柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析

1、柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析1目錄目錄目錄 .1第 1 章 緒 論 .31.1 研究意義 .31.2 發(fā)展現(xiàn)狀 .31.3 研究方法與內(nèi)容 .4第 2 章 柴油機(jī)的熱力學(xué)分析 .52.1 柴油機(jī)的理論熱循環(huán) .52.2 柴油機(jī)的實(shí)際熱循環(huán) .82.3 熱力學(xué)計(jì)算即求平均指示壓力 .92.4小結(jié) .11第 3 章 柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性分析 .123.1 柴油機(jī)的指示參數(shù) .123.1.1 平均指示壓力.123.1.2 指示功率.133.1.3 指示熱效率與指示燃油油耗.143.2 柴油機(jī)的有效指標(biāo) .153.2.1 有效功率和機(jī)械效率.153.2.2 平均有效壓力和升功率.163.2.3

2、 有效熱效率和有效燃油消耗率.183.2.4 根據(jù)吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力.193.3 標(biāo)志柴油機(jī)整機(jī)性能的其他參數(shù) .213.3.1 活塞的平均速度.213.3.2 強(qiáng)化系數(shù).213.3.3 比質(zhì)量.223.4 提高柴油機(jī)動力性能和經(jīng)濟(jì)性能的主要措施 .223.5 小結(jié).23第 4 章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動與受力分析 .244.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 .244.1.1 活塞的位移.244.1.2 活塞速度.254.1.3 活塞加速度.264.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析 .264.2.1 氣體壓力的作用.274.2.2 慣性力的作用.274.2.3 作用在活塞上的合力及其分解.294.3

3、小結(jié).32柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析2第 5 章 結(jié)論 .33謝 辭 .34參考文獻(xiàn) .35柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析3第第 1 章章 緒緒 論論1.1 研究意義柴油機(jī)具備高扭矩、高壽命、低油耗、低排放、熱效率高、功率范圍廣、起動迅速、運(yùn)行安全、維修方便、使用壽命較長等特點(diǎn)，成為解決工程機(jī)械能源問題最現(xiàn)實(shí)和最可靠的手段。因此柴油機(jī)的使用范圍越來越廣，數(shù)量越來越多，同時對柴油機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能、控制廢氣排放和噪聲污染的要求也越來越高。柴油機(jī)發(fā)動機(jī)的工作過程研究是應(yīng)用的基礎(chǔ)。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)

4、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)動三輪車等方面的配套動力，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。所以進(jìn)行柴油發(fā)動機(jī)的工作過程建模與動力分析，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。1.2 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。當(dāng)前大功率柴油機(jī)（包括低速、中速和高速機(jī)）研究和發(fā)展的主要趨勢是：降低柴油機(jī)燃油和潤滑油的消耗；研究在柴油機(jī)上使用非石油產(chǎn)品的代用燃料，以保證石油供應(yīng)枯竭時，柴油機(jī)仍能依靠代用燃料工作；提高柴油機(jī)的可靠性和耐久性；提高柴油機(jī)單機(jī)功率或單缸功率，降低

5、單位功率的重量；采用普通材料，降低生產(chǎn)成本；減少機(jī)型，加強(qiáng)通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化工作；簡化維護(hù)和維修工作；加強(qiáng)自動監(jiān)護(hù)和遙控操縱研究；降低噪音、振動、冒煙及排氣中有毒物質(zhì)的排放；加強(qiáng)某些理論的研究工作，例如對燃油霧化、著火過程及反應(yīng)動力學(xué)的研究，對氣缸內(nèi)燃油分布與氣流運(yùn)動的研究，氣缸內(nèi)傳熱問題的研究，氣缸內(nèi)燃燒問題數(shù)學(xué)模擬的研究等。在電子計(jì)算機(jī)用于內(nèi)燃機(jī)研究以前，為了定性估計(jì)內(nèi)燃機(jī)性能，并進(jìn)行有限的定量估算，不得不對內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán)給出一些簡化的假定，其中認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)的正常運(yùn)行工況一般是穩(wěn)態(tài)的，將工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)看成是一個循環(huán)的算術(shù)平均值等。而在設(shè)計(jì)中則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和類比，在大量選取參數(shù)的基礎(chǔ)上，

6、對熱力循環(huán)中的幾個特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，以便給出數(shù)量上的估計(jì)。這種簡單的熱力計(jì)算雖然能夠得出比較直觀的、可作定性或初步定量分析的數(shù)據(jù)，但卻十分粗略，不能全面地反映內(nèi)燃機(jī)燃燒放熱過程、缸內(nèi)工質(zhì)的流動及傳熱過程、進(jìn)排氣系統(tǒng)中熱力學(xué)和氣體動力學(xué)過程以及與渦輪增壓器的配合性能等，更不能對變化的工況性能進(jìn)行預(yù)算。隨著內(nèi)燃機(jī)性能的不斷提高，產(chǎn)品更新的周期不斷柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析4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。事實(shí)上，內(nèi)燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況每瞬時并不是穩(wěn)態(tài)的。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)和測量儀器以及測試裝備

7、的改進(jìn)，使內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)和理論研究上有了一個較大的發(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。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

