内燃机原理第二章4h

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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, 热能利用的完善程度；, 能量相互转换的效率；, 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：, 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,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。, 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。, 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）,ac,为绝热压缩；,cz,为等容加入热量,Q,1,;,zb,为绝热膨胀；,ba,为等容释放热量,Q,2,。,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）,ac,为绝热压缩,；,cz,为定压加入热量,Q,1;,zb,为绝热膨胀；,ba,为等容释放热量,Q,2,。,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,Q,2,。,由热力学知,混合循环,热效率为：,（21）,在定压循环中, 1 ，代入（21），则得定压循环的热效率公式为：,（22）,在等容循环中，初 膨胀比 =1，代入（21）式则热效率的公式为,（23）,分析上式可知，,（1）, ，,则 ，但随,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,p,t,，,但 下降，因此，按等压循环的发动机，,p,t,，,则 下降。,（4）,k,，,则,，但在发动机中,k,变化不大。,（5）当,相同时,：,（6）当,p,z,相同，,Q,1,相同,不相同时，,这是因,p,z,不变时，等压循环的,最大，而等容循环的,最小之故。,p,t,vp,t,v,t,h,h,h,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,P,z,一直膨胀到,P,a,即在,b,点后继续膨胀至,g,点，如图22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（,bg），,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,P,t,。,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:,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,2.5,时使用.,定压涡轮增压：将各缸中排出的废气导入一根容积很大的排气总管，使涡轮前的压力保持恒定，这种方式的脉冲能量不能利用。但在涡轮中废气能量转换是稳定的，涡轮效率较高。当,2.5时,定压的效率高于脉冲的效率，此时常采用定压涡轮增压方式。,带脉冲涡轮增压的内燃机理想循环如图22所示。,a,a,为压气机中的绝热压缩,；,a c,为气缸中的绝热压缩过程,c y,为气缸中的定容加热过程,;,y z,为气缸中的定压加热过程,图22 无中冷脉冲涡轮增,图,23,带,中冷脉冲涡轮增 压,内燃机的理想循环,压,内燃机的理想循环,zb,为气缸中的绝热膨胀过程；,bg,为,涡轮中的绝热膨胀过程；,ga,为涡轮中的定压放热过程。,也可将脉冲涡增压内燃机的理想循环视为内燃机的理想循环,acyzba,和定容燃烧式燃气轮机理想循环,a,abg,a,两部分叠加。,为了提高进气密度，通常对增压器后的进缸空气冷却，工作循环只是比无中冷的多了一个,ka,等压向冷却器放热过程。,带空气冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率的公式为,（24）,无空气中冷的脉冲涡轮增压内燃机的理想循环热效率只需,将,温降比,代入（24）即可得：,（24,）,定压涡轮增压内燃机理想循环如图24所示，,图 24 定压涡轮增压内燃机的理想循环,带空气中冷定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式为:,（25）,当 1，即变为无空气中冷的定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式：,（25,）,23 内燃机理想循环热效率,如图25所示，,图 25涡轮增压内燃机理想循环,据热效率的定义，依图，内燃机理想循环的热效率为：,（26）,式中,利用绝热循环、等容循环、等压循环过程，确定,Q,2,和,Q,2,中的,T,g,、T,a,、,T,k,于是内燃机理想循环的热效率为：,（27）,式（27）是内燃机理想循环热效率的通用表达式。它包含了已讨论过的各种循环方式。下面讨论各循环方式的热效率及其影响因素。,（1）空气冷却的影响,在其它条件相同的情况下，若采用空气冷却，（27）式中与 有关的项为：,若不采用空气冷却，则 1，上述相关项仅为,k，,显然有：,采用空气冷却比无中冷循环的总效率低，但影响很小，例如：当增压压力为,P,k,=0.2MPa,时，空气冷却后的温降,T30K,而,t,只下降0.4。,在实际发动机中，对空气进行冷却，提高进缸空气密度是提高内燃机强化程度的有效措施，并对发动机的经济性有益处。实际的发动机带中冷的比不带中冷的油耗率要低 。,（2）废气能量利用的影响,在压缩比和加热量一定的情况下，废气能量的利用有三种情况：,当 达到最大时，导致,t,达最大。此时,代入（27）式 得有空气冷却脉冲涡轮增压内燃机理想循环的热效率公式,这种循环因充分利用了废气能量，在涡轮中继续膨胀作功，热效率比定压涡轮增压的要高。,当 1，即 ,为带中冷得定压涡轮增压内燃机,得情况。将 1代入式（27）中，得热效率公式;,理论上，定压涡轮的效率小于脉冲涡轮的效率。,在实际发动机中，因脉冲涡轮的效率较之定压涡轮的要低，因此，当,k,2.5,时，一般采用定压涡轮增压。,这一点在第七章中将会详细描述。