浅析摩托车发动机能量损失与使用

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欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 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与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的热量究竟到哪去了呢？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。 发动机在工作过程中，若活塞在上止点时，混合气能瞬间地充分燃烧是最理想不过的了。然而，事实并非如此。因为实际燃烧需要花费较长的时间，这将使燃烧过程产生较大的损失，这部分损失叫做时间损失。时间损失包括以下两大部分。其一是由于提前点火使一部分燃料燃烧，这部分能量不但不能推动活塞运动，反而阻碍活塞上行；其二是上止点之后的燃烧，由于燃料不能在上止点瞬间地燃烧，所以燃烧产生的压力较低，不能充分地利用燃烧热能。研究表明，通过改进燃烧室形状和配气相位，能降低上述各项能量损失，提高功率并降低燃料消耗。遗憾的是这些措施效果极其有限。汽油所具有的能量减去以上各项损失就是人们常说的指示热效率。 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。在某种情况下，它们之间的摩擦损失占总摩擦损失的75%。短行程、少活塞环发动机在这方面有明显的改善。为了降低活塞环与汽缸之间的摩擦损失，有的摩托车发动机的活塞环厚度已经减薄到0.8mm，在保证活塞环密封的前提下，尽量减小环的弹性。随着工艺水平和设计制造质量的不断提高，活塞环的数量正在减少，少数高性能发动机有采用一道活塞环的。 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，即增加其承受栽荷的能力，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。 这些摩擦损失统称为机械损失，机械损失约占汽油总能量的5%~8%左右。机械损失是在发动机不燃烧的条件下，在制造厂用测功机拖动发动机（有级变速机构必须在最高挡位，无级变速机构则拆去，测功机直接与曲轴左端联结）达到标定转速时，在动力输出端或曲轴端测量得到的功率。这个功率是发动机在运转过程中克服机械摩擦阻力损耗掉的，因此叫做机械损失功率。 上面讲到的各项损失，是指曲轴输出端之前的能量损失。此后由于初级减速机构或变速器的传动损失，将产生更多的能量损失，尤其是变速器机构。据资料介绍，跨式摩托车发动机采用齿轮传动方式，其传动效率为0.92，而坐式摩托车装用齿形皮带的传动效率只有0.70~0.76。如：市场上常见的1P39QMB发动机的皮带传动效率为0.70， 1P52QMI（即GY6）发动机和152MI水冷发动机的传动效率为0.76。传动效率越低，摩擦损失越大，反之，则摩擦损失越小。经过这么多的能量和传动损失，发动机最后剩余的动力才是驱动车辆后轮的动力。 以上谈的这些内容，都是假设汽缸内的汽油获得了充分的燃烧，即汽油中的碳原子和氢原子完全氧化，产生二氧化碳（CO2）和水（H2O），从而使汽油的热量不能完全释放出来。一般常使用燃烧效率来评价燃烧的好坏。这当中，燃烧室形状、化油器性能、点火系性能、进气效率等因素都直接影响发动机的燃烧效率（因篇幅所限，有关这方面的内容，恕不赘述）。 综上所述，发动机的能量经过多方面的消耗和传动损失，剩下来驱动摩托车前进的动力是极其有限的。用户购买了某种型号的摩托车，其发动机结构和传动效率已经基本定型。为了充分利用发动机的有限能量，我们必须在使用过程中学会正确使用及适时保养。为此，切记以下注意要点： 1．