影响发动机性能的环境因素为大气温度、湿度和大气压力。根据式，充气效率为式中，ma，n为标准状态；Vh为工作容积；ma为在实际大气状态p、T下工作容积所占有的空气质量；下标n表示标准状态。但是，当大气中的湿度高时，自然水蒸气分压力pv就大，在发动机进气中，与水蒸气相当量的氧气不能参与燃烧，导致输出功率会降低。......
2023-06-28
发动机性能影响因素分析
【摘要】：在这里对发动机的设计因素和空燃比等进行说明，对于运行条件和环境因素方面将在“3.3发动机性能影响因素的影响”部分进行说明。对于活塞行程与气缸直径比，小型和中型发动机为Rsb=0.8～1.2，低速大型柴油机为Rsb≈0.5，是短行程发动机。空燃比（A/F）是影响发动机性能的三大要素之一，是进入到发动机内的空气质量与燃料质量的比值。
对发动机性能的影响因素有发动机设计因素、发动机运行条件和环境因素。在发动机设计因素方面，主要关系到往复式发动机的几何学形状，如压缩比、气缸直径对行程比、燃烧室容积与表面积之比、活塞平均速度等。在发动机运行条件方面，主要关系到空燃比、点火时刻（或燃料喷射时期）、负荷和车速等。在环境因素方面，主要有周围大气温度、湿度和压力等。
在这里对发动机的设计因素和空燃比等进行说明，对于运行条件和环境因素方面将在“3.3发动机性能影响因素的影响”部分进行说明。
1.压缩比
图3-5 活塞-曲柄机构
图3-5所示为活塞-曲柄机构的简图。在图中，B为气缸内径，S为行程距离，l为连杆的长度，r为曲轴的长度（曲轴半径），x为曲轴中心到活塞销的距离，θ为曲轴角度（CA）。活塞在上止点时定义曲轴角度θ为θ°CA。CA表示曲轴的旋转角度。
压缩比ε定义为气缸的最大容积与最小容积之比，即
式中，Vh为工作容积；Ve为燃烧室容积。
2.气缸直径与活塞行程之比
气缸直径（B）与活塞行程（S）之比Rsb的定义式为
如果该比值小于1，则称为短行程发动机；如果该比值等于1，则称为等径程发动机；如果该比值大于1，则称为长行程发动机。
长行程发动机因膨胀比大，效率好，因此大部分汽车采用此类发动机。短行程发动机虽然因活塞的行程短不能提高压缩比，但因气缸内径大，可以配置大进气门，故可以增大容积效率，并且在相同的转速下活塞的平均速度小，利于高速运转，因此多在运动型跑车上采用此类发动机。表3-4为气缸直径与活塞行程之比的变化。
表3-4 气缸直径与活塞行程之比Rsb的变化
3.曲轴半径与连杆长度之比
曲轴半径（R）与连杆长度（l）之比Rlr的定义式为
曲轴半径r与活塞行程S具有S=2r的关系。
这些是设计因素中具有代表性的因素，汽油机的压缩比为ε=9～11，柴油机的压缩比为ε=15～24。对于活塞行程与气缸直径比，小型和中型发动机为Rsb=0.8～1.2，低速大型柴油机为Rsb≈0.5，是短行程发动机。对于曲轴半径与连杆长度比，小型和中型发动机为Rlr=3～4，低速大型柴油机为Rlr=5～9。
4.燃烧室容积与表面积比
活塞在任意位置，即任意曲轴角度θ时的气缸容积V（θ）表示为
式中，x为活塞销与曲轴中心之间的距离，可以表示为
x=rcosθ+（S2-r2sin2θ）1/2 （3.33）
把式（3.33）代入到式（3.32）中可以推导出：
任意曲轴角度θ时的燃烧室表面积A（θ）为
A（θ）=Ah+Ap+πB（S+r-x）
式中，Ah为气缸盖表面积；Ap为活塞顶部表面积。如果是平面活塞，Ap=πB2/4。
在上式中，把x用式（3.33）代入，可以得到
燃烧室表面积与工作容积之比ψ（=A/V）对汽油机的冷却损失、污染物排放等特性的影响很大。
