第02章 华科内燃机原理内燃机的工作过程

1、内燃机主要名词术语1. 上止点：活塞能到达的最高位置（即离曲轴旋转中心最大距离时的位置），称为上止点。2. 下止点：活塞能到达的最低位置（即离曲轴旋转中心最小距离时的位置），称为下止点。3. 曲轴转角：曲柄绕曲轴旋转，离开上止点位置的角度，称为曲轴转角，以表示。4. 曲柄半径：从曲轴中心线至曲柄销中心线的距离，以R表示。5. 连杆长度：连杆大小端轴承孔中心线之间的距离，以L表示。6. 活塞行程：活塞上下止点之间的距离，称为活塞行程，以S表示。活塞行程长度为曲轴半径的两倍，即：S=2R压缩容积：活塞位于上止点时，活塞上顶面与气缸盖底面之间的气缸容积，称为压缩容积，以Vc表示。由于燃料在这个容积内

2、燃烧，所以Vc又称为燃烧室容积。8. 工作容积：活塞从上止点移动到下止点，所扫过的空间容积，称为气缸工作容积，以Vs表示，也可称为活塞排量。9. 气缸总容积：活塞位于下止点时，活塞上顶表面到气缸盖下底面之间的气缸容积，称为气缸总容积，以Va表示，也称为气缸最大容积，它等于燃烧室容积和气缸工作容积之和，即：10. 压缩比：气缸总容积与压缩容积的比值称为压缩比，也称为几何压缩比，以表示，即：11. 活塞平均速度：活塞在气缸中往复运动的平均速度，以Cm表示，即：24sVD SacsVVV1acsscccVVVVVVV 30mSnC2-1 内燃机理想循环 在热机中，确定质量工质所经历的过程通常称为循环

3、。内燃机中的实际热力循环a. 内燃机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。b. 在能量的转变过程中，实际循环还存在着机械摩擦、换气、散热、燃烧等一系列不可避免的损失，其物理、化学过程十分复杂，如要确切地描述在内燃机中实际进行的热力过程，在目前条件下还是非常困难的。内燃机实际循环进行简化的目的 为了了解内燃机a. 热能利用的完善程度；b. 能量相互转换的效率；c. 提高热量利用率的途径； 在不失其基本物理、化学过程特征的前提下，将内燃机的实际循环进行若干简化，使其既近似于所讨论的实际循环，而又简化了实际变化纷繁的物理、化

4、学过程，从而提出一种便于作定量分析的假想循环，这种假想循环就称为“理想循环”。利用假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：a. 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。b. 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。c. 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。d. 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。 根据加热方式的不同, 理想

5、循环有三种形式可供分析选择：图2-1 理论循环示意图（a）混合循环；（b）等容循环；（c）等压循环y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。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。对于强制点火的内燃机，其工作过程均近似于等容循环。依等容循环方式工作的主要有汽油机、煤气机等。kPVCascccVVVVVbzVVzcPP等容循环的热效率 在工程热力学中已知等容循环的热效率为：a. 等容循环的热效率

6、只随压缩比与绝热指数k的变化而变化；b. 由于绝热指数k在实际循环中变化不大，因此，t主要随压缩比的增加而增加；c. 压缩比的提高在实际循环下是有一定限制的。 当提高到超过一定限度（如=1013）时，t的增加速率已很小，但循环的最高压力Pz却增加很多，作用在活塞上的力随之加大，内燃机零件所承受的机械负荷和摩擦损失加剧。在实际内燃机中，当1013时热效率并不见得增加。 依等容循环方式工作的内燃机都是压缩已经混合好了的可燃工质，为防止先燃与爆燃，实际使用的压缩比将更小。111tk 图2-1（c）为等压循环（也称狄赛尔循环）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

7、 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。依等压循环方式工作的有低速柴油机和空气喷射式柴油机等。zcVV等压循环的热效率 根据工程热力学可知等压循环的热效率为：a. t是随着、k和的变化而变化的，和k对t的影响与等容循环中的情况相同。b. 增大将使t下降，而的大小标志着内燃机负荷的大小，因此，按等压循环工作的内燃机，其负荷增加将会使热效率下降。1111(1)ktkk 图2-1（a）为混合循环a-c 为绝热压缩；c-y 为定容加入热量Q1；y-z 为定压加热量Q1；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：a.t随、k、和的

8、变化而变化，即在混合循环条件下，内燃机热效率除了与压缩比与绝热系数k有关外，还与其负荷及在等容和等压条件下加入热量的分配有关。b. 当=1时，内燃机即以等压循环方式工作。c. 当=1时，内燃机即以等容循环方式工作。11111(1)ktkk y2-2 涡轮增压内燃机的理想循环图2-2 无中冷脉冲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，使热效率t提高了，这种循环称为继续膨

