影响内燃机工作性能的关键因素解析

内燃机的工作是一个非常复杂的过程，影响其工作性能的因素很多，各因素之间存在着错综复杂的关系。下面从以下几个方面进行阐述。

（一）影响内燃机动力性与经济性的主要因素

为了概括表现各方面因素对动力性和经济性指标的影响，现做如下推导：

由式

可得

式中Hu单位为MJ/kg，Ne单位为kW。

现在把它转换成Pe和内燃机进气量的关系。

如果L0表示1kg燃料完全燃烧所需的空气（kg）；a表示内燃机的过量空气系数；ρs表示进气管内的空气密度；ηv表示充量系数，即实际进入气缸的新鲜充量与理论上可充入气缸的充量之比。

与GT（kg）燃料混合的实际进入气缸的空气量为m1＝aGTL0

1小时内理论上可充入内燃机的空气量为

则

或

代入式（a）可得

对于结构和使用燃料已经确定的内燃机，相应参数可作为常数，所以

按照各有效指标间的关系式，对柴油机则可得到：

Me∝Δgηiηmn

GT∝Δgn

式中Δg代表每循环供油量。

对汽油机可得到：

以上这些可供定性分析用的关系式表明了对内燃机动力性、经济性指标的各方面因素的影响，各种调整参数和工况参数对内燃机性能指标的影响将在内燃机特性中进行分析。

由以上各关系式可知，对内燃机工作性能影响较大的实际因素可以从几个方面来分析：

（1）增压度　在保持过量空气系数α等几个参数不变的条件下，如果采用增压技术，提高空气密度ρs可以使Ne成比例地增长。

（2）换气质量　换气是否充分，是每循环发挥工作性能的基础。换气完善程度由ηv来衡量，尽量提高充量系数有利于发动机的工作。对汽油机，充进气缸的燃油量与ηv成比例，所以换气尽量充分，ηv值高，有利于提高Ne；对柴油机，充进气缸的空气量越多，能够完全燃烧的循环供油量Δg才能越多，Δg与ηv存在着比例关系。所以要求换气充分，就是要求提高ηv。

（3）对指示效率产生实际影响的因素　包括压缩比的高低、燃烧是否及时完全和热损失的多少等。

压缩比的高低尤其对汽油机产生显著的影响，压缩比提高可以改善循环的热量利用（膨胀比加大）、减少热损失（燃烧室散热面积减小），从而提高ηi，并使汽油机部分负荷时采用稀混合气可更好工作。当然，我们也应考虑到提高压缩比对燃料辛烷值的要求提高，并使发动机热负荷和机械负荷增大等不利方面。

燃烧是否及时完全，是每循环发挥工作性能的关键。ηi表现了实际循环的效率，在一定的发动机上，它主要受燃烧完善程度的影响。内燃机燃烧完善程度主要从完全、及时、柔和、无烟、低排污等几方面来加以衡量。燃烧愈完善，在Z点的热利用系数愈高，平均指示压力也就愈大，这是研究燃烧过程所努力追求的目标。但由于种种因素的影响，内燃机燃烧过程往往难以达到理想完善的程度。对柴油机而言，主要与换气质量、压缩终点的温度、最大喷油压力、燃油雾化质量以及燃油束与燃烧室内空气运动的配合等因素有关；对汽油机而言，主要与空燃比、化油器、点火提前角等因素有关。

总的来说，如果采用尽量小的α达到尽量高的ηi，就可以增加气缸单位工作容积的做功量，提高其动力性和经济性。

（4）尽量减少机械损失　机械损失愈少，意味着燃料热能转换为有效机械功愈多，冷却系和润滑系传递的热量和消耗功率也愈少，机件传递的热流和相应的磨损也会减少。负荷增大时，某些摩擦副间将出现边界润滑，甚至出现接触性的干摩擦。减少摩擦损失应从减小接触面、改善表面性能、改进润滑油性能、改善试运转时的零件磨合等方面入手。为了减少机械损失，还应该优化进、排气系统结构和尺寸，通过减少进、排气阻力来减少换气损失。在高速车用发动机上，换气损失可能高达机械损失的20%，采用直接喷射式燃烧室比采用开式燃烧室可减少气缸内的节流损失。(www.xing528.com)

