浅析摩托车发动机能量损失与使用

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表时间:2007-06-29 人气:1

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发动机为使用某种燃料产生动力的机械装置，即将燃料经化学能变成热能，最后转变为机械能的机器。发动机按燃烧方式分为内燃机和外燃机（本文只讨论内燃机），内燃机包括活塞式和燃气涡轮式；按照活塞运动方式，分为往复式和旋转式；按照用途，又可分为汽车用、工程机械用、船用、农用和摩托车用等。摩托车发动机属于内燃机范畴，通常采用往复活塞式结构。

按照一定的技术要求组装的发动机，其性能的好坏，需要进行测试，而测试又需要一些评定标准，这些标准就是所谓的性能指标。发动机的性能指标一般分为两类，一类是以活塞上获得的功率为计算基础的指标，称为指示指标。另一类是以曲轴输出功率为计算基础的指标，称为有效指标。发动机的指示指标包括动力性和经济性。动力性主要指功率、扭矩和转速，经济性主要指燃料和润滑油消耗率及热效率，以及运转性能指标（冷启动性、噪声和排气品质）等。发动机的各项性能指标是相互影响、相互制约的，不同用途的发动机对性能的要求重点不同。所谓高质量发动机，就是在具体条件下，将各种技术要求合理地统一起来的发动机。

在内燃发动机中，效率表示输入与输出的关系，发动机的效率等于发动机的输出功率和燃料燃烧时所能获得的功率之比。发动机的效率有机械效率和热效率两个指标。机械效率等于有效功率与指示功率之比。汽油发动机的机械效率一般为0.8-0.9。热效率是燃料燃烧后用于做功的那部分热量与所能产生的总热量之比。燃料完全燃烧产生的热量，一部分被发动机冷却系带走，一部分随废气排出，只有少部分热量用于做功。因此，内燃机的热效率很低，一般四冲程汽油发动机为20％～25％，即使是高性能的发动机，其热效率也不到30％。也就是说，燃料燃烧产生的有用能量，只有不到1/3被有效利用，那么还有超过2/3的热量究竟到哪儿去呢？为了弄清楚这个问题，我们有必要了解一下发动机的各种能量损失。

我们知道，混合气在燃烧时产生大量的热，同时压力也大幅度上升。那么气体在一个工作循环中对活塞所做的功（即指示功）是否能全部地由发动机的曲轴输出变为有用功呢？答案是否定的。这是因为发动机在进、排气、燃烧时间、运动机件的摩擦（主要是活塞环与汽缸壁的摩擦）、润滑油黏度等方面都要消耗一部分功。发动机燃烧的热能没有全部转化为有用功，只有少部分热量参与推动活塞、带动曲轴旋转，其中一部分以排气方式排到大气中去了，这一部分能量损失叫做排气损失，排气损失约占总能量的40％左右。一般教科书都把进排气损失叫做泵气损失。通常情况下，当活塞到达下止点之前，排气门必须提前打开，如果排气门不提前开启，缸内废气压力仍能推动活塞下行。由于排气门提前打开，使发动机损失了一部分能量，这部分损失和泵气损失加在一起叫做换气损失。

下一个能量损失是冷却损失。燃料燃烧之后，一部分热量传递给了机油。金属零件温度过高将产生一系列问题，机油温度过高将降低机油的润滑能力。为此必须对上述部分进行冷却，这就需要布置冷却风扇、散热器和机油冷却器，利用上述冷却装置冷却发动机，并最终把热能散发到大气中去。一般情况下，冷却损失约占总能量的20％左右。

以上这些损失，都是在发动机燃烧室产生的。在实际的发动机上，由于各种摩擦损失，将使实际输出的功率进一步减小，主要包括以下几方面：

1、活塞环与汽缸壁间的摩擦。活塞环是依靠本身的弹力与汽缸壁保持密封作用的。因此，在环的外圆和安装圈内壁之间存在着摩擦阻力，即当活塞环产生变形时，活塞环外圆必然要移动，因而存在着阻碍移动的摩擦，于是就增大了活塞环变形所需要的负荷，这种摩擦损失与活塞环的弹力、环的厚度和环的根数成正比。

2、各轴承和曲轴的滑动摩擦损失。

3、曲轴驱动配气机构和各种辅机（如机油泵、水泵、风扇）产生的动力损失等。

4、润滑油黏度及黏温特性带来的摩擦损失。提高润滑油黏度可以增加润滑油膜厚度，即增加其承受载荷的能力，增加润滑的可靠性。但是，同时会增加摩擦的损失，因为发动机内摩擦机件的摩擦面积很大，一般都在0.5m2以上。在这些面上盖满一层润滑油，当机件运动速度很快时，即使润滑油的黏度稍有增加，摩擦功的损失便增大很多，使发动机可利用的功率相应减少，燃料消耗增多。再加上部分摩托车用户为了减轻发动机的运动噪声，有意使用高黏度的润滑油。由于油的黏度大，机件间的摩擦阻力增大，这样不但增大机件的磨损，而且燃料燃烧后发出的热能，就要多消耗一些变为摩擦功，以克服增加了的摩擦力，因而也就降低了发动机的有效功率。据试验证明，使用SAE-20W50润滑油比使用SAE-10W30润滑油消耗的功要高约10％。不仅如此，黏度大的润滑油，其冷却作用相对差一些。这是因为黏度大的润滑油循环速度慢，其冷却散热效果自然就差。

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