1-4第四节 柴油机的工作循环

第四节柴油机的工作循环一、柴油机的两种示功图研究柴油机气缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映缸内实际情况的实验数据来。最常见的是测量气缸的压力，因为容易测量，且测得工质压力后，利用热力学的基本公式，还能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数，这样即可分析循环了。表示气缸内工质压力变化的图形叫示功图。它有P-V示功图和p-示功图两种形式，现结合柴油机的实际循环加以说明。1．p-V示功图气缸内的工质压力随气缸容积变化的图形叫p-V示功图，又称压力一容积图，亦可视为压力与活塞位置的函数关系，如图1-4-1所示。该图上曲线包围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，故习惯上称为示功图。是排气过程，drr'为进、排气阀重叠开启、燃烧室扫气阶段。上面的环形面积faczeb'bf表示工质从压缩行程到膨胀行程作的正功（向外输出），下面的环形面积fdrr'f代表工质在进、排气行程中作的功，在增压柴油机中亦为正值；但在非增压四冲程柴油机的p-V示功图（图1-4-2）中，此功（即环形面积a'afr'rda'）为负，即消耗功，（因为进气压力线rda在排气压力线br'r下面）。此负功在柴油机循环的分析中称泵气损失。图1-4-3为二冲程柴油机的p-V示功图。进、排气过程没有占用单独的活塞行程，因而也没有相应的环形面积。图中，b、a—排气口开启、关闭，d、g—扫气口开启、关闭，bdfga－进、排气过程。环形面积aczebfa代表工质在一个循内对外作的功。

2.p-p示功图气缸内的工质压力随曲轴转角变化的图形叫p-p示功图。p-V示功图不适于研究燃烧过程，因为燃烧过程发生在上止点附近，此时活塞运动速度（相当于气缸容积变化速率）很慢,难以从p-V图上看出这一区间内压力变化的特点。若以曲轴转角为横座标就清楚了，这等于把上止点附近的压力变化图形展开，故又称展开示功图，在柴油机性能研究中得到广泛的应用。图1-4-4为p-p示功图，由于它主要用于分析燃烧过程,故只画出了压缩与膨胀行程部分,即360。。b'为排气阀开启时刻，a为进气阀关闭时刻,其他点号与图1-4-1同。增压与非增压柴油机有类似的图形，二冲程柴油机的p-p示功图也与此基本相同。必须指出，p-p示功图曲线下的面积不能直接代表工质在一个循环内对活塞作的功，需经一定的数学运算才能求出。上述两种示功图均可用电子示功器测出，活塞位移与曲轴转角两者可互相转换。二、柴油机的理想循环图1-4-3二冲程柴油机的p-V示功图图图1-4-3二冲程柴油机的p-V示功图图1-4-4四冲程柴油机的p-p示功图为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机循环，需将实际循环理想化和抽象化。基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环，对它作了如下几点假定：（1）工质为理想气体，其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。在整个循环中，比热和化学成分不变。燃料的燃烧过程用外界热源向工质加热过程代替，其方式可以是定容、或定压、或定容与定压混合过程；（2）循环为闭口体系，不更换工质，其数量也不变，故无进、排气过程与气体的漏泄3） 压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交换，也不存在摩擦4） 废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源放热过程代替。因此，这样的理想循环是一个闭口体系的可逆热力循环。在能量转换过程中只有冷源损失，对四冲程和二冲程柴油机都适用。由于对工质所作的假定，有人称它为空气标准循环。

柴油机的理想循环有四种（图1-4-5）：（1） 定压加热循环（图a） 。此循环只有定压加热过程2-3而没有定容加热过程。现代高增压柴油机为防止pz过z高，限制NOx的排放又要求x功率大而采用定压燃烧方式工作的柴油机，即近似按此循环工作。理论热效率q和平均理论压力pt公式见表1-4-1。（2） 定容加热循环（图b） 与混合加热循环的区别是只有定容加热过程5-6而没有定压加热过程。减功率经济（低油耗）型柴油机或柴油机在部分负荷工作时，即近似按此循环工作。（3） 混合加热循环（图c） 。其过程包括：1-8 绝热压缩，8-9-10——混合加热（定容加热8-9和定压加热9-10），10-11——绝热膨胀，11-1——定容放热。一般柴油机按此循环工作。（4） 继续膨胀混合加热循环（图d）。工质由11点一直膨胀到12，此时压力与循环始点1的压力p相等，然丄a后定压放热12-1。若在柴油机气缸内实现这种循环，气缸势必做得很长。故令膨胀分两步完成：10-11在气缸内，11-12在燃气涡轮内。它相当于柴油机与燃气涡轮联合装置的工作。如果涡轮直接带动压气机进行增压，则理想循环略有改变（图1-4-6）：压缩过程亦分压气机内压缩10-1和柴油机内压缩1-8两步。此即脉人即可。冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环，热效率公式只要将S换为总压缩比e人即可。cc上述四种理想循环亦可依次称为狄塞尔（Diesel）循环、奥托（Otto）循环、萨巴蒂（Sabathe）循环和修正的阿特金逊（Atkinson）循环。

