【正文】 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 19 ??uete Hb ? [g/(kWh)] （ 317） 式中 eb —— 有效燃油消耗率 [g/(kW通常以每千瓦小時(shí)的耗油量表示。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]。 升功率 LP 的大小與平均有效壓力 mep 和轉(zhuǎn)速 n 的乘積成正比。 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。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。與平均指示壓力一樣， mep 與有效功率 eP 之間的關(guān)系式為： 31030 ??? ? inVpP smee（ kW） (312) 式中 eP —— 有效功率（ kW）； mep —— 平均有效壓力 (kPa)； sV —— 氣缸工作容積（ L）。 (2) 機(jī)械效率 m? 有效功率與指示功率之比稱為機(jī)械效率 m? 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 16 imiem PPPP ??? 1? （ 311） m? 值越高，表示 eP 接近于 iP ，說明機(jī)械損失功率小。 3q3 101 0 4 ?? ???? nTTnP ttqe ? （ kW） （ 310） 式中 tqT —— 有效轉(zhuǎn)矩（ N mie PPP ?? (kW) （ 39） 內(nèi)燃機(jī)有效功率 eP 是利用測(cè)功器和轉(zhuǎn)速計(jì)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算而得到的。 這些損失所消耗的功率總合即為機(jī)械損失功率 mP 。h)] 柴油機(jī)的有效指標(biāo) 有效功率和機(jī)械效率 (1) 有效功率 eP 內(nèi)燃機(jī)的指示功率 iP 并不能完全對(duì)外輸出。它們的大致范圍是[14]： 四沖程柴油機(jī) it? =～ ib =175～ 210 [g/(kW當(dāng)測(cè)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/kWh)]； uH —— 所用燃料的低熱值（ kJ/kg） 指示燃油消耗率 ib （簡(jiǎn)稱指示油耗率）是指單位指示功的耗油量。 QWiit ?? （ 35） 式中 Q—— 為得到指示功 iW 所消耗的熱量（ kJ）； iW—— 指示功 (kJ) 若一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)測(cè)得其指示功率為 iP (kW)時(shí)，每小時(shí)燃油消耗量為 B（ kg/h） 時(shí)，根據(jù) it? 的定義，可得： uiit BH ??? （ 36） 式中 ? —— 1kW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）。 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 。但是，由于種種因素的影響，柴油機(jī)的燃燒過程往往難于達(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)。 (4)油氣混合的完善程 度 柴油機(jī)燃油空氣混合完善程度愈高，完全燃燒所需的 α 值愈小，而 mip 值也就愈大；反之，油氣混合不好，所需的 α 值就大，則 mip 值小。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。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。 (2)過量空氣系數(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。在柴油機(jī)額定功率及額定轉(zhuǎn)速下，平均指示壓力的大小，基本上表征了柴油機(jī)的強(qiáng) 載程度和工作循環(huán)各階段進(jìn)行的完善程度 [6]。 mip 愈高，表示單位氣缸工作容積的利用率也高。 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。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 mip 、指示功率ip 、指示效率 it? 及指示油耗 ib[12]。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 12 第 3 章 柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性分析 柴油機(jī)的指示參數(shù) 柴油機(jī)的指示參數(shù)是表示燃料在氣缸內(nèi)經(jīng)歷的循環(huán)各過程完善程度的一組參數(shù)。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]。mimi pp ?? （ 28） 式中， /mip 為從理論示功圖求得平均指示壓力。這是由于排氣閥開啟不是 在下止點(diǎn)，而是在下止點(diǎn)前提前開啟所引起的。這是由于噴油不是在上止點(diǎn)，而是有一定的噴油提前角；燃燒也不是瞬時(shí)完成，而是需要延續(xù)一定時(shí)間所引起的。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]。 上述的 39。mip 的計(jì)算式。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。 為前膨脹比 )11(1])(1[1 1212 22 ?? ?????? ncbzzzzb nVpVVn VpW ??? 式中，zbVV?? 為后膨脹比。iW 為 aczbyzi WWWW ???39。 圖 22 理論示功圖 (1) 39。mip ；第二步再將理論平均指示壓力的值 39。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。 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]。以上各項(xiàng)損失中，除了工質(zhì)影響這一項(xiàng)人們很難加以改變外，使實(shí)際循環(huán)遭受較大損失的是傳熱損失和燃燒損失。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]。 (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。后燃期間熱功轉(zhuǎn)換的效率，由于膨脹比小和柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 9 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。 (b) 后燃及不完全燃燒損失 在理論循環(huán)中，全部熱量是在 Z 點(diǎn)以前輸入完畢，然后轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。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。 (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。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，在壓縮過程初期，由于汽缸壁溫度較高而使工質(zhì)加熱，而在壓縮過程后期，隨著工質(zhì)溫度超過汽缸壁溫度便發(fā)生了從工質(zhì)向汽缸壁相反的熱量傳遞。在換氣過程中，排氣門必須提前打開，讓廢氣在下止點(diǎn)前便利用本身的壓力排出，這將使有用功面積有所減少；接下去進(jìn)行排氣和進(jìn)氣過程時(shí)，由于進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，又需要消耗一部分功，這倆者之和就是實(shí)際循環(huán)的換氣損失。 (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， 無需進(jìn)行工質(zhì)的替換。 (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。 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)。 等壓循環(huán)與混合循環(huán) 的差別僅在于吸入熱量 1Q 的規(guī)律不同。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 ? 。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。 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)所達(dá)到的熱效率。 循環(huán)的熱效率以 t? 表示，即 1211 AW tt ???? (21) 循環(huán)熱效率表示在一個(gè)理想發(fā)動(dòng)機(jī)中 熱量轉(zhuǎn)換為功的完善程度。 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 。 ? 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。 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)。1 Q ?? 即 循環(huán) 從 熱源吸入的總熱量。39。1Q ，這一吸熱過程是沿 zy 線進(jìn)行的。 柴油 發(fā)動(dòng)機(jī) 及其曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)力分析 6 在壓縮行程后，燃料先以等容 積 方式沿 cy 線自熱源吸入熱量 39。 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(biāo)紙上，稱為 PV 示功圖。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]。 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(jiǎn)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。這些假定條件是： (1) 以空氣作為循環(huán)的工質(zhì)，其比熱容為常數(shù)，不隨溫度變化； (2) 研究的體系是封閉的。 柴油