機械損失
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機械損失(Mechanical Loss)
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什麼是機械損失[1]
機械損失是指當葉輪旋轉時，軸與軸封、軸與軸承及葉輪圓盤摩擦所損失的功率。
機械損失的組成[2]
(一)摩擦損失
(1)活塞、活塞環和汽缸壁的摩擦損失。這部分損失占摩擦損失的主要部分，原因是滑動面積大、相對速度高、潤滑不夠充分。摩擦損失與活塞長度、活塞間隙以及活塞環數目和環的張力等結構因素有關。此外，在構造相同的情況下，還隨汽缸壓力、活塞速度以及潤滑油粘度的升高而增大。
(2)軸承與氣門機構的摩擦損失。包括所有主軸承、連桿軸承和凸輪軸軸承等的摩擦損失。這些軸承由於潤滑充分，摩擦損失不大，但隨著軸承直徑的增大和轉速的提高，軸頸圓周速度的增大，運動件慣性力增大，這部分損失將增大。
(二)驅動附件損失
這裡所指的附件，是指為保證發動機工作不可少的部件或總成，如水泵(風冷發動機中的風扇)、機油泵、噴油泵、分電器、調速器等；而一些不是每種發動機運轉所必要的總成，如發電機、汽車制動用的空氣壓縮機、轉向助力泵等，除非加以說明，一般不包括在內。有時規定空氣濾清器、散熱器、水冷發動機的冷卻風扇也不包括在機械損失之內，要根據具體情況或相關規定而定。
在某些二行程發動機中，還要加上驅動掃氣泵的損失；在機械增壓發動機中，還要加上增壓器的損失。
附件消耗的功率隨發動機轉速和潤滑油粘度的增加而增大。附件功率損失占機械損失比例較小。
(三)泵氣損失和風阻損失
泵氣損失即進、排氣過程所消耗的功。另外，還包括活塞、連桿、曲軸等零件在曲軸箱內高速運動時，為剋服油霧、空氣阻力及曲軸箱通風等而消耗的一部分功，其數值較小，也不能單獨測定。
(四)機械損失各部分所占的份額
圖1為1．6 L四缸自然吸氣式汽油機、柴油機在幾種不同負荷與轉速下，測得的各主要機械損失項數值的對比。可以看出：
①各種情況下，機件摩擦(活塞、曲柄連桿機構與凸輪軸系統)損失都占有最大份額(50％～80％不等)，柴油機的損失比例大於汽油機。
②附件消耗一般不超過10％。柴油機因有高壓噴油泵，損失比例大於汽油機。
③泵氣損失比例變化很大，在5％～40％之間變動。高速及汽油機低負荷時明顯加大；負荷對柴油機的影響較小。總體上汽油機低速、低負荷下的泵氣損失要比柴油機高得多。
機械損失的影響因素[3]
1．摩擦損失
機械損失中，摩擦損失所占的比例最大。摩擦損失與零件錶面的潤滑情況、相對運動速度等因素有關，如：氣缸壁與活塞環的摩擦、活塞的結構、裙部的幾何形狀、氣缸直徑與行程等。為了減少活塞處的摩擦損失，可採用減少活塞環的數目，減薄活塞厚度以減小慣性力，減少活塞裙部的接觸面積的方法。減小零件的重量、往複慣性力，均可降低軸承處的負荷，可使軸承的寬度和軸頸減小來減少磨損。配氣機構中氣門處的摩擦則與潤滑情況和轉速有很大關係，由於採用飛濺潤滑，故在發動機轉速低的時候，配氣機構的潤滑較差。減少配氣機構運動件的質量、採用滾輪軸承等均可減小摩擦磨損。
2．發動機轉速
