内燃机原理第二章4h..ppt

第二章 内燃机的工作循环￿￿ 2-1 内燃机理想循环 在热机中，确定工质所经历的过程称为循环内燃机的实 际热力循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所 组成的，循环中工质存在着质和量的变化，整个过程是不可逆 的 要确切地描述内燃机中实际的热力过程，在目前条件下还 非常困难为了了解内燃机的 ① 热能利用的完善程度； ② 能量相互转换的效率； ③ 寻求提高热量利用率的途径 将内燃机的实际循环进行若干简化，提出一种假想循环，这种 假想循环就称为“理想循环” 利用理想循环能够清楚的比较说明影响内燃机热能利用完善程 度的主要因素 理想循环的简化假定： ① 工质是一种理想的完全气体，在整个循环中保持物理及 化学性质不变，其状态参数的变化遵守气体状态方程￿￿ pV=mRT￿￿ ② 不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失，工质数量保 持不变，循环是在定量工质下进行的 ③ 把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵 过程，工质与外界不进行热交换，无摩擦、流动损失, 工质比 热容为常数 ④ 用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程，用定 容放热代替实际排气带走的热量 图 2-1 图 2-1（b）为等容循环（也称奥托循环） a—c 为绝热压缩； c—z 为等容加入热量Q1; z—b 为绝热膨胀； b—a 为等容释放热量Q2。

在压缩、膨胀过程，工质状态用 表示 根据加热方式的不同, 理想循环有三种形式可供分析选择 压缩过程的容积变化用压缩比 表示 膨胀过程的容积变化用后膨胀比 表示 定容加热的压力升高，以压力升高比 表示 图2（c）为等压循环（也称狄赛尔diesel循环） a—c 为绝热压缩； c—z 为定压加入热量Q1; z—b 为绝热膨胀； b—a 为等容释放热量Q2 定压加热过程的容积变化用初膨胀比 表示,其它同等 容循环 图2（a）为混合循环 a → c 为绝热压缩； c → z 为定容加入热量Q'1; y → z 为定压加热量Q''1; z → b 为绝热膨胀； b → a 为等容释放热量Q2 由热力学知,混合循环热效率为：￿￿ （2—1） 在定压循环中, ＝1 ，代入（2—1），则得定压循环 的热效率公式为： （2—2） 在等容循环中，初 膨胀比 =1，代入（2—1）式则 热效率的公式为 （2—3） 分析上式可知， （1） ε ↑ ，则 ↑ ，但随ε不断增大， 提高幅度逐渐降 低。

（2） ↑，则混合循环中等容加热量↑， ↑ （3） ↑ ，则负荷pt ↑ ，但 下降，因此，按等压循环的发 动机，pt ↑ ，则 下降 （4）k ↑ ，则 ↑ ，但在发动机中k变化不大 （5）当ε相同时： （6）当pz相同，Q1相同, ε不相同时， 这是因pz不变时，等压循环的ε最大，而等容循环的ε最 小之故 ptvptvt,,, hhh 2.2 涡轮增压内燃机的理想循环 在非增压的内燃机中，工质只膨胀到b点，然后由b点等容 放热至a点，损失了排气中的一部分热能，如果工质由Pz一直膨 胀到Pa ,即在b点后继续膨胀至 g 点，如图2－2所示，那么这种 循环，比无涡轮增压循环要来的完善，它在相同的加热条件下 ，多获得一部分功（b—g），使 提高了我们称这种循环为 继续膨胀循环 这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现，将使气缸加长 ，使发动机重量增加，通常是在发动机排气管处加一涡轮，使 废气在涡轮中继续膨胀作功，涡轮再带动一个压气机，将空气 压缩后再进入气缸中，提高进缸空气量，这样可提高Pt 对涡轮增压内燃机理想循环而言，一般涡轮增压内燃机涡 轮后的排气压力略高于大气压力，但压力脉动的幅度不大，因 此假定循环的放热过程等压，并假定气体由气缸流向涡轮，无 流动损失与传热损失等。

其它假定与非增压时一样 涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式: (1) 脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀 ，排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大， 充分利用废气中的脉冲能量但供给涡轮的能量变化大， 涡轮效率较低,当 1时，这时相当于不 利用废气能量带中冷的机械增压内燃机循环以πT＝1代入（ 2－7）中的热效率公式为： （2－8 ） 由（2－8）式可知，在 一定下，当πk 上升，则 下降， 由此可得出，增压压力越高，经济性越低，机械增压不宜采 用较高的增压比 （3）若πk＝1，πT＝1， ＝1，以ε 代替 代入（2－7 ）式，即得到一般非增压内燃机混合循环热效率的公式（2－1 ）非增压热效率的影响因素及其比较前面已讲授，这里不再 重述 2.4 内燃机实际循环 内燃机实际循环有着许多不可避免的损失，它的热效率和 循环功比理论循环的要小，为了减少实际循环与理论循环在指 标上的差距，有必要分析其原因 图2－6 四冲程内燃机实际循环的p-V示功图 (1) 工质不同（理想循环为双原子气体；实际的为空气和燃烧 产物的混合物）, ① 工质成分变化 柴油机中，燃烧前是新鲜空气与上循环的残留废气的混合 物，燃烧后，工质成分为燃烧产物。