8、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全新的基礎(chǔ)上1。內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)模擬，不僅可以計(jì)算設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，而且也可以計(jì)算非設(shè)計(jì)工況和變工況點(diǎn)，估計(jì)環(huán)境參數(shù)變化對內(nèi)燃機(jī)性能的影響，不僅可以計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)態(tài)過程，而且也可以計(jì)算瞬態(tài)過程；研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)與瞬態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)系，探求改善瞬態(tài)特性的技術(shù)措施；不僅在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)階段通過計(jì)算模擬可以進(jìn)行方案的比較，而且在內(nèi)燃機(jī)調(diào)試階段與測試相結(jié)合，可以指明調(diào)整的參數(shù)及其值的大小；同時，在熱力循環(huán)模擬的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行熱力循環(huán)模擬優(yōu)化，使內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)模擬研究向優(yōu)化設(shè)計(jì)推進(jìn)一步2。用于內(nèi)燃機(jī)

9、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 語言。因?yàn)?MATLAB 的語法規(guī)則與結(jié)構(gòu)化高基編程語言如C 語言等大同小異，而且使用更為簡便，具有一般語言基礎(chǔ)的用戶很快就可以掌握。使用MATLAB 編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。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。1.3 研究方法與內(nèi)容先采用實(shí)測法獲取現(xiàn)有柴油發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)，然后通過簡單的常規(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)動機(jī)的運(yùn)動和受力，最后編

10、制軟件對發(fā)動機(jī)的性能進(jìn)行仿真。主要研究內(nèi)容有：(1) 柴油發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)分析；(2) 柴油發(fā)動機(jī)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析，建立發(fā)動機(jī)工作過程的具有氣、固耦合的動力學(xué)模型；柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析5(3) 用 MATLAB 語言編制仿真軟件，對柴油發(fā)動機(jī)工作過程建模與動力分析，提出改進(jìn)建議。第第 2 章章 柴油機(jī)的熱力學(xué)分析柴油機(jī)的熱力學(xué)分析2.1 柴油機(jī)的理論熱循環(huán)柴油機(jī)是熱力發(fā)動機(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。柴油機(jī)的實(shí)際循環(huán)是由一系列非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程所組成的。為了掌握內(nèi)燃機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的主要規(guī)律，需要對實(shí)際循環(huán)作某些簡化和假定，抽象成

11、為理論循環(huán)，這樣才有利于分析和研究。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。以熱源的傳熱代替燃料燃燒的放熱，以向冷源傳熱代替排氣過程向大氣放熱，工質(zhì)的質(zhì)量和成份自始至終都保持不變；(3) 構(gòu)成循環(huán)的各個過程均是可逆的3。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。通過對內(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

12、作循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動力性的主要因素，從而找到提高內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)的基本途徑。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。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)。圖 2-1理論循環(huán)示功圖圖 2-1(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P-V 坐標(biāo)紙上，稱為 P-V 示功圖。在壓縮過程中燃料的容積變化以壓縮比表示，即柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析6ccscaVVVVV式中，為全壓縮行程中活塞排量容積，

13、為燃燒室容積。sVcV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，之燃料氣體壓力達(dá)1Q到值；然后燃料以等壓方式自熱源吸入另一部分熱量，這一吸熱過程是沿 zy 線進(jìn)行zp 1Q的。即循環(huán)從熱源吸入的總熱量。沿 cy 等容線的壓力升高以壓力升高比表示，1 11QQQ即；而沿 yz 線的容積變化以初膨脹比表示，即。czpp /czVV /當(dāng)活塞自 z 點(diǎn)繼續(xù)向外運(yùn)動時，燃料沿 zb 線膨脹至 b 點(diǎn)。這一膨脹過程可用方程式表示，膨脹的容積比叫做后膨脹比，以表示，即。與及的關(guān)系CpVkzbVV /如下式所示：zccbzbVVVVVV在膨脹行程的終了，燃料中的熱量排出至冷源，燃料的壓力沿

14、等容積線 ba 變化。2Q比值、及是與循環(huán)性能有關(guān)的主要參數(shù)。循環(huán)所做的功以表示，若示功圖按照一定的比例繪制時，則面積 acyzba 表示。tWtW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21QQAWt式中，A單位功的熱當(dāng)量，A=1/427 千卡/公斤.米。循環(huán)的熱效率以表示，即t (2-1)1211QQQQAWtt循環(huán)熱效率表示在一個理想發(fā)動機(jī)中熱量轉(zhuǎn)換為功的完善程度。在工程熱力學(xué)課程中已知混合循環(huán)的熱效率用下式表示： (2-2) 1(11111kkkt式中，K 為絕熱指數(shù),；為氣體在等壓下的比熱；為氣體在等容下的比熱。vpCCk/pCvC公式（2-2）為理想的燃料（比熱不隨溫度變化

15、的氣體）在一個理想發(fā)動機(jī)混合循環(huán)柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析7所達(dá)到的熱效率。等容循環(huán)的示功圖如圖 2-1（b） 所示。圖中所示的熱力過程說明如下：ac 線氣體等溫壓縮，；CpVkcz 線氣體在等容下由熱源吸入熱量；1Qzb 線氣體等溫膨脹，；CpVkba 線氣體在等容下排出熱量至冷源。2Q等容循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量的規(guī)律不同。在等容循環(huán)中，因?yàn)?Q所以初膨脹比為czVV 1czVV其后膨脹比為cbzbVVVV即循環(huán)壓縮比等于膨脹比。將代入式（2-2）中，可得等容循環(huán)的熱效率為1 （2-3）111kt等壓循環(huán)的示功圖如圖 2-1(c)所示，圖中所示的熱力過程說明如下：ac 線

