柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析(5)

柴油发动机及其曲柄连杆机构

动力分析

式中 ?s——进气管状态下空气密度（kg/m3）

根据过量空气系数的?a的定义

?a?ml?1 l0gbl0式中，gb——为每循环燃料供给量（kg）。

则

gb??V?m1?css（kg） ?al0?al0得每循环加热量Q为

Q?gbHu??cVs?s（kJ） （3-23） ?al0式中 ?al0——燃烧每公斤燃料实际充入汽缸的空气量（kg）； Hu——燃烧低热值（kJ/kg）。

根据平均有效压力pme的定义

pme?We?etQ?（kPa） VsVs将（3-23）代入上式得 pme??et?c?sHuH?u?s?c?m?it (kPa) （3-24）

?al0?al0式（3-24）建立了动力性能指标和经济性能指标之间的关系，它是分析内燃机性能的一个

重要依据。

3.3 标志柴油机整机性能的其他参数

为了从各个不同的 角度反映柴油机的整机性能，还采用其他一些参数。

3.3.1 活塞的平均速度

活塞平均速度Cm是在曲轴每一转的两个行程中活塞的速度平均值[3]，即

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式中

Cm?Sn30?10?3(m/s)

（3-25）

S——活塞行程（mm）；

n——内燃机的标定转速（r/min）。

活塞平均速度是表征发动机高速性的指标，它对发动机的性工作可靠性及使用寿命都

有很大的影响。Cm值愈高，表明发动机的功率和升功率由高，但发动机所受的机械负荷和热负荷也越大。

3.3.2 强化系数

平均有效压力pme和活塞的平均速度Cm的乘积通常为强化系数，如果考虑冲程系数?的影响，则可写成pmeCm/τ。它一方面代表了发动机功率和转速的强化，表征了性能指标

的先进性；另一方面又代表了发动机所受的热负荷和机械负荷的大小，将影响到发动机的使用寿命和工作可靠性。目前，四冲程中小功率柴油机的强化系数pmeCm/τ一般为7.5~15。

3.3.3 比质量

比质量是指发动机的整机质量与其标定功率的比值。

式中

gN?G(kg/kw) Neb (3-26)

G——发动机整机质量（kg）；

Neb——发动机的标定功率（kW）。

比质量表明了金属材料在发动机中的利用程度，它与发动机的用途、寿命、材料性能

和工艺水平等因素有关。gN值小，表明发动机的质量轻、而功率大。通常值小的发动机也都是强化程度高、升功率较大的发动机[17]。

3.4 提高柴油机动力性能和经济性能的主要措施

为了分析提高柴油机动力性能和经济性能的各种措施，可先分析影响单位气缸工作容积的输出功率，即升功率PL的各种因素[18]。 由公式（3-16）和（3-24）可得： PL?1?sHu1?it?m?cn（kW/L） （3-27） 43?10?al0?22

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对于柴油机来说，燃料的

Hu之值变化不大，故上式可以写成 l0PL?K1Hu1? l03?104?s?it?m?cn（kW/L） ?a? (3-28)

式中 K1?

另外，be作为衡量发动机经济性能的重要指标，根据公式（3-20）得：

K23.6?106K2be??? g/(kW?h)

?etHu?et?it?m (3-29)

通过以上两式，可以看出，提高发动机动力性能指标和经济性能指标的基本途径有下

面几种：

(1) 采用增压技术

增压技术就是使空气进入气缸前进行预压缩，增加吸入气缸空气的密度，可以使发动机的功率按比例增长。同时，它还是改善经济性、节约原材料、降低排气污染最有效的一项技术措施。这一措施已在柴油机是获得了广泛的应用[19]。

(2) 合理组织燃烧过程

以提高工作循环的指示热效率?it，并求得最大限度利用气缸内的空气。提高指示热效率不仅改善了内燃机动力性能，而且也改善其经济性能，这需要从研究内燃机实际循环和理论循环入手，切实掌握各种因素对热力损失的影响程度，从而寻找提高?it的具体技术措施，而其最主要的方面就是对内燃机燃烧过程的改进。

(3) 提高气缸的充量系数?c

同样大小的气缸容积，如能吸入更多的空气，则将允许进入更多的燃料，就可获得更多的有用功。改善进气过程不仅对提高?c有利，且可减少换气损失。

(4) 提高发动机的转速

提高发动机的转速即增加单位时间内每个气缸作功的次数，从而提高内燃机的功率输出。但转速过多增加会使燃烧恶化，充量系数和机械效率急剧下降，使内燃机的可靠性和工作寿命减少，因此转速的提高受到一定限制。

(5) 提高发动机的机械效率

提高发动机的机械效率可使其动力性和经济性有所提高。在这方面，主要是依靠合理选定各种参数，在结构上、工艺上采取措施减少摩擦损失水泵、润滑油泵等附属机构所消耗的功率，改善内燃机的润滑、冷却条件等方法来达到。

(6) 采用二冲程来提高升功率

由式（3-28）可知，采用二冲程可以提高升功率。但实际上在相同工作容积和转速下，

pme值达不到四冲程的水平，与此同时，在结构上不得不予以特殊的考虑，不然的话，若

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仍用简单的结构，其升功率不易超过四冲程，而且燃油消耗率却显著上升。

用MATLAB语言编制系统仿真软件，计算得到柴油发动机额定工况n=2600r/min、α=100%下的数据为：

发动机机械效率：0.8 发动机指示热效率：44% 发动机燃油率：238.87% 发动机转动不均匀度：2.36% 发动机输出功率：5.17kW

WD175曲轴与轴瓦之间摩擦系数为μc=0.00324

WD175活塞与缸套之间摩擦系数为μp=1.2961e-001[20]

3.5 小结

本章经对影响柴油机动力性和经济性进行分析，有利于今后在维修、保养、调整和

使用中，扬长避短，尽可能的提高其动力性和经济性，提高工作效率和效益，使其优质、高效、低耗地发挥作用。

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第4章 曲柄连杆机构的运动与受力分析

4.1 曲柄连杆机构的运动分析

4.1.1 活塞的位移

由图4-1的几何关系可得

x=AA’=A’O-AO=(l+R)-(lcosβ+ rcos?)

(4-1)

为了分析方便,将上式中的变量消去一个,以?代替β .为此,在ΔOAB中,由正弦定理可得：

Rsin? ?lsin?即

sin??Rsin? l令

R??,得 lsin???sin?

由三角公式

cos??1?sin2??1??2sin2? 现代内燃机连杆比λ一般为0.23~0.31，而sin??1,所以上式取展开式前两项就足够精确，即

1cos??1??2sin2?

2将上式及

R，并简化： ??代入公式（4-1）

l1l??x?l?R??l(1??2sin2?)?Rcos???R(1?cos?)??2sin2?22??l1?cos2???R(1?cos?)??2?R[(1?cos?)?(1?cos2?)]

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