图1-4-7图1-4-7理论热效率的影响因素表1-4-1柴油机理想循环的耳丿和p循环名称npt(MPa)混合加热“ 1 九pk一1n=1— xt £k-1 九一1+k九(p—1)p=ta[九一分析表1-4-1中各式可得出如下重要结论： 加大£,由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，故热效率Ht增加，但其提高率随功口大而逐渐降低，而循环最高压力pz分析表1-4-1中各式可得出如下重要结论： 加大£,由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，故热效率Ht增加，但其提高率随功口大而逐渐降低，而循环最高压力pz迅速上升。因而£对^和机械负荷均有较大影响。由混合加热循环的nt公式可知，循环热效率n随着压缩比£及压力升高比Qp/p的t zc升咼而提咼。图1-4-7表示热效率n与压缩比£和t压力升高比九的关系。由该图可看出：当£—定时，n随P的提高而升高，随九的提高tz而升高。当九一定时，要提高n，必须提高p和&tz当p一定时，提高£则n也提高。但随£的增zt大，nt提高的速率下降。近年，提高最高爆发压力pz是提高理论z热效率nt，提高柴油机的经济性的基本措施之一。目前，新型柴油机随着pz的提高，£也随之升高。（2） 如果其他条件不变，只增大k则循环最高温度增高，循环温差扩大，nt提高，但pz亦升高。若仅是p加大，则工质膨胀不充分，膨胀终点压力、温度均升高，nt下降。在混合加热循环中，当加热量一定时，额上升，即定容加热量增多，p必然下降（定压加热量减少），故nt、pz增高。反之则nt、pz降低。混合加热循环中尢、p的分配反映加热规律，即燃烧规律。由上述分析可知，燃烧不仅要“完全”，还应在靠近上止点的区间发生，即“及时”。综合上述£和尢对nt的影响不难看出，提高循环最高压力pz是改善经济性的有效措施。要比较混合加热循环、定容加热循环和定压加热循环三种循环，哪种效率高，应用分析£—1k—1 t定容加热11n=1一t £k—1p=打ka[(九一1)nt£—1k—1 t定压加热- 1pk—1n=1— t £k—1k(p—1)£k pp= 、[a、k(P-1)n继续膨胀混合加执八、、-1 k(九kp—1)n=1— ————t £k—1九—1+k九(p—1)p=ta[九一1+kk(P-1)]n£—1k—1 t符号说明£=V_ 压缩比；,=厶 压力升高比;£—a 几一 zV pc cP—V_ 初期膨胀比；P—zVck 工质绝热指数（空气k=1.4）；pa-循环始点a的压力（MPa）