16、氣體等溫壓縮，；CpVkcz 線氣體在等壓下由熱源吸入熱量；1Qzb 線氣體等溫膨脹，；CpVkba 線氣體在等容下排出熱量至冷源。2Q等壓循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量的規(guī)律不同。在等壓循環(huán)中，由于熱1Q量加入時壓力不變，即，因此其壓力升高比為：1Qczpp 1czpp將代入式（2-2） ，可得等壓循環(huán)的熱效率為1 （2-4）) 1(1111kkkt對上述三種理論循環(huán)的熱效率進(jìn)行比較得知，在當(dāng)壓縮比相同時，等容循環(huán)的熱效柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析8率大于等壓循環(huán)的，而混合循環(huán)的熱效率界于兩者之間，即等壓混合等容ttt如果三種理論循環(huán)在最大壓力相同、加入熱量相同而不同進(jìn)行比較，則等

17、壓循環(huán)的熱效率將大于等容循環(huán)的，而混合循環(huán)的熱效率居兩者之間，即等容混合等壓ttt這是由于在溫度不變的情況下等壓循環(huán)的最大而等容循環(huán)的最小的緣故5。2.2 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)。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。(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。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)?/p>

18、具有其比熱容隨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。(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。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。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，由于進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動阻力，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。(3) 傳熱損失在理論循環(huán)中，假定構(gòu)成循環(huán)的各過程是可逆的，即假定燃料與氣缸蓋、活塞頂、氣缸壁、進(jìn)排氣閥等受

19、熱件完全沒有熱交換。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。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)際的壓縮過程和膨脹過程不是絕熱的，而是按照平均多變指數(shù)進(jìn)行。(4) 燃燒損失燃燒損失包括時間損失和后燃及不完全燃燒損失兩項(xiàng)： (a)時間損失在時間概念上，理論循環(huán)假定活塞以無限緩慢的速度運(yùn)動，以保持汽缸內(nèi)的工質(zhì)

20、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，是瞬時完成的。在等壓加熱時，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。但是，實(shí)際柴油機(jī)的活塞都具有相當(dāng)高的運(yùn)動速度，而且燃料著火至完全燃燒需要一定的時間。為了使整個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)果增加了柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析9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。(b) 后燃及不完全燃燒損失在理論循環(huán)中，全部熱

21、量是在 Z 點(diǎn)以前輸入完畢，然后轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。但是在實(shí)際循環(huán)中，當(dāng)接近 Z 點(diǎn)時，由于氧氣濃度的降低而引起燃燒速度下降，因而直到膨脹線以前還在繼續(xù)燃燒著，這就是所謂的后燃現(xiàn)象。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。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下移，產(chǎn)生不完全燃燒損失。(5) 氣流運(yùn)動及泄露損失活塞的高速運(yùn)動使工質(zhì)在汽缸內(nèi)產(chǎn)生渦流而造成壓力損失。當(dāng)采用分開式燃燒室時，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。但這些損失由于氣流運(yùn)動對混合

22、氣形成和燃燒的改善可以部分地彌補(bǔ)過來7?；钊h(huán)在往復(fù)運(yùn)動中不可避免地會造成少量工質(zhì)的泄露，而產(chǎn)生泄露損失。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。因此，對四沖程的柴油機(jī)來說，理論循環(huán)的熱效率一般可達(dá) 60%左右，但是，由于各項(xiàng)損失的存在，使實(shí)際循環(huán)的的熱效率一般僅為 40%左右，即實(shí)際循環(huán)的熱效率約為理論循環(huán)的 70%左右。2.3 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，常用分析法求出平均指示壓力2。因?yàn)椋M(jìn)行設(shè)計(jì)柴油機(jī)的熱力計(jì)算時，柴油機(jī)還沒有制造出來，當(dāng)然無法量取示功圖。有時連計(jì)算的示功圖也沒有畫出來，這時分析方法就顯得

23、方便些。平均指示壓力的計(jì)算分為兩步：第一mip步先求出理論示功圖的平均指示壓力的值；第二步再將理論平均指示壓力的值乘mipmip以示功圖的豐滿系數(shù)，得出近似實(shí)際值8。mip圖 2-2 理論示功圖(1) 值的計(jì)算mip柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析10在圖 2-2 的理論示功圖上，一個循環(huán)的理論指示功為iW （2-5）aczbyziWWWW由熱力學(xué)知) 1() 1(ccczczczzzyzVpVVVpVpVpW式中，為前膨脹比czzcVVpp;)11 (1)(1 1121222nccnbzzzzbnVpVVnVpW式中，為后膨脹比。zbVV)11 (1)(1 1111211nccnaccca

