机械损失
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机械损失(Mechanical Loss)
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什么是机械损失[1]
机械损失是指当叶轮旋转时，轴与轴封、轴与轴承及叶轮圆盘摩擦所损失的功率。
机械损失的组成[2]
(一)摩擦损失
(1)活塞、活塞环和汽缸壁的摩擦损失。这部分损失占摩擦损失的主要部分，原因是滑动面积大、相对速度高、润滑不够充分。摩擦损失与活塞长度、活塞间隙以及活塞环数目和环的张力等结构因素有关。此外，在构造相同的情况下，还随汽缸压力、活塞速度以及润滑油粘度的升高而增大。
(2)轴承与气门机构的摩擦损失。包括所有主轴承、连杆轴承和凸轮轴轴承等的摩擦损失。这些轴承由于润滑充分，摩擦损失不大，但随着轴承直径的增大和转速的提高，轴颈圆周速度的增大，运动件惯性力增大，这部分损失将增大。
(二)驱动附件损失
这里所指的附件，是指为保证发动机工作不可少的部件或总成，如水泵(风冷发动机中的风扇)、机油泵、喷油泵、分电器、调速器等；而一些不是每种发动机运转所必要的总成，如发电机、汽车制动用的空气压缩机、转向助力泵等，除非加以说明，一般不包括在内。有时规定空气滤清器、散热器、水冷发动机的冷却风扇也不包括在机械损失之内，要根据具体情况或相关规定而定。
在某些二行程发动机中，还要加上驱动扫气泵的损失；在机械增压发动机中，还要加上增压器的损失。
附件消耗的功率随发动机转速和润滑油粘度的增加而增大。附件功率损失占机械损失比例较小。
(三)泵气损失和风阻损失
泵气损失即进、排气过程所消耗的功。另外，还包括活塞、连杆、曲轴等零件在曲轴箱内高速运动时，为克服油雾、空气阻力及曲轴箱通风等而消耗的一部分功，其数值较小，也不能单独测定。
(四)机械损失各部分所占的份额
图1为1．6 L四缸自然吸气式汽油机、柴油机在几种不同负荷与转速下，测得的各主要机械损失项数值的对比。可以看出：
①各种情况下，机件摩擦(活塞、曲柄连杆机构与凸轮轴系统)损失都占有最大份额(50％～80％不等)，柴油机的损失比例大于汽油机。
②附件消耗一般不超过10％。柴油机因有高压喷油泵，损失比例大于汽油机。
③泵气损失比例变化很大，在5％～40％之间变动。高速及汽油机低负荷时明显加大；负荷对柴油机的影响较小。总体上汽油机低速、低负荷下的泵气损失要比柴油机高得多。
机械损失的影响因素[3]
1．摩擦损失
机械损失中，摩擦损失所占的比例最大。摩擦损失与零件表面的润滑情况、相对运动速度等因素有关，如：气缸壁与活塞环的摩擦、活塞的结构、裙部的几何形状、气缸直径与行程等。为了减少活塞处的摩擦损失，可采用减少活塞环的数目，减薄活塞厚度以减小惯性力，减少活塞裙部的接触面积的方法。减小零件的重量、往复惯性力，均可降低轴承处的负荷，可使轴承的宽度和轴颈减小来减少磨损。配气机构中气门处的摩擦则与润滑情况和转速有很大关系，由于采用飞溅润滑，故在发动机转速低的时候，配气机构的润滑较差。减少配气机构运动件的质量、采用滚轮轴承等均可减小摩擦磨损。
2．发动机转速
发动机转速升高后(活塞平均速度增加)，机械损失的各个部分均有显著增加。由于转速升高，各个摩擦表面相对速度增加，摩擦损失增加；运动零件的往复惯性力增加，机械损失增加；驱动附件损失和泵气损失均随转速的增加而增大。由图2可见，转速增加，机械损失功率增加，机械效率下降。柴油机的摩擦损失大于汽油机，这是由于柴油机压缩比高，气缸压力高，运动零件的质量大而引起的，由于转速对机械损失有如此重要的影响，已成为以提高转速的手段强化发动机的障碍之一。
