内燃机学2、循环

1、 内燃机的工作循环内燃机的工作循环 内燃机的基本概念内燃机的基本概念 内燃机的循环内燃机的循环 内燃机的机械损失内燃机的机械损失 内燃机的基本概念 v内燃机的基础概念内燃机的基础概念 v内燃机的指示指标内燃机的指示指标 v内燃机的有效指标内燃机的有效指标 v平均有效压力的计算平均有效压力的计算 v内燃机的强化指标内燃机的强化指标 v 内燃机的基础概念内燃机的基础概念 工作循环工作循环 上止点和下止点上止点和下止点 曲柄半径和活塞行曲柄半径和活塞行 程程 气缸工作容积和发动机排量气缸工作容积和发动机排量 压缩比压缩比 发动机运转工况和特发动机运转工况和特 性性 发动机示功图发动机示功图 v 内燃

2、机的基础概念内燃机的基础概念 工作循环工作循环 上止点和下止点上止点和下止点 曲柄半径和活塞行曲柄半径和活塞行 程程 气缸工作容积和发动机排量气缸工作容积和发动机排量 压缩比压缩比 发动机运转工况和特发动机运转工况和特 性性 发动机示功图发动机示功图 v 内燃机的基础概念内燃机的基础概念 发动机示功图发动机示功图 v 要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对 内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加 以分析。以分析。 v 从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶

3、段 （压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压（压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压 力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们 与所积累的试验数据进行分析比较，可以对其工作与所积累的试验数据进行分析比较，可以对其工作 的完善程度进行分析。的完善程度进行分析。 v 内燃机的基础概念内燃机的基础概念 发动机示功图发动机示功图 v 要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对要研究内燃机的动力性能和经济性能，应首先对 内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加内燃机一个工作循环中热功转换的质和量两方面加 以分析。以分析。 v 从示功图可以观察到

4、内燃机工作循环的不同阶段从示功图可以观察到内燃机工作循环的不同阶段 （压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压（压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压 力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们 与所积累的试验数据进行分析比较，可以对其工作与所积累的试验数据进行分析比较，可以对其工作 的完善程度进行分析。的完善程度进行分析。 v 内燃机的基础概念内燃机的基础概念 温度图示例温度图示例 内燃机的性能指标内燃机的性能指标 u动力性能指标动力性能指标功率功率转矩转矩转速转速 燃油和润滑油消耗率燃油和润滑油消耗率 冷起动性能、噪声和排气性能冷起动性能

5、、噪声和排气性能 大修或更换零件之间的最长运行时间大修或更换零件之间的最长运行时间 无故障长期工作能力无故障长期工作能力 u运转性能指标运转性能指标 u经济性能指标经济性能指标 u耐久可靠性指标耐久可靠性指标 v 内燃机的指示指标内燃机的指示指标 u指示功指示功：气缸内完成一个工作循环而得到的有用功。：气缸内完成一个工作循环而得到的有用功。 u平均指示压力平均指示压力：单位气缸容积一个工作循环而作的：单位气缸容积一个工作循环而作的 指示功。指示功。 u 指示功率指示功率：单位时间所作的功。：单位时间所作的功。 u指示热效率指示热效率：指示功与耗能之比。：指示功与耗能之比。 u指示油耗指示油耗：

6、单位指示功的耗油量。：单位指示功的耗油量。 v 内燃机的指示指标内燃机的指示指标 u平均指示压力平均指示压力：单位气缸容积一个工作循环而作的：单位气缸容积一个工作循环而作的 指示功。指示功。 平均指示压力不仅表示热功转换程度，还平均指示压力不仅表示热功转换程度，还 表示气缸容积的利用程度。表示气缸容积的利用程度。 影响因素影响因素 增压度增压度过量空气系数过量空气系数 油气混合的完善程度油气混合的完善程度换气质量换气质量 燃烧的完善程度燃烧的完善程度 平均指示压力的范围平均指示压力的范围 柴油机柴油机 四冲程四冲程 非增压：非增压： 0.60.95MPa 增压：增压： 0.852.6MPa 二

7、冲程：二冲程： 0.60.95MPa 汽油机汽油机 二冲程：二冲程： 0.40.85MPa 四冲程：四冲程： 0.61.4MPa v 内燃机的指示指标内燃机的指示指标 影响因素影响因素 u指示热效率指示热效率：指示功与耗能之比。：指示功与耗能之比。 燃料热能释放的好坏燃料热能释放的好坏 热能损失的大小热能损失的大小 热能转化的有效程度热能转化的有效程度 指示热效率与指标油耗范围：指示热效率与指标油耗范围： biit 四冲程柴油机四冲程柴油机 0.410.4 210175 二冲程柴油机二冲程柴油机 0.40.48 218177 四冲程汽油机四冲程汽油机 0.250.4 344218 二冲程汽油机