發動機轉速升高後(活塞平均速度增加)，機械損失的各個部分均有顯著增加。由於轉速升高，各個摩擦錶面相對速度增加，摩擦損失增加；運動零件的往複慣性力增加，機械損失增加；驅動附件損失和泵氣損失均隨轉速的增加而增大。由圖2可見，轉速增加，機械損失功率增加，機械效率下降。柴油機的摩擦損失大於汽油機，這是由於柴油機壓縮比高，氣缸壓力高，運動零件的質量大而引起的，由於轉速對機械損失有如此重要的影響，已成為以提高轉速的手段強化發動機的障礙之一。
3．負荷
發動機的負荷通常是指發動機的阻力矩。為了使發動機穩定運轉，當阻力矩變化時，需要調節發動機扭矩，故可用發動機輸出的扭矩表示負荷，有時也用功率或其百分數來表示。負荷增大，對柴油機意味著每迴圈供油量增大，對汽油機則意味著節氣門開度增加，每迴圈的充氣量增大。
當發動機轉速一定時，隨著負荷的減小，平均指示壓力pmi下降，而平均機械損失壓力pmm略有下降，幾乎保持不變，如圖3所示。這是由於負荷減小時，氣缸和活塞溫度將下降，活塞問隙的潤滑有所改善。而且氣缸內壓力也下降，從而使活塞和軸承的摩擦減小。但是這種變化很小，加之n不變，泵氣損失和驅動附件損失也大體上不變，所以pmm隨負荷的變化不大。
根據公式
可知，負荷減小時，機械效率下降。直到怠速時，Pe = 0，Pm = Pi，即指示功率全部消耗於機械損失，故ηm = 0。
4．潤滑油品質和冷卻液溫度
潤滑油的黏度直接影響摩擦損失的大小。黏度大，摩擦損失大，但其承載能力強，易於保持液體潤滑狀態。黏度小，流動性好，消耗的摩擦功少，但承載能力差，油膜易破裂而完全失去潤滑作用。潤滑油黏度不僅與其品種、牌號有關，還受溫度的影響。溫度升高，黏度減小。選用潤滑油應根據發動機的性能和使用條件，在保證潤滑可靠的前提下，儘量選用黏度較小的潤滑油，並希望其黏度隨溫度的變化小。
冷卻液的溫度直接影響潤滑油的溫度，也就影響摩擦損失的大小。機械損失功率Pm與潤滑油溫度和冷卻液溫度的關係如圖4和圖5所示。在某一油溫時，Pm值最小。
機械損失的測量方法[4]
1．示功圖法
對於自然吸氣發動機，直接在示功圖上測算出動力過程功即可得到指示功Wi，而對於增壓發動機，還需要加上理論泵氣功才可得到Wi，Wi再減去台架上測得的有效功We，就可求出包括泵氣損失在內的機械損失功Wm和機械效率ηm。進一步，還可以把機械摩擦損失和附件消耗與泵氣損失分列出來。從理論上講，這應該是既直接又可靠的方法，但由於下列原因，示功圖法只適用於發動機的研究及開發工作。
(1)由於上止點附近缸內壓力的變化較平緩，因而示功圖上止點的位置不易精確確定。而上止點位置少許的誤差，會引起Wi測算值很大的誤差，因為上止點偏差角度對應的功值，恰巧正、負變號。只有利用精密儀器反覆多次校正，才能得到滿意的結果。
(2)多缸發動機存在各缸工作不均勻性，使得同一迴圈各缸的壓力有一定的差別。因此各缸壓力必須同時測量才能消除不均勻性。即使在科研試驗中，也未必能滿足這種苛刻的要求。
2．倒拖法(電機直接拖動法)
在電力測功機試驗臺上，先使被測發動機按測試工況運行到正常穩定狀態，水溫、油溫等指標都達到正常要求後，迅速斷油(柴油機)或切斷點火(汽油機)，立即將測功電機轉為電動機運行，倒拖發動機到同樣的轉速，這樣測得的倒拖功率就是發動機的機械損失功率。顯然，這種測量方法存在進氣和排氣流動，必然將泵氣損失功也包含在被測機械損失功中。這種方法不可避免會出現以下誤差。
(1)測量時，發動機處於不燃燒的狀態，一方面缸內壓力低於正常燃燒壓力，活塞和缸套的間隙因溫度降低而加大，致使機械摩擦損失減小；但另一方面，氣缸溫度低，潤滑油黏度加大，又使摩擦損失增加。
