节气门的泵气损失是什么？

20063936

节气门的泵气损失是什么？

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作者：王景祜 曹树清 杨 靖 刘少康
关键字：自然吸气四冲程内燃机、泵气损失、净指示功、膨胀正功、排气负功
    1.两种不同的认识

    在全国大、中专院校内燃机专业的《内燃机原理》教科书中，关于“泵气损失”或“泵气功”，目前存在着两种不同的定义[1][2]。学生在课外阅读时产生疑问，不知哪一种是正确的，要求老师解析清楚。
    为了回答这个问题，本文作者特向文献[1][2]的作者作了请教，原来，他们都各有可靠而权威的依据：文献[1]是根据文献[6]的观点编写的；文献[2]是根据文献[3][4][5]的观点编写的。我国是发展中国家，改革开放后引进先进国家的科学理论是件大好事。但是，面对国外众多的不同观点，应该抱什么态度？是不加思考、不作分析比较，全部收下呢？还是通过选择，吸收其合理的和正确的部分？显然，持后者的态度是正确的，因为实践证明：先进国家的科技文献未必都是正确的。好在我们已经积累了几十年的生产和科学的实践经验，有能力也有权利对他们的观点进行评论，然后经过比较分析，再消化吸收。
为了叙述方便，本文仅对文献[1]、[2]中的定义进行分析。
    文献[1]对“泵气损失”下了如下的定义：
    从实际循环示功图（图1）的分析中可以发现，面积w以及掺杂在面积x 和y中的一小部分u（图中以交叉线表示）所表示的功损失，已经在求取平均有效压力时包括进去了，故将换气损失中剩余的由面积x + y - u所表示的功损失，定义为：泵气损失。在非增压内燃机中，泵气损失是由P-V图中，换气过程封闭曲线面积所代表的负功来表示的。如以Wp表示泵气功，则有：
    Wp = —（x +y-u）Lp       式中，Lp为：示功图的比例系数。
    图1（略）自然吸气四行程内燃机的换气损失示意图
    w — 膨胀损失功   x — 推出损失功  y — 吸气损失功   （x +y-u）— 泵气损失

    文献[2]对“泵气损失”下了如下的定义（图2）：：
    封闭面积brab, 即W2 + W3 , 代表进、排气冲程所作之泵气功，它是排气负功和进气正功之代数和。
    图2（略）    自然吸气四行程发动机示功图