8、二冲程汽油机 0.190.27 435305 v 内燃机的有效指标内燃机的有效指标 指标功率减去机械损失功率。指标功率减去机械损失功率。 单位工作容积的有效功。单位工作容积的有效功。 一个假想的、平均不变的压力作用在活塞一个假想的、平均不变的压力作用在活塞 顶上，是活塞移动一个冲程所作的功等于每顶上，是活塞移动一个冲程所作的功等于每 循环所作的有效功。循环所作的有效功。 有效功率有效功率 平均有效压力平均有效压力 有效油耗率有效油耗率 / 有效效率有效效率 有效热效率与有效油耗范围：有效热效率与有效油耗范围： beet 低速柴油机低速柴油机 0.380.45 190225 中速柴油机中速柴油机

9、 0.360.43 195240 四冲程汽油机四冲程汽油机 0.200.30 410274 二冲程汽油机二冲程汽油机 0.150.20 545410 高速柴油机高速柴油机 0.300.40 215285 进气与燃烧过程的参数进气与燃烧过程的参数 每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状每循环吸入气缸的空气量换算成进气管状 态的体积与活塞排量之比。态的体积与活塞排量之比。 燃烧燃烧1kg1kg燃料的实际空气量与理论空气量燃料的实际空气量与理论空气量 之比。之比。 充量系数充量系数 过量空气系数过量空气系数 平均有效压力的计算平均有效压力的计算 s et me V Q p 1 0 l Hu p a s

10、etc me 0 1 l HuV HugQ a ssc b 000 1 l V l m l m g a ssc a shc a b 平均有效压力的计算平均有效压力的计算 s et me V Q p 1 0 l Hu p a setc me 0 1 l HuV HugQ a ssc b 000 1 l V l m l m g a ssc a shc a b 平均有效压力 平均有效压力 s et me V Q p 1 与其他参数的关系与其他参数的关系 s s et a c me T p L Hu kp 0 v 内燃机的强化指标内燃机的强化指标 升功率 在标定工况下，发动机每在标定工况下，发动机每

11、升气缸工作容积所发出的升气缸工作容积所发出的 有效功率。有效功率。 v单位质量功率单位质量功率 v常用的一种强化指标：常用的一种强化指标：PmeVmPmeVm v 内燃机的强化指标内燃机的强化指标 升功率 在标定工况下，发动机每在标定工况下，发动机每 升气缸工作容积所发出的升气缸工作容积所发出的 有效功率。有效功率。 v单位质量功率单位质量功率 v常用的一种强化指标：常用的一种强化指标：PmeVmPmeVm v 内燃机的强化指标内燃机的强化指标 升功率 提高方法提高方法 l 采用二冲程循环采用二冲程循环 l 增大压缩比增大压缩比 l 减小过量空气系数减小过量空气系数 l 提高发动机的转速提高发

12、动机的转速 l 利用进排气系统的气动效应利用进排气系统的气动效应 提高动力性能和经济性能的途径提高动力性能和经济性能的途径 采采 用用 增增 压压 技技 术术 合合 理理 组组 织织 燃燃 烧烧 过过 程程 改改 善善 换换 气气 过过 程程 提提 高高 发发 动动 机机 转转 速速 提提 高高 机机 械械 效效 率率 提提 高高 升升 功功 率率 内燃机的循环内燃机的循环 内燃机的循环过程内燃机的循环过程 内燃机理想工作循环内燃机理想工作循环 理想循环与实际循环理想循环与实际循环 压缩过程与膨胀过程压缩过程与膨胀过程 内燃机的压缩比内燃机的压缩比 内燃机的循环过程内燃机的循环过程 汽油机循环

13、汽油机循环 柴油机循环柴油机循环 四冲程汽油机四冲程汽油机 二冲程汽油机二冲程汽油机 四冲程柴油机四冲程柴油机 二冲程柴油机二冲程柴油机 汽油机循环汽油机循环 四冲程汽油机循四冲程汽油机循 环环 汽油机循环汽油机循环 二冲程汽油机原二冲程汽油机原 理理 柴油机循环柴油机循环 四冲程柴油机循四冲程柴油机循 环环 柴油机循环柴油机循环 四冲程柴油机循四冲程柴油机循 环环 柴油机循环柴油机循环 四冲程柴油机循四冲程柴油机循 环环 单缸 柴油机循环柴油机循环 二冲程柴油机原二冲程柴油机原 理理 内燃机理想工作循环内燃机理想工作循环 建立在热力学第二定律基础上，是以建立在热力学第二定律基础上，是以 卡诺