正确启动。从发动机启动到润滑油在摩擦面间完全形成液体润滑油膜，需要经过一定的时间。在此期间，由于润滑面供油不足，磨损率很高。再加上发动机由静止到运动状态，需要克服机件较大的扭力和阻力。因此，为使发动机顺利启动，应在不打开点火开关的情况下，预先踏动启动踏杆数次，以消除发动机运动部件的停滞阻力。如车辆只有电启动装置，可在发动机空挡状态下，捏住离合器手柄，推行车辆数米，再行电启动。 2．合理选油。润滑油除起到润滑等作用外，还具有从摩擦机件导出摩擦热的功能。单位时间内流过轴承等运动机件的润滑油量增多，导出的热量也相应增加。提高润滑油压力和采用低黏度润滑油可以增加润滑油在润滑系统内的循环量。因此，用户在不同地区使用车辆时，应根据当地的环境温度和实际路况谨慎选用油品。由于有些车辆多在城市交通繁忙地段行驶，经常遇到红绿灯而时开时停，发动机启动频繁，曲轴箱油温较低，此种车辆即使启动气温不低，也以采用低黏度的油为好。同时还要结合发动机的技术状况，若是车辆刚好磨合期，车况较好，磨损又很小，应选用低黏度的润滑油。如是旧车，发动机磨损严重，润滑油的黏度则应该大一些，最好加入适合的添加剂（如JB保护神）。同时注意加注的润滑油不能过多，过量的润滑油不但使曲轴运转阻力加大，还会影响曲轴箱运动机件的正常散热。此外，要经常检查润滑油的压力和润滑油泵滤网是否有异物黏附在上面，视情予以检修或更换相关零件。 3．适时保养。摩托车在各种环境下运行，空气中的尘埃、灰土、细砂等异物免不了会被发动机吸入。若空滤器滤芯密封不良，必然会造成汽缸的磨粒磨损和污染机油。而机油滤芯可以将油中的固体颗粒与黏稠物积存在滤芯中，如滤芯堵塞未及时清理，则油不能通过滤芯，仍把赃物带回润滑点，促使发动机摩擦副零件的磨损加大。若摩托车长期在恶劣环境下行驶，需适当缩短维护、保养周期。除此之外，还应在保养期间，注意检查变速器是否存在异常磨损（尤其是踏板车的齿形皮带）现象。 4．适当调节。发动机在运转过程中，燃油燃烧后所发出的能量，有一部分用来克服机械磨损和热损失，来维持发动机的正常运行。因此，任何一处机械负荷的增加都会引起发动机摩擦阻力的增加。由于一部分摩托车用户为了追求发动机运转声音的轻快，在调整半自动张紧机构时（如CB125T跨式摩托车），往往都采用紧压正时链条的方法，这种错误的调整方法不仅使曲轴运转阻力增加，还会造成凸轮轴衬套变形，引起凸轮轴轴颈异常磨损，必须予以纠正。 5．注重装配。在机械制造中，曲轴箱体件的加工基准是两销一面，即以曲轴箱合箱面为加工平面，以箱体左右两侧的定位销孔定位，再来加工曲轴、变速器主轴、副轴、换挡鼓、拨叉轴、换挡轴、启动机构轴等轴孔，这些轴孔之间的位置度公差仅有0.015mm左右。如果在装配过程中随意紧固，就有可能影响曲轴箱各轴孔之间的位置度。当轴孔位置度产生偏移时，必然会使轴承的装配游隙发生变化。当位置度偏移量超过轴承游隙时，不但会引发轴承等零件的异响，还会增加曲轴等运动机件的摩擦损失，使用寿命也会缩短。因此，在检修发动机合箱时，若发现曲轴转动不灵活，可用塑料或橡胶榔头轻轻敲击曲轴箱曲轴轴承压入部周围及有加强筋等壁厚较大的部位，以消除曲轴的卡滞。此外，在紧固曲轴箱合箱体时，应先预紧有定位销的螺栓，再预紧其他螺栓（共分三次紧固），以确保曲轴箱内各轴孔的同心度。6．下坡滑行。当摩托车在平坦或在下坡度较小的道路上行驶时，可利用加速时储存的动能使车辆滑行，此时惯性在发挥作用。同时注意加速终了时的车速不超过经济车速上限的10%，滑行终了时的车速不低于经济车速下限的10%。这样反复变更车速，不但可以使摩托车的动能得到充分的发挥和利用，发动机各部分零件也经常处于“承载”和“卸载”的变化之中。零件不会过热，磨损也较小，无形中延长了机件的使用寿命，同时，燃油消耗也是最低的。 (end)

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