    2. 两种定义的辨析

    “泵气损失”或“泵气功”的定义在内燃机理论中是一个很小的理论，为什么一定要把它搞清楚呢？理由很简单：①因为是教科书，不是一般的技术文章，所以它所叙述的概念必须简明扼要，深入浅出，便于学生理解和掌握，不能误导初学入门者；②理论应该是严谨的，准确的，逻辑性很强的，概念很清楚的；内燃机至今虽尚有很多未搞清楚的盲点，但对待它们的态度应该是“能解析一个，就解析一个”，千万不能“一眼开，一眼闭”让它去。因为理论是指导实践的，它的偏差会引起实践更大的偏差。所以应根据当前的理论水平尽量提高它的精确度。
    仔细观察和比较上述两种定义，不难看出：它们不仅本身的内容不同，而且在叙述的层次上，方法上都有很大的差异。现从文献[1]开始分析如下：
    1. 按我国当前的“有效”概念，“平均有效压力”的定义是：折合到每单位气缸工作容积的每工作循环中的有效功[7]（即曲轴输出端的有效功）。众所周知，在讨论泵气功时，只涉及示功图，与曲轴输出端不属于同一个层次。因此，把曲轴输出端的有效功与示功图上的泵气功混在同一个层次上，显然是不合适的。本文作者认为，上述不合适处的形成，是由于文献 [1] 作者把英、美国家的“有效”概念与我国目前受原苏联教科书影响的“有效”概念混淆起来了。我国在1949年以前的“有效”概念与英、美国家是相同的；但目前只能按我国的标准术语进行讨论。因此，为了妥切地展开讨论，必须先把文献[1]中的“在求取平均有效压力时包括进去了”改为“在求取净指示功时包括进去了”，否则就没有讨论所必需的共同语言。   
    2. 大家知道，“功”和“压力”不仅概念不同，而且各具有不同的量纲，既不能互相代替，又不能互相抵消。不能说由于在计算某种“压力”时已经包括进去，所以在计算某种“功”时就应该减去。这种说法和做法必然把“泵气功”的概念搞糊涂了。
    3．文献[1]中的面积（x + y）（见本文图1）相当于文献[2]中的面积（W2 + W3）（见本文图2）；文献[1]中的面积u相当于文献[3]中的面积W3。显而易见，在文献[1]中把面积u减去，相当于在文献[3]中把面积W3减去。文献[1]的作者说：“掺杂在面积x 和y中的一小部分u（图中以交叉线表示）所表示的功损失，……”其实，一小部分u即文献[2]中的面积W3不可能也不容许掺杂到面积x 和y中去，因为这部分面积是上、下两部分重叠起来的（严格地说，有进气、压缩、作功、排气四层，这里只说有关的两层）；所谓“掺杂”，就表明文献[1]的作者已经把上、下两层重叠起来的面积混淆起来了。 为了清楚起见，我们把重叠起来的面积的下面一层表示为u下（即W3下），是膨胀正功的一部分；把上面一层表示为u上（即W3上），是排气负功的一部分。u下（即W3下）和u上（即W3上）各自所代表的面积的绝对值虽然是相等的，但性质是不同的，两者不容许掺杂在一起。所以在计算净指示功时，只在数值上互相抵消：W3下 = W3上 = W3 。于是，整个循环输出的净指示功Wi = (W1+ W3下) -（W2 + W3上）= W1- W2 。但在概念上不容许互相抵消, 即不能把排气负功的一部分W3上排除在泵气功之外，只把W2定义为泵气功。如果把示功图展开（图3），就看得更清楚。在展开示功图中，b-r-G和a-r-G所围成的面积之和就是泵气损失功。
    图3（略）
    展开示功图中所示的“泵气损失”b-r-G和a-r-G的面积之和就是“泵气损失”
    如果硬要把重叠示功图上的u搬上去，那就是b-e-f-G和a-f-G两块面积之和（展开到下止点），但这两块在这里是毫无意义的。总而言之，在确定“泵气损失”或“泵气功”的定义时，必须坚持一个原则：与活塞在两个泵气行程中所发生的功有关，与其它各行程的任何形式的功都无关。
    4.在实际生产和科学实践过程中，对“泵气损失”下定义、测绘示功图、根据示功图计算净指示功这三项操作是可以互相独立地进行的，不一定要先后进行或同时进行。也就是说，在实践中三者的操作频次是不同的。例如：对“泵气损失”下定义，只要求在“内燃机标准术语”和“教科书”中作一次性明确就可以了，经过很长时期才修订一次，如果没有修改意见，再版时仍保持原状；可是，根据示功图计算净指示功的操作在实践中却是多次重复进行的；测绘示功图的操作次数则更多了。请注意：文献[1]在对“泵气损失”下定义时说：“在面积x 和y中的一小部分u（图中以交叉线表示）所表示的功损失，已经在求取平均有效压力（应改为：求取净指示功）时包括进去了，故将换气损失中剩余的由面积（x + y – u）所表示的功损失，定义为：泵气损失”。显而易见，这里有两层错误：
    ① 文献[1]作者把两个不同频次的操作（对“泵气损失”下定义 和 根据示功图计算净指示功）强拉在一起了，并对它们进行能量分配，这在逻辑上是讲不通的。
    ② 即使被强拉在一起进行操作，操作的次序也被颠倒了，这是由操作频次所决定的。对“泵气损失”下定义的操作，如上所述，几年才进行一次，而根据示功图计算净指示功的操作，对各种不同发动机都需要多次重复进行，并在执行此种重复操作时，必然是后于对“泵气损失”下定义的操作，因此就不存在“先计算净指示功，然后将剩余部分所表示的功损失，定义为：泵气损失”的可能性。
    由于作者把互相独立的两个操作强拉在一起，同时又颠倒了先后次序，从而泵气损失的概念在上述糊涂概念的基础上，进一步被搞糊涂了。
    由此可见：把泵气损失定义为：面积（x + y – u）是错误的。文献[6]作者的权威性不足以掩盖这种错误。如果不加以及时纠正，就可能导致有人在此糊涂概念的基础上，进一步发挥，造成错上加错。文献[8]就是一个例子：该书作者对“-u”的解析是“在压缩过程中回收的功”。压缩过程是消耗功的，怎么可能回收功呢？

    另外，必须指出：文献[2]的作者在对泵气功作了简明扼要，深入浅出的叙述以后，在同一页上又说：“习惯上，把图中的W2叫做实际泵气功（一般自然吸气机型的W3值也较小，故可略去只用W2表示）”。这种迁就习惯的说法也值得考虑。本文作者认为：“习惯”是可以改变的；既然W3值很小，甚至小到可以略去不计，而所谓“忽略”者，无非是为了“方便”。但在使用测面仪测量示功图面积的时候，如果特意要把W3这块面积忽略掉，似乎反而不方便。所以不正确的习惯，应该改一改！事实上，在生产实践中并不需要经常计算泵气功，因此就谈不上“习惯上”的问题；所谓“习惯上”恐怕指的就是全国大、中专院校的教科书，都不加思索地按权威课本照搬的“习惯”罢了。如果真是指这种“习惯”，那就更应该改一改了！

参  考  文  献
    [1] 周龙宝主编. 内燃机学. 北京：机械工业出版社. 1999年6月
    [2] 刘峥等. 汽车发动机原理教程. 北京：清华大学出版社. 2001年9月
    [3] Charles.Fayette.Taylor. The Internal Combustion Engine in Theory and
Practice.  U.S.A: M.I.T. Press 1960. 王景祜译. 内燃机（上）.北京：人民交通出版社. 1982年6月
    [4] Hans List等. 培坤译.  内燃机的充量更换. 内燃机全集. 第四卷第一部. P.30 上海：上海科学技术出版社. 1961年12月第一版
    [5] John B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals US:
MeGraw-Hill Book Company
    [6]  (日)长尾不二夫著. 冯中等译. 内燃机原理与柴油机设计. 北京：机械工业出版社. 1984
    [7] 朱仙鼎.中国内燃机工程师手册. 上海市：上海科学技术出版社. 2000年9月
    [8] 孙军主编. 汽车发动机原理. 合肥市：安徽科学技术出版社. 2001年1月