发动机变量对性能的影响

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：热流与发动机输出功率相同，受到发动机转速、发动机负荷、点火时间、空燃比等的影响。压燃式发动机中对于随负荷变化的热流，因负荷的变化是空燃比的变化所致的，因此可以用当量比的变化获得。

热流与发动机输出功率相同，受到发动机转速、发动机负荷、点火时间（或喷射时间）、空燃比等的影响。另外，冷却损失与转速、负荷、气缸内气体流速（涡流和滚流流动）、温度（混合气和冷却液温度）、压力、压缩比、壁表面材质、壁表面附着物等有关，其中转速和负荷的影响最大，即越是高速、高负荷，冷却损失会越大。

1.转速和负荷

汽油机中，燃烧室的热发生量对于燃烧室全部面积A_p的热传递比（%）数值解释结果如图8-30所示。发动机排气量为5700mL，气缸数为8个，试验是在理论空燃比和最佳点火时间（MBT）条件下进行的。如图8-30所示，虽然每一循环热损失比（冷却损失比）随转速和负荷的增大而降低，但单位时间热传递量是随转速和负荷的增大而增加。

图8-30 随发动机转速的冷却损失率

如沃希尼的公式（8.32）所示，热流受到压力φ、温度T和活塞平均速度v_g，m的影响。因沃希尼的公式很复杂，为了通过试验数据便于预测各要素的热流，使用下述简单的关系式。

式中，指数n虽然随燃烧室形状和位置的不同而不相同，但通常采用0.5～0.75范围。汽油机中气缸盖与气缸套的热流为n=0.6。这与直喷式柴油机的单位面积燃料流量率为0.195kg/Sm²时的气缸盖热流相似。

汽油机随转速和净（制动）平均有效压力p_m，e变化的净效率η_e、机械效率ηm和冷却损失功如图8-31所示。通常，发动机的燃料消耗率在部分负荷运行条件下最低，最大输出功率出现在混合气较浓状态运行的全负荷运行条件下。

图8-31 汽油机的各种性能曲线

机械效率与负荷有直接的关系，无负荷状态为0。从图8-31a可以看出，机械效率在全负荷、1000r/min转速条件下为90%，在全负荷、6000r/min转速条件下为70%。从图8-31b中可以看出，转速为6000r/min时冷却损失功为34kW。

在图8-31b中同时显示了冷却损失功和净功率。净功率是利用净平均有效压力（或负荷）p_m，e和发动机转速进行计算的。冷却损失功为，净平均有效压力p_m，e约为0.1MPa时，是净功率的2倍左右，p_m，e为0.3MPa时与净功率几乎相等，p_m，e为0.8～1MPa时，是净功率的一半左右。但是，冷却系统中重要的是冷却热量，与负荷的影响相比，转速的影响更大。

2.当量比

点燃式发动机中，最大热流在相对于最大输出功率的混合气当量比为φ≈1.1时出现。当量比φ相对于此值稀薄或浓，热流就会减小，如图8-32所示。试验条件与图8-30所示的条件相同，是p_m，e=325、n=1400r/min。图中Δθ_b为燃烧持续时间（°CA）。热损失率随当量比的不同而变化的原因是气体温度不同。压燃式发动机中对于随负荷变化的热流，因负荷的变化是空燃比的变化所致的，因此可以用当量比的变化获得。

3.压缩比

点燃式发动机中压缩比ε增加到ε≈10时冷却损失率会减小。当压缩比从7变化到9.4时，冷却损失率约减小10%。其后随压缩比的增加，冷却损失比开始增加，但变化量不大。

这是因为，当压缩比增加时，气缸内气体温度随之上升，同时输出功率也增大，但通过冷却液的散热损失不会以相同量增加。另外，高压缩会产生高膨胀，减少减压排气现象，使排气温度降低，通过排气门和排气端口的散热量减少，因而可以减少在燃烧室中热量流动的增加量。如果压缩比进一步增大，输出功率的增加率会逐步减少，因相对于表面积的容积比过小，超过某一界限压缩比时，通过冷却液的热损失率会增大。

4.点火时期

点燃式发动机以最佳点火时间（MBT）为基准延迟点火时间，如图8-33所示，会降低通过气缸壁表面的冷却损失率。试验条件是转速为5700mL、8缸汽油机，Δθ_b为燃烧持续时间（°CA）。

图8-32 随当量比的热损失率

图8-33 随点火时期的热损失率

压燃式发动机喷射时间的延迟也会出现相似的趋向。燃烧气体温度在点火时间延迟时因延迟燃烧也会减少，虽然各部位的温度大体上降低，但排气门温度因排气温度上升而增大。

5.冷却液温度

点燃式发动机（压缩比8.5、5500r/min）的冷却液出口温度从70℃变化到120℃时燃烧室周边各部位温度的测量结果如图8-34所示。排气门和火花塞的温度没有变化，活塞和气缸套等温度以冷却液温度的变化量相同量发生变化。

如果冷却过度，热效率会降低，燃料消耗率会增加，如图8-35所示。在没有气缸壁过热顾虑的条件下，应尽可能提高冷却液温度。通常，水冷式发动机的冷却液出口温度保持在80～100℃。

图8-34 随冷却水出口温度的影响

图8-35 随冷却水出口温度变化的燃料消耗率的变化

高温冷却会发生局部高温区域，因冷却液的沸点等问题，会导致运行不稳定。作为防止这些现象的措施有，利用乙二醇等水溶液提高冷却液沸点和密封冷却液容器提高沸点。高温冷却因与外界温度的差异大，可以尽量使散热器小型化。但是，如果过度高温冷却，各构成部件的温度分布就会大，会导致发生热应力，如果过分严重会发生变形或破损。

6.材质

发动机的材料，尤其是气缸盖的材质对发动机性能的影响很大。气缸盖的材质主要是铸铁和铝合金。虽然燃烧室内气体温度瞬间可以达到2500K，但气缸盖的表面温度相对较低，为200～400℃。因热传递与温度差成正比，提高燃烧室壁表面温度，或使用高热阻系数（热传导性低）绝热物质，会降低冷却损失热量。比铸铁热传导率低的像氯化硅、氧化锆等陶瓷物质能在较高的温度下运行。

图8-36 涡轮增压柴油机的活塞平均表面温度的变化

绝热柴油机（陶瓷发动机）这一概念早就受到人们的关注。陶瓷发动机的热传导率与金属相比低数十倍到数百倍，因此冷却损失热量非常小，能大幅度提高燃烧温度，提高膨胀做功。几种物质的热特性见表8-8。

涡轮增压柴油机的陶瓷和金属材质活塞的表面温度与气体温度的变化如图8-36所示。陶瓷材质活塞的表面温度约为800K，金属材质活塞的表面温度约为500K。可以看出气缸内气体最高温度方面陶瓷材质比金属材质高，即气缸内气体温度与表面温度的变化表示相互作用的热传递的固有非正常性质。

表8-8 铝合金与铸铁的热性物性值

在绝热状态下，可以看出活塞表面温度上升很高。由此会使进入的空气温度升高，容积效率降低，并且会在压缩行程中发生热传递，使压缩气体温度升高，这就需要更大的压缩功。

发动机变量对性能的影响

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