3．负荷
发动机的负荷通常是指发动机的阻力矩。为了使发动机稳定运转，当阻力矩变化时，需要调节发动机扭矩，故可用发动机输出的扭矩表示负荷，有时也用功率或其百分数来表示。负荷增大，对柴油机意味着每循环供油量增大，对汽油机则意味着节气门开度增加，每循环的充气量增大。
当发动机转速一定时，随着负荷的减小，平均指示压力pmi下降，而平均机械损失压力pmm略有下降，几乎保持不变，如图3所示。这是由于负荷减小时，气缸和活塞温度将下降，活塞问隙的润滑有所改善。而且气缸内压力也下降，从而使活塞和轴承的摩擦减小。但是这种变化很小，加之n不变，泵气损失和驱动附件损失也大体上不变，所以pmm随负荷的变化不大。
根据公式
可知，负荷减小时，机械效率下降。直到怠速时，Pe = 0，Pm = Pi，即指示功率全部消耗于机械损失，故ηm = 0。
4．润滑油品质和冷却液温度
润滑油的黏度直接影响摩擦损失的大小。黏度大，摩擦损失大，但其承载能力强，易于保持液体润滑状态。黏度小，流动性好，消耗的摩擦功少，但承载能力差，油膜易破裂而完全失去润滑作用。润滑油黏度不仅与其品种、牌号有关，还受温度的影响。温度升高，黏度减小。选用润滑油应根据发动机的性能和使用条件，在保证润滑可靠的前提下，尽量选用黏度较小的润滑油，并希望其黏度随温度的变化小。
冷却液的温度直接影响润滑油的温度，也就影响摩擦损失的大小。机械损失功率Pm与润滑油温度和冷却液温度的关系如图4和图5所示。在某一油温时，Pm值最小。
机械损失的测量方法[4]
1．示功图法
对于自然吸气发动机，直接在示功图上测算出动力过程功即可得到指示功Wi，而对于增压发动机，还需要加上理论泵气功才可得到Wi，Wi再减去台架上测得的有效功We，就可求出包括泵气损失在内的机械损失功Wm和机械效率ηm。进一步，还可以把机械摩擦损失和附件消耗与泵气损失分列出来。从理论上讲，这应该是既直接又可靠的方法，但由于下列原因，示功图法只适用于发动机的研究及开发工作。
(1)由于上止点附近缸内压力的变化较平缓，因而示功图上止点的位置不易精确确定。而上止点位置少许的误差，会引起Wi测算值很大的误差，因为上止点偏差角度对应的功值，恰巧正、负变号。只有利用精密仪器反复多次校正，才能得到满意的结果。
(2)多缸发动机存在各缸工作不均匀性，使得同一循环各缸的压力有一定的差别。因此各缸压力必须同时测量才能消除不均匀性。即使在科研试验中，也未必能满足这种苛刻的要求。
2．倒拖法(电机直接拖动法)
在电力测功机试验台上，先使被测发动机按测试工况运行到正常稳定状态，水温、油温等指标都达到正常要求后，迅速断油(柴油机)或切断点火(汽油机)，立即将测功电机转为电动机运行，倒拖发动机到同样的转速，这样测得的倒拖功率就是发动机的机械损失功率。显然，这种测量方法存在进气和排气流动，必然将泵气损失功也包含在被测机械损失功中。这种方法不可避免会出现以下误差。
(1)测量时，发动机处于不燃烧的状态，一方面缸内压力低于正常燃烧压力，活塞和缸套的间隙因温度降低而加大，致使机械摩擦损失减小；但另一方面，气缸温度低，润滑油黏度加大，又使摩擦损失增加。
(2)由于工质温度低，密度加大，因此排气压力也增大，使泵气损失增加。
(3)对于压缩、膨胀反复进行的倒拖循环，由于存在不可逆损耗和工质向周边的传热，会出现图6所示的压缩、膨胀线不重合的封闭负功面积。在正常的循环动力过程功中已计入了这种消耗，此处显然是重复计算(当然数值上有差别)，增大了被测机械摩擦损失。