,当 最小时，即,T,1，,而,k,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,T,1,代入（27）中的热效率公式为：,（28）,由（28）式可知，在 一定下，当,k,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,k,1，,T,1， 1，,以,代替 代入（27）式，即得到一般非增压内燃机混合循环热效率的公式（21）。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26 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）,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。,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（,O,2,，,N,2,，,空气等）比热比实际的多原子燃气（,CO,2,，,H,2,O,，,SO,2,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。,工质高温分解,在,1300,k,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，,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,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,b,1,d,1,。,图中,b,1,b,1,d,1,b,1,和,d,1,r,t,a,t,d,1,面积,为换气损失。,图26,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,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,c,t,c,1,c,t,c,t,。,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,c,t,z,1,”,k,1,，,工质放热 ，,n,1,k,1,在压缩初期，工质的温度低于周围表面的温度，工质从这些表面吸热，此时 ，,n,1,按大于绝热指数,k,1,变化。实际压缩曲线,ab,比绝热压缩曲线,an,要陡。当继续压缩，工质温度与周壁温度相等，这时无换热，,n,1,=,k,1,。,压缩继续进行，工质温度进一步增高，这时工质向周壁传递热量，,，,n,1,按小于绝热指数,k,1,变化，实际压缩曲线,ec,比绝热压缩曲线,em,平坦。,m,-,e,绝热压缩,a,-,n,绝热压缩,a-b-e-c,实际压缩多变过程,图2-7 压缩曲线图,实际压缩过程是一个按,n,1,变化的多变过程，在实际循环近似计算时，采用变化的,n,1,是困难的，可以用一个平均的,n,1,来代之。只要计算使压缩过程起点,a,和终点,c,的工质状态与实际过程相符即可。,压缩终点的状态参数可由多变状态方程确定：,MPa,（2-9）,K （2-10）,一般的范围为 1.321.39,水冷汽油机1.361.39,风冷汽油机1.391.42 (因为,Q,w,n,1,),煤气机1.371.39,非增压柴油机1.351.40,(,活塞冷却),增压柴油机1.321.37 (因为,T,a,Q,w, ,n,1,）,(,活塞冷却),由,n,1,的大致范围可知，实际压缩过程与理想的压缩过程还是很接近。,n,1,的大小主要取决于工质与周壁热交换的情况。因而主要受下列因素影响：,转速,热交换时间,t,n,向气缸壁的传热量,Q,w,漏气量, ,(2),负荷,p,t, ,p,t, ,周壁温度,工质向周壁传热量,Q,w,(3),气缸尺寸, ,气缸尺寸, ,面容比,工质向周壁传热量,Q,w,(4),分开式燃烧室的,n,1,直接喷射式燃烧室的,n,1,因相对散热表面积大，工质热损失多。,(5),冷却强度, ,如：水冷比风冷的低,(6), ,因为传热量与漏气量,。,(7),进气终了温度,T,a, ,工质向周壁传热量,Q,w, ,如：增压机,n,1,0 ，,n,2,k,2,工质放热,dQ,k,2,图2-8 柴油机膨胀过程曲线示意图,z z,1,：,膨胀初期，后燃较多，过程接近等温过程，,n,2,1。,z,1,z,2,：,后燃及分解产物重新化合，工质受热量大于向缸壁散热量，所以,dQ,0,工质仍受热， 但比,zz,1,少，所以,n,2,k,2,。,z,2,z,3,：,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,n,2,=,k,2,。,z,3,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,dQ,k,2,。,在膨胀过程的简化计算中，与压缩过程一样，用一不变的,n,2,来代替变化的,n,2,，,并用不变的,n,2,计算膨胀终点,p,b,和,T,b,，,使之与实际相符。,膨胀过程可用多变方程表示：,（,2-11,）,（,2-12,）,P,b,、,T,b,的大致范围：,汽油机,p,b,=0.350.5,MPa,T,b,=12001500K,非增压柴油机,p,b,=0.25,0.6,MPa,T,b,=1000,1200K,增压柴油机,p,b,=0.60,1.0MPa,T,b,=1000,1200K,n,2,的值一般如下：,高速内燃机,n,2,=1.151.24,非冷却活塞柴油机,n,2,=1.201.28,冷却活塞柴油机,n,2,=1.251.30 ( ),汽油机,n,2,=1.221.28,影响,n,2,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,p,e, ,n,2,n,一定，,p,e,工质平均温度, ,工质受热, ,n,2,.,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2-11 二冲程内燃机的工作循环（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。,示功图包含了,许多,反映内燃机性能的信息和数据，是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,W,1,是正功，,W,2,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,