②工质比热变化 a. 理想循环工质的比热是不随温度变化的， 实际工质（空气和燃气的混合物）的比热随温度上升而上 升 b. 理想的双原子气体（ O2 ，N2，空气等）比热比实际的多原 子燃气（CO2，H2O，SO2等）比热小 如加热量相同，实际循环能达到的最高温度较理想循环的为 低， 小些 ③ 工质高温分解 在1300k以上，燃烧产物发生高温分解，分解会吸收热量， 使循环的最高燃烧温度下降， ④ 工质分子数发生变化→ 燃料燃烧后气体的千摩值会增大，当工质V、T相同时，P 会增大，这有利于循环作功 以上四中变化，以②变化影响最大，其他影响较小 (2) 换气损失 理想循环是闭式循环，无工质更换，无流动损失实际循 环，工质必须更换，有进、排气过程工质在进入气缸和排出 气缸时，以一定的速度流经进、排气管，进、排气道和 ￿￿ 进、排气门，有 流动损失另外 为使废气排除干 净，排气门在下 止点前打开；使 P-V图上的有用功 面积减少b1—d1 图中b1b1’d1 b1和 d1rtatd1面积 为换气损失 图2－6′ 非增压柴油机理论循环和实际循环p-V图的比较 （3）涡流与节流损失 活塞的高速运动使工质在缸内产生涡流，对分开式燃烧室 ，工质流入流出副室时，会在通道中产生节流损失。

使 (4) 传热损失 理想循环时假设气缸壁与工质无热交换，实际循环中，工 质与气缸盖，活塞顶，气缸壁，进、排气门有热交换，使 （5） 燃烧不及时，后燃及不完全燃烧损失 ① 燃烧不及时 理想循环假定定容加热是瞬间完成的，实际循环时，燃烧 需要一定时间 a. 喷油常提前：使着火在上止关前开始，增加了压缩负功 ct’ c1ct ct’ b. 燃烧速度有限，传热损失及在燃烧过程中活塞离开上止 点的运动，使压力增长ct z1” k1，工质放热 ，n10 工质仍受热， 但比zz1,少，所以n2 k2 z2 z3 ：后燃减少，分解产物的化合作用仍在进行，工质受热 量等于向缸壁散热量 dQ=0 ，这时n2 = k2 z3 b ：后燃已消失，但高温分解产物化合作用仍在进行，发 出的热量小于工质向缸壁的传热量,工质放热dQk2 在膨胀过程的简化计算中，与压缩过程一样，用一不变的 n2来代替变化的n2 ，并用不变的n2计算膨胀终点pb和Tb ，使 之与实际相符 膨胀过程可用多变方程表示： （2-11） （2-12） Pb 、 Tb的大致范围： 汽油机 pb =0.35～0.5MPa, Tb =1200～1500K￿￿￿￿ 非增压柴油机 pb =0.25～0.6MPa, Tb =1000～1200K￿￿ 增压柴油机 pb =0.60～1.0MPa, Tb =1000～1200K￿￿ n2的值一般如下： 高速内燃机 n2=1.15～1.24 非冷却活塞柴油机 n2 =1.20～1.28 冷却活塞柴油机 n2 =1.25～1.30 ( ) 汽油机 n2 =1.22～1.28 影响n2的因素： (1) 转速 当 → 膨胀过程时间 (2) 燃烧速度 后燃↓ → 燃烧阶段的热利用系数 工质受热↓ (3) 气缸尺寸↑ → 当S/D一定，气缸尺寸大→ 相对散热表面积小，相对漏气缝 隙也小→ 工质受热↑ → ， , (4)负荷 pe ↓ → n2 ↓ n 一定， pe ↓→ 工质平均温度↓→ →工质受热↑ → n2 ↓ . 四、换气过程。

1. 作用：更换工质，使循环能不断进行 2.差异：理想循环是闭式循环，无工质更换，无换气过程 内燃机实际循环必须排除上一循环的废气，进入新鲜空气 ，才能使燃料混合燃烧，使循环得以进行下去 进气时经过进气管和进气道有阻力，非增压机进入气缸的 空气压力低于大气压，为使排气克服排气道、排气管阻力，排 气压力必须大于大气压力才能排出，因此，排气过程的压力大 于大气压力 进、排气过程的曲线包容的封闭曲线表示作用于活塞上的 负功，人们称之为泵气功所以换气过程有功的损失 2-5 内燃机工作循环举例 在内燃机中四冲程内燃机要完成一个循环需四个冲程， 二冲程内燃机完成一个循环需要二个冲程 一. 四冲程内燃机的工作原理 图2-10 四冲程内燃机工作循环（汽油机） （a）进气行程 (b）压缩行程（c）膨胀行程（d）排气行程 二. 二冲程内燃机的工作原理 图图2-11 二冲程内燃机的工作循环环（汽油机） 三. 示功图 把内燃机在1个循环中气缸工质状态的变化，表示为压力与 容积的关系图（p-V 图）或压力与曲轴转角的关系图（ 图）称为示功图示功图可用机械式弹簧示功器、压电示功器 或气电示功器测录出来目前常用压电示功器（燃烧分析仪） 测录 图，但可转换成p-V 图。

示功图图包含了许多反映内燃机性能的信息和数据，是评评价 分析内燃机性能的主要手段 图2-12（a）是四冲程汽油机的示功图，指示功是 W1是正功，W2是泵气功，对非增压机而言是负功 图2-12（b）是二冲程汽油机（非增压）的示功图，二冲程 机没有单独的进排气行程，只有ac压缩过程、cd燃烧过程、da 膨胀（作功）过程和eab扫气过程指示功abcdea为正功 图2-12 内燃机示功图 。