24、cnVpVVnVpW式中為壓縮比。caVV將上列、及的式子代入式（2-5）中得yzWzbWacW （2-6）nmKgnnVpWnncci/)11 (11)11 (1) 1(111212上式等號兩層各以相除并以代，得sV11scVVkg/m2 （2-7）)11 (11)11 (1) 1(1111212nnesiminnpVWp式（2-7）為四沖程等容-等壓混合循環(huán)的理論平均指示壓力的計(jì)算式。這一式子mip對增壓柴油機(jī)和非增壓柴油機(jī)都是適用的。上述的計(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關(guān)，所以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。mip(2) 示功圖的豐滿系

25、數(shù)及值mip柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析11由圖 2-2 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。這是由于噴油不是在上止點(diǎn)，而是有一定的噴油提前角；燃燒也不是瞬時完成，而是需要延續(xù)一定時間所引起的。(b) ba 部分圓整損失的面積。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。實(shí)際示功圖面積與理論示功圖面積之比叫做示功圖豐滿系數(shù)，即pFTFTpFF在四沖程非增壓柴油機(jī)中，=0.920.96，這一豐滿系數(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

26、油機(jī)的 pi值為 （2-8）mimipp式中，為從理論示功圖求得平均指示壓力。/mip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。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。2.4小結(jié)本章對 WD175 的熱力學(xué)過程進(jìn)行了理論分析，對其實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)作了全面的闡述，為以后動力學(xué)過程分析中缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角(或時間)變化的計(jì)算提供依據(jù)。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析12第第3 章章 柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性分析柴油機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性分析3.1

27、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)。它只考慮燃料在氣缸內(nèi)有關(guān)參數(shù)的各種損失，而不考慮燃料膨脹對活塞做功傳到曲軸輸出端所引起的各種摩擦損失。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。ipitib3.1.1 平均指示壓力平均指示壓力平均指示壓力為內(nèi)燃機(jī)單位氣缸工作容積的指示功。mip = (kPa) （3-1）mipsiVW式中 Wi 指示功（J） 氣缸工作容積（L）sV由上式（3-1）可以看出，平均指示壓力就是柴油機(jī)在一個工作循環(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。這樣，平

28、均指示壓力就與氣缸的mip工作容積大小無關(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利用率高低的一個參數(shù)。愈高，表示單位氣缸工作容積的利用率也高。因此，平均指示mip壓力是衡量柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)做功能力大小的一個很重要的性能參數(shù)。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。額定工況下的值一般為：mip柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析13四沖程增壓柴油機(jī)=8502600kPa；mip四沖程非增壓柴油機(jī) =686981kPa；mip二沖程柴油機(jī) =3501300kPa；mip影響柴油機(jī)平均指示壓力的主要因素一般有

29、如下五個方面：mip(1)增壓度當(dāng)柴油機(jī)的過量空氣系數(shù) 不變時，提高增壓度即提高進(jìn)缸空氣質(zhì)量，并相應(yīng)地提高每循環(huán)的噴油量，平均指示壓力將隨著 pk的提高成正比的提高。mip(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，隨著 pk的提高， 也隨著 pk的提高而增大。 增大意味著空氣的燃油比逐漸變大。在 2 以前，隨著 的增大，混合氣中的氧氣成分增加，可促進(jìn)燃燒的改善，并且值也隨著 的提高而有所提高。當(dāng) 2.62 時，隨著mip 的提高，混合氣逐漸變的比較稀薄，的增加就變得很緩慢。到 2.6 后，如供油量mip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/d（x 表

30、示缸內(nèi)燃油已燃燒的百分?jǐn)?shù)）大大下降，后燃增加，i下降，也隨之下降。mip(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) z愈高，值也就愈大。mip(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 值愈小，而值也就愈大；mip反之，油氣混合不好，所需的 值就大，則值小。mip(5)燃燒完全程度柴油機(jī)燃燒完善程度主要可以從完全、及時、柔和、無煙、低排污等幾個方面來加以衡量，燃燒愈完善，膨脹始點(diǎn)的 熱利用系數(shù)就愈高，值也就愈大，這也就是研究mip燃燒過程所努力追求的目標(biāo)。但是，由于種種因素的影響，柴油機(jī)的

31、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)。所以，組織好一個較為良好的燃燒過程并非容易，往往要在理論上和實(shí)驗(yàn)上下很大的工夫，即使這樣，有時還難于取得預(yù)想的結(jié)果，這就是組織好一個燃燒過程的困難所在13。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析143.1.2 指示功率指示功率柴油機(jī)單位時間內(nèi)所作的指示功稱為指示功率的指示功率。設(shè)一臺內(nèi)燃機(jī)的缸數(shù)為iP，缸徑為，行程為，每個氣缸的工作容積為，轉(zhuǎn)速為，平均指示壓力為。iDSsVnmip則每缸、每循環(huán)工質(zhì)所作的指示功為：Wi = (J)mipsVmip42DS內(nèi)燃機(jī)指示功率（每秒所作的指示

32、功）為： （kW） (3-2)31030602inVpniWPsmiii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） 。n 對于四沖程內(nèi)燃機(jī)（kW） （3-3）310120inVpPsmii對于二沖程柴油機(jī) (kW) （3-4）31060inVpPsmii3.1.3 指示熱效率與指示燃油油耗指示熱效率與指示燃油油耗指示熱效率是內(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。it （3-5）QWiit式中 為得到指示功所消耗的熱量（kJ） ；QiW 指示功(kJ)iW 若一臺內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)測得其指示功率為(kW)時，每小