以上诸多因素，或相互抵消，或相互叠加，误差难以估计。汽油机因压缩比低，机械损失测量误差一般较小，而柴油机的测量误差较大。
3．灭缸法
灭缸法仅用于多缸发动机。设N缸发动机正常运转时，测出的有效功率为Pe。然后发动机第i缸灭火(停止点火或断油)，并在相同转速下测定工作的(N-1)个气缸的有效功率为(Pe) − i。此时可以近似认为总机械损失功率Pm并未改变，于是灭缸后所减少的输出功率是被灭第i缸的指示功率Pii即![P_i=\sum_{i=1}^N P_{ii}=\sum_{i=1}^N[P_e-(P_e)_{-i}]](/w/images/math/c/1/c/c1c6ab76ed4fa735c344777923be754e.png)
代入上式得![P_m=\sum_{i=1}^N[P_e-(P_e)_{-i}]-P_e=(N-1)P_e-\sum_{i=1}^N (P_e)_{-i}](/w/images/math/b/f/1/bf10f96b842a9adab7ca09e37997909f.png)
(2)利用式(2)，只需测出整机的Pe和轮流灭一缸的N次功率(Pe) − i，就可求出机械损失功率Pm。这种方法简便可行，不需任何额外测试设备和电机的倒拖，所以得到广泛应用。
应该指出，灭缸法本质上仍然是倒拖法，只不过是用“N-1”缸的动力来倒拖被灭的那一缸而已。所以，理论上倒拖法所具有的偏差，在灭缸法中都会出现。但由于灭缸法测量时的整机状态更接近于真实运行状态，某些误差会相对小一些。但还有下列情况会导致新的误差。
(1)多缸发动机灭一缸后，进、排气系统压力波的动态效应(主要指汽油机)会影响各缸进、排气的分配均匀性，引起额外测量误差。
(2)从误差理论来看，式(1)是数值相近的Pe和(Pe) − i两个大数相减，会导致所求Pii的误差加大。
4．油耗线法
发动机在转速不变时测出整机燃料消耗率随负荷(有效平均压力Pme)的变化曲线，如图7所示。然后将此线外延到与横坐标Pme相交的a点，则横坐标
所代表的值就是所求的机械损失平均压力Pmm。
图上横坐标Pme为正值时所对应的测点均为输出功率点；Pme为0时所对应的b点为怠速点；Pme为负值时则为外界输入功率但发动机不熄火时的反拖点，而a点则是发动机停机不耗油的全反拖点，所以所代表的值就是反拖得到的机械损失平均压力Pmm，显然此值也包含泵气损失。
油耗线法的准确性取决于能否找到曲线的真实规律而进行拟合。柴油机中、低负荷段的油耗曲线接近一条直线，而汽油机的整机燃料消耗率与负荷(Pme)不成比例关系，所以油耗线法不适用于汽油机。
总结上述后三种方法，可以得出以下结论。
(1)倒拖法只适于在具有电力测功机的试验台架上使用。由于大转矩的电力测功机价格昂贵，应用很少，所以中、大型柴油机一般都难以采用倒拖法。汽油机由于转矩小，容易满足倒拖试验条件，加之压缩比较小，所以多用倒拖法。汽油机较少用灭缸法，不仅因为灭缸后存在进、排气的干扰，还因为一缸灭火而不停油，存在安全隐患。
(2)小型柴油机可用灭缸法，也可用倒拖法，使用中应注意测试的精度。油耗线法则多用在自然吸气发动机的生产、调试中，作为产品质量监控的手段。
(3)涡轮增压发动机无法使用倒拖法和灭缸法，因为它们都破坏了增压系统的正常工作。油耗线法也仅在低增压(Pb<0.15MPa)发动机中应用。至于高增压发动机，除示功图法外，尚无更好的测量方法。