9、胀循环。继续膨胀循环不能在内燃机气缸内实现的原因a. 这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现，将使内燃机气缸加长，容积增大，使得平均压力pt降低，发动机重量增加。b. 由于气缸长度（容积）的增加，使得摩擦损失也大大增加，反而得不偿失。 实际上，继续膨胀循环不是在内燃机气缸内完成，而是利用排气涡轮来实现的。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，这样可提高平均压力Pt。增压内燃机理想循环的简化假定：a. 与内燃机理想循环一样，假定对工质的加热过程或者是定容加热，或者是定压加热，或者是混合加热。对涡轮增压内燃机理想循

10、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。c. 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。涡轮增压器的工作方式 涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式：a. 脉冲涡轮增压 从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀，将各缸排出的废气直接引入涡轮，在涡轮喷嘴中形成脉冲气流，排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大，以充分利用废气的脉冲能量在涡轮中做功，但供给涡轮的能量变化大，涡轮效率较低，当k2.5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。无中冷脉冲涡轮增压内燃机理想循环a-

11、a 压气机中的绝热压缩过程a-c 气缸中的绝热压缩过程c-y 气缸中的定容加热过程y-z 气缸中的定压加热过程z-b 气缸中的绝热膨胀过程b-g 涡轮中的绝热膨胀过程g-a 涡轮中的定压放热过程图2-2 无中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环带中冷脉冲涡轮增压内燃机理想循环图2-3 带中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环 为了加大进气量，提高进气密度，通常对增压器后的进缸空气进行冷却。其工作循环只是比无中冷的多了一个等压条件下向冷却器放热过程k-a。涡轮增压器的基本参数图2-3 带中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环c-空气在中冷器内的温降比，c=Tk/Ta。k-增压器的压缩比，k=Va/Vk0-增压内燃

12、机的总压缩比，0=kk-增压器的增压比，k=pk/paT-涡轮膨胀比，T=pb/pg脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率a. 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：b. 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 带入上式即可得：1110111(1)kkkckctkkk 110111(1)ktkkk 1ckaT T定压涡轮增压内燃机理想循环 在排气过程初期，气缸内中的压力要比涡轮前的压力大好几倍，为了防止当活塞在上止点、进排气门重叠开启时造成排气总管中的废气倒流入进气管，一般取涡轮前的压力与Pa相近。图2-4 定压涡轮增压内燃机的理想循环a-a 压气机中的绝热压缩过

13、程a-c 气缸中的绝热压缩过程c-y 气缸中的定容加热过程y-z 气缸中的定压加热过程z-b 气缸中的绝热膨胀过程b-a 排气管中的定容放热过程a-f 排气管中的定压加热过程f-g 涡轮中的绝热膨胀过程g-a 涡轮中的定压放热过程定压涡轮理想循环热效率a. 带空气中冷定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式为：b. 无空气中冷定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式为：1101(1)(1)111(1)kkkcktkkk 101111(1)ktkk 2-3 内燃机理想循环热效率增压对内燃机的作用 涡轮增压器与内燃机联合工作，使内燃机工质在气缸内膨胀到下止点所具有的能量，在增压器涡轮内部继续膨胀作功，带动

14、压气机将进入内燃机气缸内的空气进行预压缩，以提高进气密度，强化内燃机的作功能力，使内燃机理想循环进行得更为完善，因此，增压是改善内燃机性能（提高升功率、降低比油耗等）的有效途径，涡轮增压器与内燃机联合工作是内燃机理想循环的最佳方案。根据热效率的定义，依图，内燃机理想循环的热效率为：式中：则内燃机理想循环的热效率为：22111tQQQQ 111kvycvaQcTTc T111kpzyvaQcTTc kT21paavacQcTTc kT2011111kTpgvackkkkkTkkQcTTc kTkk图2-5 涡轮增压内燃机理想循环11110(1)1111(1)kkkkkkTkckcTktkkkkk

15、 内燃机理想循环热效率的影响因素 上式是内燃机理想循环热效率的通用表达式，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，式中与c有关的项为： 若不采用空气冷却，则c=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Pk=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。1(1)kkckckkk 1(

16、1)kkckckk2. 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：a. 当T/k达到最大时，导致t达到最高，此时 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。/(/)/(/)(/)/(/)/kTKbfkabfafbapppppppppp1110111(1)kkkckctkkk b. 当T/k=1，即 ，为带中冷定压涡轮增压内燃机的情况。将T/k=1代入中，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

17、k2.5时，一般采用定压涡轮增压。fkgapppp1101(1)(1)111(1)kkkcktkkk 当T/k最小时，即T=1，而k1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代入得热效率公式为： 由上式可知，在0一定下，当k上升，则t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。11110(1)1111(1)kkkkkkckkkctkkkkk 3. 混合循环 若k=1，T=1，c=1，以代替0代入，即得到一般非增压内燃机混合循环热效率的公式： 等容循环中，因Vz=Vc，所以初膨胀比=1，代入得等容循环热效率公式： 等压循环中，因pz=pc，所