33、時燃油消耗量為 B（kg/h）iP柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析15時，根據(jù)的定義，可得：it （3-6）uiitBHP3106 . 3式中 1kWh 的熱當(dāng)量KJ/(kWh)；3106 . 3 所用燃料的低熱值（kJ/kg）uH指示燃油消耗率（簡稱指示油耗率）是指單位指示功的耗油量。通常以每指示千ib瓦小時功的耗油量表示。當(dāng)測得內(nèi)燃機(jī)的指示功率（kW）,每小時燃油消耗量為iP（kg/h）時，則指示燃油消耗率為：B （g/kWh） (3-7)310iiPBb根據(jù)的定義ib （3-8）6106 . 3uiitHb、是評定內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作循環(huán)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。它們的大致范圍是14： ibit四

34、沖程柴油機(jī) =0.430.50 =175210 g/(kWh)itib二沖程柴油機(jī) =0.430.50 =175210 g/(kWh)itib3.2 柴油機(jī)的有效指標(biāo)3.2.1 有效功率和機(jī)械效率有效功率和機(jī)械效率(1) 有效功率eP內(nèi)燃機(jī)的指示功率并不能完全對外輸出。在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的傳遞過程中，不可避免地iP有許多損失，這些損失主要有：內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部運(yùn)動件的摩擦損失，驅(qū)動附屬機(jī)構(gòu)的損失等。這些損失所消耗的功率總合即為機(jī)械損失功率。內(nèi)燃機(jī)的指示功率減去機(jī)械損失mP功率所得到的是功率輸出軸上所能輸出的凈功率，稱之為有效功率。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析16 (kW) （3-9）miePPP內(nèi)燃機(jī)

35、有效功率是利用測功器和轉(zhuǎn)速計(jì)進(jìn)行測量計(jì)算而得到的。運(yùn)用下列公式即可eP求出內(nèi)燃機(jī)的有效功率。eP （kW） （3-10）3q3101047. 010602nTTnPttqe式中 有效轉(zhuǎn)矩（Nm） ；tqT 轉(zhuǎn)速（r/min） 。n(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 （3-11）imiemPPPP1值越高，表示接近于，說明機(jī)械損失功率小。mePiP機(jī)械效率值的一般范圍是：m汽油機(jī)=0.700.90m四沖程非增壓柴油機(jī) =0.780.85m四沖程增壓柴油機(jī)=0.800.92m3.2.2 平均有效壓力和升功率平均有效壓力和升功率(1) 平均有效壓力mep內(nèi)燃機(jī)單位氣缸工作容積所作

36、的有效功，稱為平均有效壓力。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） (3-12)31030inVpPsmee式中 有效功率（kW） ；eP 平均有效壓力(kPa)；mep柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析17 氣缸工作容積（L） 。sV對于四沖程內(nèi)燃機(jī) （kW） (3-13)310120inVpPsee對于二沖程內(nèi)燃機(jī) (kW) (3-14)31060inVpPsmee由式（3-12）得(kPa) 31030inVPpseme將式（3-10）代入上式得(kPa) (3-15)iVTiVTpstqstqme14. 3301047. 0對于排量（ivs）一定的內(nèi)燃

37、機(jī)來說，正比于，所以業(yè)反映了內(nèi)燃機(jī)單位氣meptqTmep缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。排量一定的內(nèi)燃機(jī)，值越大，則對外輸出功越多，轉(zhuǎn)矩mep越大。值是內(nèi)燃機(jī)重要的動力性指標(biāo)。mep平均有效壓力值一般范圍是：mep 農(nóng)用柴油機(jī) =600800（kPa）mep 車用柴油機(jī) =6501000（kPa）mep 強(qiáng)化高速柴油機(jī) =10002900（kPa）mep 四沖程載貨汽車用汽油機(jī) =600700（kPa）mep 四沖程小客車用汽油機(jī) =6501200（kPa）mep 二沖程小型風(fēng)冷汽油機(jī) =400750（kPa）mep (2) 升功率LP升功率是指在標(biāo)定工況下，發(fā)動機(jī)每升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率

38、。LP柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析18(kW/L)（3-16）33103010130npiVinVpiVPPmehsmeseL式中發(fā)動機(jī)的標(biāo)定功率（kW） ；eP氣缸數(shù)；iVs每個氣缸的工作容積（L） ；在標(biāo)定工況下的平均有效壓力（MPa） ；mepn標(biāo)定轉(zhuǎn)速（r/min） 。升功率的大小與平均有效壓力和轉(zhuǎn)速 n 的乘積成正比。LPmep升功率是內(nèi)燃機(jī)的強(qiáng)化指標(biāo)之一。升功率大，每升氣缸工作容積發(fā)出的有效功率大，同時內(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。升功率的一般范圍是：LP 農(nóng)用柴油機(jī) =915（kPa）LP 汽車用柴油機(jī) =1125.8（kPa）LP 強(qiáng)化高速柴油機(jī)

