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2023-07-02
设计因素与行程长度的关系及其影响分析
【摘要】：行程S在发动机设计中成为唯一的变数。气缸内径B与冲程S之间的比值，即Rsb的选择与发动机性能息息相关，因此在发动机设计因素中非常重要。这表示气门直径dV与侧压Fn在几何学上相互有关联。从图3-16中可以看出，行程越短，随Rsb传递到气缸、活塞的热量比率越大。因此，可以得出对于左右热传递的ψ值来说存在最佳的Rsb。这表示减少了同等量的冷却损失。
1.压缩比
图3-14所示为实际发动机中压缩比对发动机指示热效率的影响。运行条件为，理论空燃比下几乎没有泵气损失的全负荷状态。在图中同时显示了空气标准循环和燃料-空气循环的理论热效率。在压缩比相同的条件下，实际循环热效率为燃料-空气循环的75%～85%。可以看出，虽然热效率随压缩比的增大而同时增加，但其增加的幅度随压缩比越大而减小。
图3-14 实际发动机的指示热效率
2.气缸直径与行程比
根据式（3.25a），活塞比功率与平均有效压力pm，e和活塞平均速度vp，m的乘积成正比，因其活塞平均速度vp，m在相同的工作容积Vh下随行程S的不同而不一样，因此有必要考虑冲程S的影响。行程S在发动机设计中成为唯一的变数。对此有必要进一步进行探讨。
气缸内径B与冲程S之间的比值，即Rsb（=S/B）的选择与发动机性能息息相关，因此在发动机设计因素中非常重要。如果采用大Rsb值，只能采用小型气缸内径，气缸内径小必然会导致气门面积Av（或气门孔直径dv）减小。还有，Rsb与影响输出功率的活塞摩擦力，即侧压（侧向推力：Side thrust）Fn也有关联。
活塞往复运动时的转矩，参考图3-15所示的活塞-曲柄机构，有
由此可知
如果各运动转矩M相同，
（活塞与曲轴之间的距离）会影响Fn。这表示气门直径dV与侧压Fn在几何学上相互有关联。
下面对Rsb与压缩比之间的关系进行探讨。压缩比越大，燃烧室的几何学形状越平整，使燃烧室表面积与容积比越大。这表示，当发动机的工作容积Vh一定时，对比长行程发动机，短冲程发动机的气缸内径大，因此行程越短其发动机表面积越大，热损失越大。活塞的热负荷与活塞头部受到的热量成正比，另外活塞面积与活塞直径B的平方成正比，因此越是行程短的发动机，其活塞头部的温度越高。从图3-16中可以看出，行程越短，随Rsb（=S/B）传递到气缸、活塞的热量比率越大。
下边对随燃烧室表面积与容积比ψ（=A/V）的传热量进行探讨。气缸容积为燃烧室容积与工作容积之和。在此，利用燃烧室容积（与活塞的位置无关）相关的表面积与容积之比进行探讨。燃烧室容积相关的气缸盖与活塞之间的距离x可以利用压缩比ε以下式进行推算：
燃烧室表面积与容积比ψ为
根据气缸直径与行程比Rsb=S/B，式（3.45）可以表示为
图3-15 活塞-曲柄机构力的关系
图3-16 发动机的传热量比较
图3-17 压缩比一定时ψ与Rsb之间关系
图3-18 气缸直径一定时ψ与Rsb之间关系
根据式（3.46），ψ、Rsb、B和ε之间的关系如图3-17和图3-18所示。即，当压缩比ε一定时，气缸直径B越大，燃烧室表面积与容积比ψ越小。当气缸内径B一定时，压缩比ε越大，Rsb越大。
更可以看出，当压缩比ε和气缸内径B一定时，Rsb越小，燃烧室表面积与容积比ψ越大。因此，可以得出对于左右热传递的ψ值来说存在最佳的Rsb。对于此关系，图3-19显示了通过试验得出的柴油机的此关系曲线。从图中可以看出，当转速一定时，Rsb越大，净平均有效压力越大。这表示减少了同等量的冷却损失。
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