18、以压力升高比=1，代入得等压循环热效率公式：111tk 11111(1)ktkk 1111(1)ktkk 分析上面式子可知：（1），则t，但随不断增大，t提高幅度逐渐降低。（2），则混合循环中等容加热量，t。（3），则负荷，但t下降，因此，按等压循环的发动机，负荷，则t下降。（4）k，则t，但在发动机中k变化不大。（5）当相同时：t,vt,vpt,p（6）当pz相同，Q1相同，不相同时，t,pt,vpt,v 这是因pz不变时，等压循环的最大，而等容循环的最小之故。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

19、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（a）无气喷射柴油机 （b）汽油机 （c）空气喷射柴油机实际循环与理论循环的区别1. 工质不同ta. 工质成分变化t 理想循环的工质是理想气体，它的物理及化学性质在整个循环中是不变的。 实际循环中，燃烧前的工质是新鲜空气与上循环的残留废气的混合物，燃烧过程中和燃烧后，工质成分为燃烧产物，不仅成分发生变化，物质的量也发生了改变。b. 工质高温分解t 在1300K温度以上，燃烧产物会发生高温分解的现象，分解吸收热量，这会降低最高燃烧温度，使循环热效率下降。c. 工质比热变化t 理想循环工质的比热是不随温度变化的，实际工质的比热随

20、温度上升而上升。 理想气体是双原子气体（O2，N2，空气等），比热比实际的多原子燃气（CO2，H2O，SO2等）的比热小。 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，循环热效率小些。d. 工质分子数发生变化t 燃料燃烧后气体的千摩尔值会增大，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c工质比热变化的影响最大，其他影响较小。2. 换气损失t 理想循环是闭式循环，无工质更换，无流动损失。在实际循环中，每个循环的工质必须更换，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，有一定的流动损失。另外为使废气排除干净，排

21、气门在下止点前打开，这就使P-V图上的有用功面积减少。 图中b1b1d1b1和d1rtatd1面积为换气损失。图2-7 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t 活塞的高速运动使工质在缸内产生涡流，对分开式燃烧室，工质流入流出副燃烧室时，会在通道中产生节流损失，使循环热效率下降。4. 传热损失t 理想循环时假设工质与气缸盖、活塞顶、气缸壁、进、排气门等受热零件无热交换。实际循环中，必须对这些受热部件进行冷却，才能保证内燃机的正常运行，部分热量从冷却系统中传出，使循环热效率和循环比功率都有所下降。5. 燃烧不及时，后燃及不完全燃烧损失ta. 燃烧不及时t 理想循环假定定

22、容加热是瞬间完成的，而定压加热是在zz阶段内完成的。实际循环时，燃烧需要一定时间。 由于喷油常提前，使着火在上止点已前开始，增加了压缩负功ctc1ctct。 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ctz1”0，n1k1；工质放热dQ0，n10，n1按大于绝热指数k1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，dQ=0，n1=k1。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，dQ0，n1按小于绝热指数k1变化，实际压缩曲线ec比绝热压缩曲线em平坦。图2-8 压缩曲线图a-n 绝热压缩；e-m 绝热压缩

23、；a-b-e-c 实际压缩多变过程 实际压缩过程是一个按n1变化的多变过程，在实际循环近似计算时，采用变化的n1是困难的，可以用一个平均的n1来代之，一般的范围为1.321.39。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： 水冷汽油机 1.361.39 风冷汽油机 1.391.42（因为Qwn1） 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TaQwn1） （活塞冷却）1ncaappMP11ncaTTK 由n1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。n1的

24、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：a. 转速nn1 n热交换时间tn向气缸壁的传热量Qw漏气量 n1b. 负荷ptn1 pt周壁温度Tw工质向周壁传热量Qwn1c. 气缸尺寸n1 气缸尺寸D、S面容比F/V工质向周壁传热量Qwn1d. 分开式燃烧室的n1直接喷射式燃烧室的n1 因相对散热表面积大，工质热损失多。e. 冷却强度n1 如：水冷比风冷的低f. n1 因为传热量与漏气量g. 进气终了温度Ta工质向周壁传热量Qwn1 如：增压机n10，n2k2 工质放热 dQk2 zz1：膨胀初期，后燃较多，过程接近等温过程，n21。 z1z2：后燃及分解产物重新化合，工质受

25、热量大于向缸壁散热量，工质仍受热，但比zz1少，所以dQ0，n2k2。 z2z3：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。 z3b：后燃已消失，但高温分解产物化合作用仍在进行，但发出的热量小于工质向缸壁的传热量，工质放热，dQk2。 接近b点时只有工质传热。图2-9 柴油机膨胀过程曲线示意图b 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来计算膨胀终点pb和Tb，使之与实际相符。 膨胀过程可用多变方程表示： Pb、Tb的大致范围： 汽油机 pb=0.350.5MPa，Tb=12001500K 非增压柴油机 pb=0.250.6MPa，Tb=10001200K 增压柴油机 pb=0.601.0MPa，Tb=10001200K n2的值一般如下： 高速内燃机 n2=1.151.24 非冷却活塞柴油机 n2=1.201.28 冷却活塞柴油机 n2=1.251.30（Qwn2） 汽油