh??式中m V1——分別為實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量的質(zhì)量、在進(jìn)氣狀況下所占有的體積。h)]t? 二沖程汽油機(jī) =～ =410～545 [g/(kW 、 可根據(jù)實(shí)測(cè) 、 計(jì)算出來(lái)，其ebt?ebt?ePB大致范圍： 低速柴油機(jī) =～ =190～225 [g/(kWh)] （317）10??ePBb式中 —— 有效燃油消耗率[g/(kW升功率大，每升氣缸工作容積發(fā)出的有效功率大，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷大，表示內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)化程度高 [15]。mep平均有效壓力 值一般范圍是：me 農(nóng)用柴油機(jī) =600～800（kPa）mep 車用柴油機(jī) =650～1000（kPa） 強(qiáng)化高速柴油機(jī) =1000～2900（kPa）me 四沖程載貨汽車用汽油機(jī) =600～700（kPa）p 四沖程小客車用汽油機(jī) =650～1200（kPa）me 二沖程小型風(fēng)冷汽油機(jī) =400～750（kPa） (2) 升功率 LP升功率 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。與平均指示壓力一mep樣， 與有效功率 之間的關(guān)系式為：mepeP （kW ） (312)310????inVpPsme式中 —— 有效功率（kW） ；e —— 平均有效壓力(kPa)；mp柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析17 —— 氣缸工作容積（L） 。 （kW） （310）??????nTTnttqe?式中 —— 有效轉(zhuǎn)矩（N這些損失所消耗的功率總合即為機(jī)械損失功率 。它們的大致范圍是 [14]： ibit?四沖程柴油機(jī) =～ =175～210 [g/(kWh)] ；3106.? —— 所用燃料的低熱值（kJ/kg）uH指示燃油消耗率 （簡(jiǎn)稱指示油耗率）是指單位指示功的耗油量。iDSsVnmip則每缸、每循環(huán)工質(zhì)所作的指示功為：Wi = = (J)mipsi42D?S內(nèi)燃機(jī)指示功率（每秒所作的指示功）為： （kW ） (32)310602?????inViPsmi式中 —— 沖程數(shù)；四沖程 =4；二沖程 =2；?? —— 平均指示壓力（kPa） ；mip —— 氣缸工作容積（L） ；sV —— 曲軸轉(zhuǎn)速（r/min） 。但是，由于種種因素的影響，柴油機(jī)的燃燒過(guò)程往往難于達(dá)到理想完善的程度，其中主要與換氣質(zhì)量、壓縮終點(diǎn)的溫度、最大噴油壓力、燃油霧化質(zhì)量等因素的影響有關(guān)。到 α＞ 后，如供油量i仍保持不變的話，空氣燃油混合氣變得過(guò)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，η i 下降， 也隨之下降。mi(2)過(guò)量空氣系數(shù)當(dāng)每循環(huán)噴油量不變而增壓度提高時(shí)，隨著 pk 的提高，α 也隨著 pk 的提高而增大。 愈高，表示單位氣缸工作容積的利用率也高。柴油機(jī)的指示參數(shù)主要包括柴油機(jī)的平均指示壓力 、指示mip功率 、指示效率 及指示油耗 [12]。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]。這是由于排氣閥開(kāi)啟不是在下止點(diǎn)，而是在下止點(diǎn)前提前開(kāi)啟所引起的。39。這一式子39。caV??將上列 、 及 的式子代入式（25）中得yzbac （26）nmKgnnVpWnci /)]1()1()1([ 1239。iW （25）aczbyi ???39。mip 39。 熱力學(xué)計(jì)算即求平均指示壓力在進(jìn)行柴油機(jī)的熱計(jì)算時(shí)，常用分析法求出平均指示壓力 [2]。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(guò)來(lái) [7]。后燃期間熱功轉(zhuǎn)換的效率，由于膨脹比小和傳熱損失大而大大下降，造成了燃燒中的后燃損失，使燃燒膨脹線位置下移。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。但在實(shí)際循環(huán)中，汽缸壁（包括汽缸套、汽缸蓋、活塞、活塞環(huán)、氣門、噴油嘴等）和工質(zhì)之間始終存在著熱量的交換，特別是在燃燒和膨脹期間具有強(qiáng)烈的傳熱損失，減少了有用功的面積；另一方面，在壓縮過(guò)程初期，由于汽缸壁溫度較高而使工質(zhì)加熱，而在壓縮過(guò)程后期，隨著工質(zhì)溫度超過(guò)汽缸壁溫度便發(fā)生了從工質(zhì)向汽缸壁相反的熱量傳遞。(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(guò)程，即不考慮進(jìn)氣和排氣過(guò)程，無(wú)需進(jìn)行工質(zhì)的替換。 柴油機(jī)的實(shí)際熱循環(huán) 內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的分析是以各種假定條件為前提的，但在實(shí)際的內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中不可避免的有許多方面的損失，使其不能達(dá)到理論循環(huán)的指標(biāo)。在等容循環(huán)中，因?yàn)?所以初膨脹比為czV? ?czV?其后膨脹比為 ??cbz即循環(huán)壓縮比 等于膨脹比 。vpCk/p vC公式（22 ）為理想的燃料（比熱不隨溫度變化的氣體）在一個(gè)理想發(fā)動(dòng)機(jī)混合循環(huán)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析7所達(dá)到的熱效率。????循環(huán)所做的功以 表示，若示功圖按照一定的比例繪制時(shí)，則面積 acyzba 表示 。cz/? ?czV/?當(dāng)活塞自 z 點(diǎn)繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃料沿 zb 線膨脹至 b 點(diǎn)。 即循環(huán)從熱源吸入的總熱量。在壓縮過(guò)程中燃料的容積變化以壓縮比表示，即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析6cscaV???式中， 為全壓縮行程中活塞排量容積， 為燃燒室容積。通過(guò)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(lái)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。為了掌握內(nèi)燃機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的主要規(guī)律，需要對(duì)實(shí)際循環(huán)作某些簡(jiǎn)化和假定，抽象成為理論循環(huán)，這樣才有利于分析和研究。 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(guò)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(guò)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。用于內(nèi)燃機(jī)研究的軟件有很多，例如：VB、VC、FORTRAN、MATLAB 等等，但目前應(yīng)用最廣泛的是 MATLAB 語(yǔ)言。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。在電子計(jì)算機(jī)用于內(nèi)燃機(jī)研究以前