39、 =1540（kPa）LP 載貨汽車用汽油機(jī) =2226（kPa）LP 小客車用汽油機(jī) =4070（kPa）LP 二沖程小型風(fēng)冷汽油機(jī) =18.473.5（kPa） LP3.2.3 有效熱效率和有效燃油消耗率有效熱效率和有效燃油消耗率(1) 有效燃油消耗率eb有效熱效率是指單位有效功的耗油量。通常以每千瓦小時的耗油量表示。eb g/(kWh) （3-17）1000eePBb式中 有效燃油消耗率g/(kWh)；eb 每小時耗油量（kg/h） ；B (2) 有效熱效率et柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析19有效熱效率是內(nèi)燃機(jī)有效功與所消耗的熱量之比值。eWQ (3-18)QmieWQWet將公式

40、（3-5）代入得mitet與前述一樣，可得it6et10b3.6ueH可寫為eb g/(kWh) （3-20）6106 . 3ueteHb、是標(biāo)志整個內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)。、可根據(jù)實(shí)測、計(jì)算出來，其ebetebetePB大致范圍： 低速柴油機(jī) =0.380.45 =190225 g/(kWh)eteb 中速柴油機(jī) =0.360.43 =195240 g/(kWh)eteb 高速柴油機(jī) =0.300.40 =215285 g/(kWh)eteb 四沖程汽油機(jī) =0.20.3 =274410 g/(kWh)eteb 二沖程汽油機(jī) =0.150.2 =410545 g/(kWh)eteb柴油發(fā)動機(jī)及

41、其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析20圖 3-1 燃油消耗率外特性曲線WD175 柴油機(jī)的燃油消耗率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線示于圖 3-1，當(dāng)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 2600 r/min 時，發(fā)動機(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。3.2.4 根據(jù)吸入空氣量計(jì)算平均有效壓力根據(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，先給出兩個重要定義16。(1) 充量系數(shù)：c充量系數(shù)是實(shí)際進(jìn)入氣缸的充量與進(jìn)氣狀態(tài)下能充滿氣缸工作容積的充量之比值。 （3-21）s11cVVmmsh式中m1、 V1分別為實(shí)際進(jìn)

42、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。msh、Vs分別為進(jìn)氣狀態(tài)下所能充滿氣缸工作容積的充量質(zhì)量、氣缸工作容積。 進(jìn)氣狀態(tài)是指進(jìn)氣管內(nèi)的氣體狀態(tài)。在非增壓內(nèi)燃機(jī)上一般采用當(dāng)時的大氣狀態(tài)；在增壓柴油機(jī)上采用進(jìn)氣管狀態(tài)。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重要參數(shù)。(2) 過量空氣系數(shù)和空燃比a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。因此，為了評定內(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)這一概念。若以 表示內(nèi)燃機(jī)工作過程中每al千克燃料燃燒實(shí)際供給的空氣量，而每千克燃料完全燃燒

43、需要的理論空氣量為，則0l （3-22）0lla混和氣濃稀程度還可以用空燃比表示?；旌蠚庵锌諝赓|(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14.8kg，按此比例的混合氣的空燃比=14.8，稱為理論混合氣。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工作條件的要求，過量空氣系數(shù)值可以大于 1（稀混合氣，實(shí)際供給的a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） ，等于柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析211（實(shí)際供給的空氣量等于理論空氣量） 。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1。a柴油機(jī)全

44、負(fù)荷時，值一般的范圍如下：a高速非增壓柴油機(jī)為 =1.21.5a增壓柴油機(jī)為 =1.72.2a根據(jù)充量系數(shù)的定義，每循環(huán)的實(shí)際充氣量可寫成：a（kg）sscshciVmm式中 進(jìn)氣管狀態(tài)下空氣密度（kg/m3）s根據(jù)過量空氣系數(shù)的的定義a010lgmllba式中，為每循環(huán)燃料供給量（kg） 。bg則（kg）001lVlmgasscab得每循環(huán)加熱量為Q （kJ） （3-23） 0lVHgQasscub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） 。uH根據(jù)平均有效壓力的定義mep（kPa）setsemeVQVWp將（3-23）代入上式得 (kPa) （3

45、-24）itmcsauauemelHlHp00sct柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析22式（3-24）建立了動力性能指標(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)性能的一個重要依據(jù)。3.3 標(biāo)志柴油機(jī)整機(jī)性能的其他參數(shù)為了從各個不同的 角度反映柴油機(jī)的整機(jī)性能，還采用其他一些參數(shù)。3.3.1 活塞的平均速度活塞的平均速度活塞平均速度是在曲軸每一轉(zhuǎn)的兩個行程中活塞的速度平均值3，即mC(m/s)（3-25）31030nSCm式中S活塞行程（mm） ；n內(nèi)燃機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)速（r/min） ?；钊骄俣仁潜碚靼l(fā)動機(jī)高速性的指標(biāo)，它對發(fā)動機(jī)的性工作可靠性及使用壽命都有很大的影響。值愈高，表明發(fā)動機(jī)的功率