（二）影响机械损失及机械效率的主要因素

1.增压

当内燃机采用排气涡轮增压时，Ni与增压度增加成正比，此时气缸中最大爆压虽有增加，但采取降低压缩比等措施后，Pz增加的幅度将低于Ni增加的幅度，致使机械损失减少；当采用机械增压时，机械损失的减少与否，将视增压比的高低由泵气功与压气机耗功的和而定。此外，增压后，润滑油温度的提高，会使润滑油黏性阻力降低，并且燃烧较为柔和，有利于减轻轴承上的冲击负荷等。综上所述，若内燃机转速不变，则机械损失功率将与非增压时大致相当。由于Ni值提高，因此涡轮增压及低压比的机械增压将使ηm提高。

2.曲轴转速及活塞平均速度

曲轴转速及活塞速度的提高将使活塞摩擦损失及轴承摩擦损失迅速增加。同样，非增压机的泵气损失、辅助机械损失、二行程机的扫气泵驱动功率均随转速及活塞速度的提高而增加。虽然转速增加后，每循环相对损失的热量较少，润滑油黏性阻力有所降低，但综合影响仍将使机械损失功率Nm或Pm大大增加。

图4-15所示为一部6缸非增压高速柴油机平均机械损失压力Pm随转速n迅速增加。图4-16所示为同一柴油机机械效率ηm随转速增加而下降，图中实线表示全负荷工况，虚线表示30%的全负荷工况。显而易见，负荷低时的ηm比全负荷时的下降更显著。

图4-15　平均机械损失压力Pm与转速n的关系曲线

6缸柴油机，气缸总排量8kg，ε＝16∶1，转速范围600～2400r/min

图4-16　机械效率ηm与转速n的关系曲线

3.负荷

虽然负荷增加，Pz也随之加大，但机械损失也会增大，而且在高负荷时Pz增加的幅度应比低负荷时小；在涡轮增压内燃机中，为控制Pz，一般采取降低压缩比的措施，使机械损失压力不致增加过大。同时，负荷增加，润滑油温度提高，其黏性阻力下降，因此负荷大小对Pm的影响不会太大。负荷增大必然增加供油量，从而使Pi成正比地增加，机械效率ηm也随之提高。

4.润滑油温度及冷却水温度

润滑油温度和冷却水温度对内燃机机械损失功率Nm有较大的影响。润滑油因温度升高，而黏度下降，黏性阻力减小，机械损失Nm或Pm也减小。润滑油温度取决于冷却水温度，水温高则油温高，所以提高水温会使Nm或Pm下降。

冷车启动时，水温和油温皆低，故Nm大；热车稳定状态时，则Nm小。因而对柴油机正常运转时的水温和油温都做了明确规定，以保证Nm不致过大。图4-17所示为Nm与油温T的关系曲线，Nm随着油温T增加而降低，并到达一个最低点。当超过这一温度后，Nm又将逐渐增加。Nm最小时，油温略大于润滑油容许温度。图4-18所示为Nm随冷却水温T变化曲线，显然Nm随着水温上升而下降。

图4-17　机械损失功率Nm随油温T变化曲线

图4-18　机械损失功率Nm随水温T变化曲线

5.气缸尺寸及数目

若运动速度不变，作用于摩擦表面的正压力不变，机械损失中的摩擦损失功率则与摩擦面积的大小有关，指示功率则与气缸工作容积有关。即在pz、cm保持不变的前提下，若缸径加大或者行程加长，则气缸面积与容积比相应地减小，Ni增加的幅度大于Nmf，ηm相对提高。

当气缸尺寸和n都相同时，多缸机的ηm比单缸机大，这是由于单缸机带动辅助机械所需的功率相对偏大，机械损失功率相对增加。

6.工艺水平

气缸套内壁、轴颈、轴承等摩擦表面加工精度对机械损失功率有较大影响，表面加工精度越高，机械效率越高。

影响内燃机工作性能的诸多因素相互牵连、相互制约，至于影响内燃机环境性能与可靠性和耐久性的因素，在本章第三节中已做过论述。

思考题

1.什么是构成柴油机的两大机构四大系统？

2.单缸四行程化油器式汽油机的四行程各是什么？

3.内燃机压缩比过大时，有哪些不正常现象？

4.四冲程柴油机与四冲程汽油机的区别。

5.二行程内燃机与四行程内燃机相比有哪些优点和不足？

6.内燃机的动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系如何？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系如何？

7.怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力？

8.机械效率的定义是什么？提高机械效率的途径有哪些？

9.平均有效压力和升功率在评定发动机的动力性能方面有何区别？

10.北京牌越野车BJ-212用的492汽油机s＝92mm，①在3750r/min时发出55.15kW（75马力），计算这时的Me和Pe值；②在2250r/min时Me＝0.172kNm（17.5kgfm），计算这时的Ne和Pe值；③对照这两个转速下Pe的比值和Me的比值，说明Pe和Me的关系。