汽车发动机原理课件：发动机的机械损失

发动机的机械损失消耗了一部分指示功率，而使对外输出的有效功率减少，不同类型发动机各部分机械损失所占百分比差别很大，表1-16给出机械损失分配的大致情况，由表可见，机械损失所消耗的功率占指示功率的10％～30％，是不可忽视的分量，故降低机械损失，特别是摩擦损失，使实际循环得到的功尽可能转变成对外输出的有效功，是提高发动机性能重要的一个方面。一、机械效率ηｍ机械损失功率Pm(kW)、平均机械损失压力Pmm(MPa)和有效指标的关系是:Pm=Pi

–

Pe

(1-29)与Pi、Pe同理:由式(1-15)、式(1-21)、式(1-29)和式(1-30)得:Pmm=Pmi

–

Pme(1-31)为了比较各种不同发动机机械损失所占比例的大小，引入机械效率的概念。机械效率ηｍ是有效功率和指示功率的比值，即:

ηｍ值越接近于１,即Pe更接近于Pe,说明用于机械损失的比例小,发动机性能好。结合前面指示热效率ηit、有效热效率ηet的定义,可以得出下列关系式:ηet=ηitηｍ可见,在ηet中已经考虑到实际发动机工作时的一切损失了。在致力于提高发动机性能指标时，应尽可能减少机械损失，提高机械效率，若不注意这点，有时在改善汽缸内部指示指标的同时，却不自觉地增加了机械损失，以致不能获得预期的改进效果。机械效率ηｍ的大致范围见表1-17。二、机械损失的测定机械损失的测定方法有好几种，但要借以获得较精确的数值还是困难的，有待于不断改进。１)示功图法运用燃烧分析仪测录汽缸的示功图，然后根据示功图计算出指示功率Pi值，再根据测功机和转速计的测量数值计算出发动机的有效功率Pe值，从而可以换算出机械损失功率Pm、平均机械损失压力Pmm及机械效率ηｍ值。这种直接测定方法是真实的工作情况下进行的，从理论上讲也完全符合机械损失的定义，但结果的正确程度正如前述介绍，往往取决于示功图测录的正确程度，其中最大的误差来源于ｐ-φ图或ｐ-Ｖ图上活塞上止点位置不易正确地确定。２)倒拖法这种方法必须在具有倒拖能力的电力测功机的试验台上方可进行，试验时，发动机与电力测功机相连，当发动机以给定工况稳定运行。冷却液、机油温度到达正常数值时，切断对发动机的供油，将电力测功器转换为电动机。以给定转速倒拖发动机，并且尽量维持冷却液和机油温度不变，这样测得的电动机倒拖功率。即为发动机在该工况下的机械损失功率。但倒拖工况与实际运行情况相比有差别。首先，汽缸内不进行燃烧过程，作用在活塞上的气体压力在膨胀行程中大幅度下降，使活塞、连杆、曲轴的摩擦损失有所减少。其次，按这种方法求出的摩擦功率中含有不应该有的泵气损失消耗的功率。且由于排气过程中温度低、密度大、使泵气损失比实际的还大，再次，倒拖在膨胀、压缩行程中，由于充量向汽缸壁的传热损失，以至于ｐ-Ｖ图上膨胀线和压缩线不重合而处于它的下方，出现了图1-14所示的负功面积。３)灭缸法此法多适用于多缸柴油发动机。测试时发动机首先调整到给定工况稳定运转，然后测出其有效功率Pe,之后在喷油泵齿条位置不变的情况下，停止向某一汽缸供油，并调整测功器迅速将转速恢复到原来的转速，测出此时发动机有效功率Ｐ′ｅ。这样，如果灭缸后其他各缸的工作情况和发动机机械损失没有变化，则被熄灭的汽缸原来所发出的指示功率(Pi)ｘ为(Pi)ｘ=

(Pe

-Ｐ′e)ｘ依次将各缸灭火,最后可以从各缸指示功率的总和中求得整台发动机的指示功率Pi为:然后可以求出Pm和ηm。采用这种方法，在只要停止一个汽缸的燃烧，不致引起发动机进、排气系统的异常变化的情况下就会相当准确，其误差在5%以下，对于增压发动机，由于排气压力波会发生变化，而对于汽油机，则由于进气情况会改变，往往得不到正确的结果。４.油耗线法由指示热效率的定义可导出

BHμηit=3.6×103Pi=3.6×103(Pe+Pm)当柴油机空转(无负荷)，ηit不随负荷增减而变化时，可得:BHμηit=3.6×103Pm两式相除，得:式中:B0——发动机空转时的燃油消耗量。保证发动机转速不变，逐渐改变柴油机喷油泵齿条的位置，测出每小时耗油量Ｂ随负荷Pme变化的关系，绘制成如图1-15的曲线，此曲线称为负荷特性曲线，在曲线中找出接近直线的线段，并顺此线段作延长线，直至与横坐标相交，则交点到坐标原点的长度即为该机的平均机械损失压力Pmm的数值，此方法的基础是，假设转速不变时Pmm和指示热效率都不随负荷增减而变化。根据以上的分析,得到图1-15中Ａ、Ｂ两工况的关系式为:

BAHμηｉ=3.6×103Pi=3.6×103(Pe+Pm)BBHμηｉ=3.6×103Pm两式相除，得这个方法虽然只是近似的方法,但只要在低负荷附近,燃油消耗量曲线为直线就相当可靠,即使没有电力测功器和燃烧分析仪也能进行测定,但是,这种方法不适用于用节气门调节功率的汽油机。当测得其Pmm值后,其机械效率可近似地用下式估算:在以上所介绍的几种测定机械效率的方法中，倒拖法只能用于配有电力测功机的情况。因而不适用于大功率发动机，而较适用于测定压缩比不高的汽油机的机械损失，对于废气涡轮增压柴油机(Pb<0.15ＭPa),由于倒拖法和灭缸法破坏了增压系统的正常工作,因而只能用示功图法、油耗线法来测定机械损失,对于排气涡轮中增压、高增压的柴油机(Pb

≥

0.15ＭPa),除示功图外,尚无其他适用的方法。三、影响机械损失的因素１.缸直径及行程根据试验，机械损失功率与缸径、行程的大致关系为式中:Ｄ——汽缸直径；Ｓ——活塞行程；Ｄｍ——曲轴的平均直径；

K——与汽缸数和转速有关的常数。可见，当发动机工作容积增加，即加大缸径或行程时，机械损失功率增加，但因汽缸的面积与容积之比值(A/V)减小，相对摩擦面积减少，故相对的机械损失减少，机械效率提高，当汽缸工作容积一定，而行程、缸径比(S/D)减小时，则因活塞平均速度Ｃｍ值和A/V值均有所下降，所以机械效率提高。２.摩擦损失在机械损失中，摩擦损失所占比例最大，达70%左右，故降低摩擦损失一直是人们极为关注的问题。

(1)活塞组件是发动机中主要的摩擦源，产生摩擦的活塞组件是:活塞环、活塞裙部和活塞销，影响摩擦损失的主要因素是活塞环的结构与组合、活塞裙部的几何形状，缸套的温度及配合间隙等，在高速车用汽油机中，为减少摩擦损失采取的措施有:减少活塞环数目,如由三道环(二气一油)减至二道环(一气一油),甚至出现一道环,减薄活塞环厚度，目前已有２~３ｍｍ厚的气环,减少活塞裙部的接触面积，如裙部加装凸起物,制成骨架式结构,如图1-16所示，在裙部涂固体润滑膜等。(２)曲轴组件。曲轴摩擦源于轴颈与轴承及其密封装置，一般滑动阻力与轴颈的直径和宽度的立方成正比。因此，主要措施是减小运动件的惯性质量，如减小活塞、活塞销、连杆的质量等，还可以通过降低轴承负荷，减小轴承宽度和轴径。(３)配气机构。气门机构在发动机整个工作范围均承受高负荷，在较低转速下作用于气门上的负荷主要由弹簧力引起，在较高转速时，零件质量引起的惯性力占主导地位。减小配气机构运动件质量(如已有气门导杆直径减至2~3mm)，降低弹簧负荷，在摇臂与凸轮接触面处加入滚动轴承等，都是减小配气机构摩擦损失的有效措施。３.转速ｎ(或活塞平均速度Cm)发动机转速上升(Cm随之加大),致使:(１)各摩擦副间相对速度增加,摩擦损失增加。(２)曲柄连杆机构的惯性力加大,活塞侧压力和轴承负荷均增高，摩擦损失增加。(３)泵气损失加大。(４)驱动附件消耗的功多。因此，n上升，机械损失功率增加，机械效率下降，根据实测统计资料，一般平均机械损失压力Pm大致与转速n成直线关系，如图1-17所示，机械效率随转速变化的大致关系如图1-18所示。随转速上升摩擦损失所占比例明显加大，且在转速大致相同的情况下，柴油机摩擦损失大于汽油机，这是因柴油机压缩比高、汽缸压力高、运动部件质量大所引起。４.负荷当发动机转速一定而负荷减小时(在汽油机中是减少混合气量，在柴油机中是减小供油量)，平均指示压力Pmi随之下降,而平均机械损失压力Pmm变化很小(图1-19),因为Pmm的大小主要决定于摩擦副的相对速度和惯性力大小,图1-19给出Pmi、Pme、Pmm、ηｍ随负荷变化的关系。５.润滑油品质和冷却液温度在机械损失中，摩擦损失占的比例最大，达70%左右。而润滑油(常称全损耗系统用油)的黏度对摩擦损失的大小有重要影响。全损耗系统用油黏度即稠稀程度表示了流体分子之间内摩擦力的大小，黏度大，全损耗系统用油内摩擦力大,流动性差，使摩擦损失增加，但它的承载能力强，易于保持液体润滑状态。反之，全损耗系统用油黏度小，流动性好。全损耗系统用油黏度主要受油的品种和温度的影响，黏度随温度的变化程度常用黏度比，即50℃和100℃时全损耗系统用油运动黏度的比值表示，黏度比越大，黏度随温度变化越大。选用全损耗系统用油黏度的基本原则是:在保证发动机正常工作时有可靠润滑条件的前提下，尽量选用黏度较小的全损耗系统用油，以减少摩擦损失，改善起动性能。