46、和升功率由高，但發(fā)動機(jī)所受的機(jī)械負(fù)荷mC和熱負(fù)荷也越大。3.3.2 強(qiáng)化系數(shù)強(qiáng)化系數(shù)平均有效壓力和活塞的平均速度的乘積通常為強(qiáng)化系數(shù)，如果考慮沖程系數(shù)mepmC的影響，則可寫成 pmeCm/。它一方面代表了發(fā)動機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的強(qiáng)化，表征了性能指標(biāo)的先進(jìn)性；另一方面又代表了發(fā)動機(jī)所受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的大小，將影響到發(fā)動機(jī)的使用壽命和工作可靠性。目前，四沖程中小功率柴油機(jī)的強(qiáng)化系數(shù) pmeCm/一般為7.515。3.3.3 比質(zhì)量比質(zhì)量比質(zhì)量是指發(fā)動機(jī)的整機(jī)質(zhì)量與其標(biāo)定功率的比值。(kg/kw) (3-26)ebNNGg式中G發(fā)動機(jī)整機(jī)質(zhì)量（kg） ； 發(fā)動機(jī)的標(biāo)定功率（kW） 。ebN比質(zhì)量表明

47、了金屬材料在發(fā)動機(jī)中的利用程度，它與發(fā)動機(jī)的用途、壽命、材料性柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析23能和工藝水平等因素有關(guān)。值小，表明發(fā)動機(jī)的質(zhì)量輕、而功率大。通常值小的發(fā)動Ng機(jī)也都是強(qiáng)化程度高、升功率較大的發(fā)動機(jī)17。3.4 提高柴油機(jī)動力性能和經(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，即升功率的各種因素18。LP由公式（3-16）和（3-24）可得： （kW/L） （3-27）nlHPcmituasL1103104對于柴油機(jī)來說，燃料的之值變化不大，故上式可以寫成0lHu（kW/L） (3-28)nKPcmitasL1式中

48、4011031lHKu另外，作為衡量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)，根據(jù)公式（3-20）得：eb (3-29)mitetueteKKHb226106 . 3)/(hkWg通過以上兩式，可以看出，提高發(fā)動機(jī)動力性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的基本途徑有下面幾種：(1) 采用增壓技術(shù)增壓技術(shù)就是使空氣進(jìn)入氣缸前進(jìn)行預(yù)壓縮，增加吸入氣缸空氣的密度，可以使發(fā)動機(jī)的功率按比例增長。同時，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。這一措施已在柴油機(jī)是獲得了廣泛的應(yīng)用19。(2) 合理組織燃燒過程以提高工作循環(huán)的指示熱效率，并求得最大限度利用氣缸內(nèi)的空氣。提高指示熱it效率不僅改善了內(nèi)燃機(jī)動力性能，

49、而且也改善其經(jīng)濟(jì)性能，這需要從研究內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)入手，切實(shí)掌握各種因素對熱力損失的影響程度，從而尋找提高的具體it技術(shù)措施，而其最主要的方面就是對內(nèi)燃機(jī)燃燒過程的改進(jìn)。(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)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析24多的有用功。改善進(jìn)氣過程不僅對提高有利，且可減少換氣損失。c(4) 提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速即增加單位時間內(nèi)每個氣缸作功的次數(shù)，從而提高內(nèi)燃機(jī)的功率輸出。但轉(zhuǎn)速過多增加會使燃燒惡化，充量系數(shù)和機(jī)械效率急劇下降，使內(nèi)燃機(jī)的可靠性和工作壽命減少，因此轉(zhuǎn)速的提高受到一定限制。(5

50、) 提高發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率提高發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率可使其動力性和經(jīng)濟(jì)性有所提高。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。(6) 采用二沖程來提高升功率由式（3-28）可知，采用二沖程可以提高升功率。但實(shí)際上在相同工作容積和轉(zhuǎn)速下，值達(dá)不到四沖程的水平，與此同時，在結(jié)構(gòu)上不得不予以特殊的考慮，不然的話，若mep仍用簡單的結(jié)構(gòu)，其升功率不易超過四沖程，而且燃油消耗率卻顯著上升。用 MATLAB 語言編制系統(tǒng)仿真軟件，計(jì)算得到柴油發(fā)動機(jī)額定工況n=2600r/min、=100%下的數(shù)據(jù)為：發(fā)動機(jī)

51、機(jī)械效率：0.8發(fā)動機(jī)指示熱效率：44%發(fā)動機(jī)燃油率：238.87%發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動不均勻度：2.36%發(fā)動機(jī)輸出功率：5.17kWWD175 曲軸與軸瓦之間摩擦系數(shù)為 c=0.00324WD175 活塞與缸套之間摩擦系數(shù)為 p=1.2961e-001203.5 小結(jié) 本章經(jīng)對影響柴油機(jī)動力性和經(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)長避短，盡可能的提高其動力性和經(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。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析25第第 4 章章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動與受力分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動與受力分析4.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析4.1.1 活塞的位移活

52、塞的位移由圖 4-1 的幾何關(guān)系可得x=AA=AO-AO=(l+R)-(lcos+ rcos) (4-1)為了分析方便,將上式中的變量消去一個,以代替 .為此,在 OAB 中,由正弦定理可得：sinsinRl即sinsinRl令,得Rlsinsin由三角公式222cos1sin1sin現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)連桿比 一般為 0.230.31，而所以上式取展開式前兩項(xiàng)就足夠精確，sin1,即221cos1sin2 將上式及代入公式（4-1） ，并簡化：Rl221(1sin)cos2xlRlR 22(1cos )sin2lR柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析2621cos2(1cos )22lR(1cos )(

