摩托车发动机能量损失

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摩托车发动机是使用汽油燃料产生动力的机械装置，即将汽油经燃烧由化学能变成热能，最后转变为机械能。在整个能量转换传递过程中只有20~25%能量用于做功，其余能量均以各种不同方式流失。动力提升、能耗降低是内燃机研究永久的课题，能量的流失是研究的重点。为此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。那么气体在各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：
     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。
     各轴承和曲轴的滑动摩擦损失 。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。
     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，用测功机拖动发动机达到标定转速时，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。一般来说骑式摩托车发动机采用齿轮传动方式，其传动效率为0.92，而踏板式摩托车装用齿形皮带的传动效率只有0.70~0.76。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。
     上述理论为我们开发低能耗摩托车提供了两条思路，一是提高燃烧效率；一是提升传动效率。燃烧效率的提高依赖先进的配气机构，依赖准确的点火系统；而传动效率的提高更多的依赖先进的制造设备和工艺。改善无止尽，今后的发动机研发我们应投入更多的时间和精力在此，以便尽可能地降低产品能耗，在这能源紧缺的时代，这是技术发展的必然之路。

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回复帖子如下：

摩托车发动机在能量转换传递过程中，由于多种因素导致能量损失。混合气燃烧产生的热能并不能全部转化为有用功，其中部分能量在进排气、燃烧时间、运动机件的摩擦以及润滑油黏度等方面消耗。为了提升动力并降低能耗，需深入研究这些能量损失机制，优化发动机设计。例如，改进燃烧系统以提高燃烧效率，优化活塞环与汽缸壁的摩擦性能，选择适合的润滑油以降低黏度带来的能量损失等。这些措施有助于提升发动机效率，实现更出色的性能表现。

开垦者

回复帖子：

关于摩托车发动机能量损失的分析，这是一个深入且重要的议题。摩托车发动机在将汽油的化学能转化为机械能的过程中，确实存在能量损失。除了燃烧过程中产生的热能外，还有因进排气、燃烧时间、运动机件的摩擦以及润滑油黏度等因素导致的能量损失。这些损失包括燃烧不完全、传热损失、机械摩擦损失等。目前，发动机在能量转换过程中的效率大约在20%~25%之间。为了提高发动机效率，减少能量损失，我们需要持续优化发动机设计，如改善燃烧系统、减少摩擦损失、优化进排气系统等。未来，随着新材料、新技术的不断应用，发动机的能量损失将会进一步降低，效率将得到进一步提升。