5.活塞平均速度和瞬间速度
在发动机设计因素中有活塞平均速度Vp，m（m/s）。当计算气缸内气体流动带来的热传递，或者部件的惯性或发动机摩擦带来的负荷等时，比起曲轴转速更把活塞平均速度作为可变量。
式中，S（m）为活塞行程长度；n（r/min）为发动机的转速。
活塞速度（或瞬间活塞速度）vp为
通过对式（3.33）进行微分可以计算出活塞速度。活塞速度在活塞处于上止点和下止点位置时为0，在活塞行程中间位置可以达到最大。
活塞速度或活塞平均速度随活塞行程S、转速n和曲轴半径r的不同而发生变化。因此，通常使用把活塞速度用活塞平均速度相除的无量纲活塞速度。把式（3.33）进行微分的值用式（3.36）相除，可以得出。
图3-6Rlr=3～9时随曲轴角度θ的无量纲活塞速度。无量纲活塞速度，即活塞速度与曲轴角度不是对称的，可以看出最大速度在90°CA之前出现。另外，曲轴半径与连杆长度比Rlr越小，出现最大活塞速度的位置越靠前。
因进入到气缸内的气体流动阻力和运动部件惯性导致的应力等问题，最大活塞平均速度受到限制，汽车用高速发动机在16m/s以下，大型船舶用柴油机在8m/s以下。
图3-6 随曲轴角度的无量纲活塞速度
6.气门角度和端口角度
汽车用发动机大多采用Ⅰ型气缸盖。因为Ⅰ型气缸盖发动机的气门角度和端口角度与空气流量系数有关，所以给发动机的进气、排气特性带来影响。气门角度定义为气缸中心轴与气门杆所形成的角度，端口角度定义为气缸水平面与端口轴所形成的角度，如图3-7所示。
气缸直径相同时，气门角度越大，可以配置使用的气门越大，会提高容积效率。但是，如果为顶置气门类型，要考虑气门驱动系统的装配和压缩比等因素，因此火花点火方式发动机的进气和排气门角度都要在10°～30°范围内。通常压缩比较高的压缩点火式发动机的气门角度为0°。
气门角度和端口角度对进入到气缸内的空气或混合气的进气流形成滚流和涡流状态，这会给燃烧特性带来影响。积极利用气缸内气体流动状态的分层充气发动机、稀薄燃烧发动机等，非常重视气门角度和端口角度的选择。
7.空燃比
发动机运行条件中有混合气的构成。表示混合气浓度的指数通常使用空燃比（A/F）、空气过量系数λ和当量比φ这三种。
空燃比（A/F）是影响发动机性能的三大要素（空燃比、点火时刻、转速）之一，是进入到发动机内的空气质量与燃料质量的比值。把空燃比的相反数称为燃空比（燃料与空气比）（F/A）。这些参数是通过发动机试验测量空气质量流量率
和燃料质量流量率
进行计算得出。
1kg燃料完全燃烧所需的最小空气质量称为理论空气量。把燃料量与理论空气量之比称为理论空燃比（A/F）s，其定义式为
式中，下标s表示理论空燃比（理论混合比）。
图3-7 气门角度和端口角度
空气过量系数（或空气比）λ为理论空燃比与实际空燃比之比，或理论空气量与实际空气量之比，把相反数称为当量比φ。这三种指数的关系为
燃料的燃烧根据空气过量系数λ的不同，有如下区分和假设利用：
①λ>1：稀混合气可以完全燃烧。
②λ=1：理论混合气可以完全燃烧。
③λ<1浓混合气不能完全燃烧。
汽油机的理论空燃比（A/F）s为14.7，虽然正常工作范围为12≤（A/F）≤18，最近开发了稀薄燃烧汽油机、直喷汽油机等，这些发动机的空燃比范围可以扩大到40。柴油机的理论空燃比（A/F）s为14.5，正常工作范围为18≤（A/F）≤70，所有工作范围在稀混合气状态使用。
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