14、循环卡诺循环为基础的为基础的 卡诺循环卡诺循环 u 奥托循环奥托循环 u 狄塞尔循环狄塞尔循环 u 布雷顿循环布雷顿循环 卡诺循环卡诺循环 卡诺循环主要有两种不利的情况：卡诺循环主要有两种不利的情况： 1、峰值压力高、峰值压力高其结果增加了机械负荷，需要增强其结果增加了机械负荷，需要增强 发动机的结构；发动机的结构； 2、比输出功率低、比输出功率低因此需要采用大的气缸排量因此需要采用大的气缸排量(大的大的 发动机尺寸和重量发动机尺寸和重量)以达到合用的功率值。以达到合用的功率值。 对任何一种循环。其最大热效率产生于当热源温度尽对任何一种循环。其最大热效率产生于当热源温度尽 可能最高，而冷源温度

15、尽可能最低时。因此，可以看出，可能最高，而冷源温度尽可能最低时。因此，可以看出， 卡诺循环指出了运行在温度卡诺循环指出了运行在温度T1与与T2之间的热机可能达到之间的热机可能达到 的最高热效率。的最高热效率。 TTT t )( 12 卡诺循环卡诺循环 卡诺循环主要有两种不利的情况：卡诺循环主要有两种不利的情况： 1、峰值压力高、峰值压力高其结果增加了机械负荷，需要增强其结果增加了机械负荷，需要增强 发动机的结构；发动机的结构； 2、比输出功率低、比输出功率低因此需要采用大的气缸排量因此需要采用大的气缸排量(大的大的 发动机尺寸和重量发动机尺寸和重量)以达到合用的功率值。以达到合用的功率值。 对

16、任何一种循环。其最大热效率产生于当热源温度尽对任何一种循环。其最大热效率产生于当热源温度尽 可能最高，而冷源温度尽可能最低时。因此，可以看出，可能最高，而冷源温度尽可能最低时。因此，可以看出， 卡诺循环指出了运行在温度卡诺循环指出了运行在温度T1与与T2之间的热机可能达到之间的热机可能达到 的最高热效率。的最高热效率。 TTT t )( 12 奥托循环奥托循环 1 1 1 k t 狄塞尔循环狄塞尔循环 )1(1 11 1 1 k k k t 布雷顿循环布雷顿循环 )1( 1 1 1 1 k k k t 工作循环的划分工作循环的划分 1 1、吸气、吸气 2 2、压缩、压缩 3 3、膨胀、膨胀 4

17、 4、排气、排气 理想循环与实际循环理想循环与实际循环 理想循环与实际循环理想循环与实际循环 两者的区别两者的区别 1 1、工质不同：实际工质成份会变化；、工质不同：实际工质成份会变化； 2 2、换气损失：存在进排气提前和延迟换气损失：存在进排气提前和延迟 ； 3 3、传热损失传热损失； 4 4、燃烧损失燃烧损失； a.燃烧速度有限燃烧速度有限 b.后燃及不完全燃烧后燃及不完全燃烧 压缩过程压缩过程 三三 个个 作作 用用 压缩过程扩大了工作循环的温度范围。就压缩过程扩大了工作循环的温度范围。就 是说在压缩过程终点的温度能使可燃混合气是说在压缩过程终点的温度能使可燃混合气 着火燃烧，使燃烧过程

18、的最高温度提高，从着火燃烧，使燃烧过程的最高温度提高，从 而提高了工作循环的热效率；而提高了工作循环的热效率； 压缩过程使循环助工质得到更大的膨胀比，压缩过程使循环助工质得到更大的膨胀比， 对活塞作更多的功；对活塞作更多的功； 压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷 机起动及着火燃烧创造了条件。机起动及着火燃烧创造了条件。 压缩过程压缩过程 1.1.压缩终点的确定；压缩终点的确定； 2.2.压缩多变指数（压缩多变指数（1.281.281.421.42）。）。 ca ac InVInV InPInP n 1 压缩多变指数的特点压缩多变指数的特点 n1 1.4:

19、dq 0 n1 = 1.4: dq = 0 n1 0 影响压缩指数的因素影响压缩指数的因素 v 气缸的尺寸；气缸的尺寸； v 气缸壁冷却程度；气缸壁冷却程度； v 燃烧室形式；燃烧室形式； v 转速；转速； v 负荷；负荷； v 其他一些因素；其他一些因素； 膨胀过程膨胀过程 内燃机的做功过程内燃机的做功过程 在这一过程中，工质的部分热能转变为机械在这一过程中，工质的部分热能转变为机械 功。在理想循环中，膨胀过程为绝热的等熵过功。在理想循环中，膨胀过程为绝热的等熵过 程，而内燃机实际循环的膨胀过程则是一个比程，而内燃机实际循环的膨胀过程则是一个比 压缩过程更为复杂的热力过程，除了在压缩过压缩过