53、1cos2 )4R 圖 4-1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)-曲柄轉(zhuǎn)角；-連桿擺角；-曲柄半徑；s-活塞行程；l-連桿長度；x-活塞位移R4.1.2 活塞速度活塞速度將活塞的位移 x 對時間求導(dǎo)數(shù)，即得活塞的速度 v。 (4-3)dtdddxdtdxv)2sin2(sin r活塞平均速度)/(30smSnCmWD175 柴油機(jī)的活塞速度曲線如圖 4-2 所示?？梢娀钊俣入S曲軸轉(zhuǎn)角成正弦規(guī)律變化。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析27圖 4-2 額定工況點(diǎn)單工作循環(huán)活塞速度4.1.3 活塞加速度活塞加速度將活塞的速度 v 對時間求導(dǎo)數(shù)，即得活塞的加速度 j (4-4)dtdddvdtdvj)2cos(cos2

54、 rWD175 柴油機(jī)的活塞加速度曲線如圖 4-3 所示，由圖 4-3 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。圖 4 -3 額定工況點(diǎn)單工作循環(huán)活塞加速度4.2 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。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析28當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作時，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)動質(zhì)量的慣性力；（3） 外界負(fù)荷對內(nèi)燃機(jī)的阻力；（4） 相對運(yùn)動件表面的摩擦力等。 以上各力中摩擦力比其他力小很多，故在進(jìn)行受力分析時一般不予考慮。 氣體壓力

55、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)與每一瞬時的外界反作用力相平衡，同時也是曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件受載的主要原因。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。4.2.1 氣體壓力的作用氣體壓力的作用作用在活塞上總的氣體壓力等于活塞上下倆側(cè)空間內(nèi)的氣體壓力差與活塞頂面積gF的乘積： （4-5）62104ppDFgg式中 氣缸直徑（mm） ；D 氣缸內(nèi)的氣體壓力（kPa） ；gp 曲柄箱內(nèi)的氣體壓力（kPa） 。p 對于一定的內(nèi)燃機(jī)，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D上下兩面氣體壓力差（-） ，即分別取決于和的變化規(guī)律。gppgpp4.

56、2.2 慣性力的作用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)動質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力，簡稱往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，簡稱旋轉(zhuǎn)慣性力或離心力，jFrm以表示，如圖 4-4 表示22。rF柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析29圖 4-4 代替曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡化質(zhì)量系統(tǒng)和慣性力 為集中在連桿軸頸中心處并作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的質(zhì)量，它等于簡化到曲柄半徑處的曲柄rm不平衡質(zhì)量與連桿組簡化到大端的一部分質(zhì)量之和。為集中到活塞銷中心處并作往復(fù)jm直線運(yùn)動的質(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。(1) 往復(fù)慣性力當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力等于

57、： (4-6)212222coscos2coscosjjjjjjjFFRmRmRmamF式中 往復(fù)慣性力；jF 往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量；jm 曲柄半徑；R ；cos21RmFjj。2cos22RmFjj柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析30 圖 4-5 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)號表示） 。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，大小jF不變，上式中=常數(shù)2Rmj 當(dāng)時（活塞位于上止點(diǎn)位置） ，往復(fù)慣性力的絕對值為最大，其值為：0jF12maxRmFjj由式（4-6）看出，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。jF稱為一級往復(fù)慣性力（簡稱一級慣性力） ，它是曲軸轉(zhuǎn)角的余弦函數(shù)，曲軸

58、旋轉(zhuǎn)一周，1 jF它變化一個周期；稱為二級往復(fù)慣性力（簡稱二級慣性力） ，它是曲軸轉(zhuǎn)角二倍的曲2jF線函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，它變化兩個周期。(2) 旋轉(zhuǎn)慣性力當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力（離心力）的大小為： （4-7）2RmFrr當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時，的大小一定，其方向則始終沿曲柄方向向外。rF4.2.3 作用在活塞上的合力及其分解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 4-6 所示23。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析31圖 4-6 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和慣性力，由于作用方向都是沿氣缸中心

59、線，故作gFjF用于活塞上的合力是氣體壓力與往復(fù)慣性力的代數(shù)和(2)：F （4-8）jgFFF 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 4-6 所示。(2) 合力的分解F由于連桿的擺動，除了對連桿產(chǎn)生拉壓力以外，還對氣缸壁產(chǎn)生側(cè)向力，這F1FcF時可得 （4-9）cos/1FF （4-10）tanFFc力使氣缸在連桿傾斜時受到活塞的側(cè)向推壓，故稱為側(cè)向力。cF連桿力使連桿軸承受載，并在曲柄銷中心產(chǎn)生切向力和：1FtFnFcossin FFtcoscos FFn法向力使曲柄受彎曲，并使主軸承受載。切向力與構(gòu)成力偶，這個力偶nFOtFtFT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)

60、一個氣缸所發(fā)出的指示轉(zhuǎn)矩，其值為：柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析32cossinFRRFTt 同時，力又和合成為。從圖（4-8）中可以看出和與大小相等方向nF tF 1F 1F1F1F平行。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分力，并 1FFcF以示：FFFFcoscos1 1ccFFFFsinsin1 1由此看出作用在氣缸壁上的側(cè)壓力和作用在主軸頸軸承上的側(cè)壓力大小相等而cFcF方向相反，這樣就構(gòu)成了一個與方向相反的力偶，其值為kTTRFRFhFhFTckcossinsinsintantan上式說明，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。cFcFkT