(2)由於工質溫度低，密度加大，因此排氣壓力也增大，使泵氣損失增加。
(3)對於壓縮、膨脹反覆進行的倒拖迴圈，由於存在不可逆損耗和工質向周邊的傳熱，會出現圖6所示的壓縮、膨脹線不重合的封閉負功面積。在正常的迴圈動力過程功中已計入了這種消耗，此處顯然是重覆計算(當然數值上有差別)，增大了被測機械摩擦損失。
以上諸多因素，或相互抵消，或相互疊加，誤差難以估計。汽油機因壓縮比低，機械損失測量誤差一般較小，而柴油機的測量誤差較大。
3．滅缸法
滅缸法僅用於多缸發動機。設N缸發動機正常運轉時，測出的有效功率為Pe。然後發動機第i缸滅火(停止點火或斷油)，併在相同轉速下測定工作的(N-1)個氣缸的有效功率為(Pe) − i。此時可以近似認為總機械損失功率Pm並未改變，於是滅缸後所減少的輸出功率是被滅第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)，只需測出整機的Pe和輪流滅一缸的N次功率(Pe) − i，就可求出機械損失功率Pm。這種方法簡便可行，不需任何額外測試設備和電機的倒拖，所以得到廣泛應用。
應該指出，滅缸法本質上仍然是倒拖法，只不過是用“N-1”缸的動力來倒拖被滅的那一缸而已。所以，理論上倒拖法所具有的偏差，在滅缸法中都會出現。但由於滅缸法測量時的整機狀態更接近於真實運行狀態，某些誤差會相對小一些。但還有下列情況會導致新的誤差。
(1)多缸發動機滅一缸後，進、排氣系統壓力波的動態效應(主要指汽油機)會影響各缸進、排氣的分配均勻性，引起額外測量誤差。
(2)從誤差理論來看，式(1)是數值相近的Pe和(Pe) − i兩個大數相減，會導致所求Pii的誤差加大。
4．油耗線法
發動機在轉速不變時測出整機燃料消耗率隨負荷(有效平均壓力Pme)的變化曲線，如圖7所示。然後將此線外延到與橫坐標Pme相交的a點，則橫坐標
所代表的值就是所求的機械損失平均壓力Pmm。
圖上橫坐標Pme為正值時所對應的測點均為輸出功率點；Pme為0時所對應的b點為怠速點；Pme為負值時則為外界輸入功率但發動機不熄火時的反拖點，而a點則是發動機停機不耗油的全反拖點，所以所代表的值就是反拖得到的機械損失平均壓力Pmm，顯然此值也包含泵氣損失。
油耗線法的準確性取決於能否找到曲線的真實規律而進行擬合。柴油機中、低負荷段的油耗曲線接近一條直線，而汽油機的整機燃料消耗率與負荷(Pme)不成比例關係，所以油耗線法不適用於汽油機。
總結上述後三種方法，可以得出以下結論。
(1)倒拖法只適於在具有電力測功機的試驗台架上使用。由於大轉矩的電力測功機價格昂貴，應用很少，所以中、大型柴油機一般都難以採用倒拖法。汽油機由於轉矩小，容易滿足倒拖試驗條件，加之壓縮比較小，所以多用倒拖法。汽油機較少用滅缸法，不僅因為滅缸後存在進、排氣的干擾，還因為一缸滅火而不停油，存在安全隱患。
(2)小型柴油機可用滅缸法，也可用倒拖法，使用中應註意測試的精度。油耗線法則多用在自然吸氣發動機的生產、調試中，作為產品質量監控的手段。
(3)渦輪增壓發動機無法使用倒拖法和滅缸法，因為它們都破壞了增壓系統的正常工作。油耗線法也僅在低增壓(Pb<0.15MPa)發動機中應用。至於高增壓發動機，除示功圖法外，尚無更好的測量方法。