20、程更为复杂的热力过程，除了在压缩过 程中存在工质与壁间的热交换和漏气损失外，程中存在工质与壁间的热交换和漏气损失外， 还出现后燃现象和在高温时被裂解了的物质的还出现后燃现象和在高温时被裂解了的物质的 复合现象。复合现象。 膨胀过程特征膨胀过程特征 v膨胀过程是燃烧过程的后继过程，膨胀过程中膨胀过程是燃烧过程的后继过程，膨胀过程中 的后燃或多或少总是存在的。在膨胀过程初期，的后燃或多或少总是存在的。在膨胀过程初期， 放热率急骤增加，以后逐渐降低。在这过程中，放热率急骤增加，以后逐渐降低。在这过程中， 不仅放出热量，也改变了工质的成分和数量。不仅放出热量，也改变了工质的成分和数量。 v在膨胀过程中

21、还发生高温分解产物重新化合。在膨胀过程中还发生高温分解产物重新化合。 在膨胀过程初期较为强烈，以后逐渐减少。在膨胀过程初期较为强烈，以后逐渐减少。 v工质与周壁的温度差不断变化，活塞在膨胀过工质与周壁的温度差不断变化，活塞在膨胀过 程中逐步下行时，散热面积不断扩大，而且活程中逐步下行时，散热面积不断扩大，而且活 塞运动的速度也在不断变化。周壁传热的传热塞运动的速度也在不断变化。周壁传热的传热 系数也在改变。这些使膨胀过程中工质向周壁系数也在改变。这些使膨胀过程中工质向周壁 的传热情况变得相当复杂。的传热情况变得相当复杂。 v通过活塞环及气缸壁之间的间隙，工质有微量通过活塞环及气缸壁之间的间隙，

22、工质有微量 泄漏改变了工质数量。泄漏改变了工质数量。 1.1.膨胀始点的确定；膨胀始点的确定； 2.2.膨胀多变指数（膨胀多变指数（1.201.201.301.30）。）。 膨胀过程膨胀过程 zb bz InVInV InPInP n 2 影响膨胀指数的因素影响膨胀指数的因素 v 气缸的尺寸；气缸的尺寸； v 气缸壁冷却程度；气缸壁冷却程度； v 燃烧速度与后燃情况；燃烧速度与后燃情况； v 转速；转速； v 负荷；负荷； 膨胀过程是一个放热过程：膨胀过程是一个放热过程：n21.4 内燃机的压缩比内燃机的压缩比 发动机的压缩比是说明发动机的压缩比是说明工质的容积变化工质的容积变化和和压缩程压缩

23、程 度度的一个参数。根据发动机所采用的循环与着火方的一个参数。根据发动机所采用的循环与着火方 式的不同，对不同类型的内燃机应有不同的要求。式的不同，对不同类型的内燃机应有不同的要求。 为使柴油机能正常工作，必须使压缩终了的空气为使柴油机能正常工作，必须使压缩终了的空气 温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度，这个条件就温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度，这个条件就 决定了柴油机正常工作的最低压缩比。但是，实际决定了柴油机正常工作的最低压缩比。但是，实际 上压缩比的取值应该远高于上面所说的最低压缩上压缩比的取值应该远高于上面所说的最低压缩 比比 。 压缩比压缩比 对经济性的影响对经济性的影响 对机械负荷

24、的影响对机械负荷的影响 对燃烧和起动的影响对燃烧和起动的影响 内燃机的机械损失内燃机的机械损失 内燃机机械损失的组成 内燃机机械损失的组成 机械损失的测量 机械损失的测量 影响机械损失的因素 影响机械损失的因素 内燃机的机械损失内燃机的机械损失 内燃机机械损失的组成 内燃机机械损失的组成 活塞、活塞环、轴承、气门；活塞、活塞环、轴承、气门； 水泵、油泵、喷油泵、发电机、空压机、风扇；水泵、油泵、喷油泵、发电机、空压机、风扇； u 摩擦损失摩擦损失 u 驱动机构驱动机构 u 其他损失其他损失 泵气损失等；泵气损失等； 内燃机的机械损失内燃机的机械损失 内燃机机械损失的组成 内燃机机械损失的组成 u 摩擦损失摩擦损失 活塞、连杆、曲轴的摩擦：活塞、连杆、曲轴的摩擦：6075% 活塞：活塞：4565%； 气门驱动：气门驱动：23%； 附属机构：附属机构：1020%； 泵气损失：泵气损失：1020% 机械损失的测量机械损失的测量 示功图法示功图法 倒拖法（需电力测功器）倒拖法（需电力测功器）