T3图1-4-8£不变的T-ST3图1-4-8£不变的T-S图（1）对某既定柴油机而言：£不变。见图1-4-8。三种循环£不变，绝热压缩线1-2不变，放热q2相同。因为qi定容＞qi混合〉qi定压，而q2相同，所以0定容讥混合〉定压。 , .（2）对设计新柴油机而言：p、T相同。见图zmax1-4-9因为qi定压〉qi混合〉qi定容，而q2相同，所以0定压〉^t混合〉耳上定容。 __以上热力学结论对改进柴油机性能有重要指导意义，但用于实际柴油机时应注意考虑实际因素的限制权衡利弊，综合分析而定。5图1-4-9最高压力不变的T-S图三、柴油机的实际循环5图1-4-9最高压力不变的T-S图柴油机的实际循环和理想循环之间是有差别的。首先，实际循环是一个开口热力体系，而不是闭口热力体系。因为它需通过进、排气过程更换工质－排出废气，吸进新鲜空气，以保证循环反复进行。这样，工质性质会改变，且存在流动阻力损失。第二，关于加热与放热过程。对工质的加热实际上是将燃油喷入气缸燃烧，将燃油的化学能转变为工质的热能，使其温度升高。因而存在不完全燃烧损失。由于燃烧速度的有限性（尽管很大）以及与活塞运动速度不一致，故燃烧过程中的压力、容积均在改变，燃烧亦会延续到膨胀过程。放热乃伴随废气排出进|JO第三，工质的数量和成分变化，这是由进、排气过程更换工质、燃烧、高温分解与低温复合作用以及漏气等原因造成的。比热亦随工质的成分和温度而变。第四，各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。由此可知，实际的循环和过程都不是可逆的；从能量转换角度来看，除了冷源损失外，还有不可逆损失，即不完全燃烧、热交换、漏气和流动阻力等其他热损失。因而，柴油机循环不可能达到理想循环的热效率q和平均压力Pt。下面分析和研究实际循环的各个过程。1．换气过程柴油机从开始排气、扫气到进气结束的整个气体更换过程称为换气过程。换气过程进行完善，压缩过程开始时残留废气量少，存留在气缸中的新鲜空气量多，就为燃油的完全、及时燃烧创造了良好条件。燃油的完全而及时的燃烧，不但使柴油机发出更大功率，提高其动力性；使柴油机有高的热效率，提高其经济性；而且，完全而及时的燃烧还意味着减少结炭和较低的循环平均温度，从而提高其可靠性。减少排气污染也必须有好的换气质量。因此，

换气质量的好坏是柴油机工作优劣的先决条件。1）四冲程柴油机的换气过程图1-4-10为一台四冲程柴油机换气过程的实测曲线。a）图为气缸压力及排气管内压力随曲轴转角变化的情况。b）图为进排气阀通流截面积随曲轴转角变化的情况。根据气体流动的特点，可把换气过程分为几个阶段来讨论。自由排气阶

段。当排气阀开启

时，气缸压力远高

于排气管压力，排

气管压力与气缸3内力T止曲稱转僭图1-4-10四冲程柴油机的换气过程曲线压力之比小于临界值3内力T止曲稱转僭图1-4-10四冲程柴油机的换气过程曲线压力之比小于临界值当地音速流过排气阀最小截面处。气缸压力迅速下降，排气管压力上升。当排气管压力与气缸压力比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。到某一时刻，气缸压力接近于排气管压力，自由排气阶段即告结束。强制排气阶段。活塞上行将气缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。由于排气阀延迟关闭，此阶段末尾可利用排气管中废气的流动惯性把气缸内的废气继续吸出。进气过程。进气阀提前开启，气缸中废气压力低于进气管进气压力时开始进气。进气流具有一定惯性。进气阀滞后关闭可使气柱的动能转化为压力能，使进气终了时气缸压力接近或略高于进气管压力。气阀叠开和燃烧室扫气过程。在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管内压力高时，新鲜空气进入气缸，驱赶残留在燃烧室中的废气并一起进入排气管。这既有利于清扫残余废气，增加新鲜空气充量，也有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。但是应该指出，气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀

开启过早，会造成废气倒冲入进气管；排气阀关闭过迟，过量的扫气空气会增加增压空气的消耗，会降低涡轮前的排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能，使柴油机的油耗率增加。在换气过程中，新鲜空气与废气是不相掺混的。因此，四冲程柴油机的换气质量较高。2）二冲程柴油机的换气过程图1-4-11示出二冲程柴油机换气过程曲线图。根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过程分成三个主要阶段。第一阶段：自由排气阶段（BfR）图1-4-11二冲程柴油机的换气过程曲线阶段结束。如图所示，扫气口刚打开时（D点），气缸压力仍略高于扫气压力。但因压差不大而时间很短，倒流可忽略。如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。第二阶段：强制排气和扫气阶段（R-C）此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段。第三阶段：过后排气阶段（C-E）活塞上行先关闭扫气口（C点）。此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于E点关闭。在E点之后，气缸内开始进行压缩过程。二冲程柴油机换气的持续时间约为120。〜150°曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于400°〜500°图1-4-11二冲程柴油机的换气过程曲线阶段结束。如图所示，扫气口刚打开时（D点），气缸压力仍略高于扫气压力。但因压差不大而时间很短，倒流可忽略。如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。第二阶段：强制排气和扫气阶段（R-C）此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低。由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段。第三阶段：过后排气阶段（C-E）活塞上行先关闭扫气口（C点）。此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于E点关闭。在E点之后，气缸内开始进行压缩过程。二冲程柴油机换气的持续时间约为120。〜150°曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于400°〜500°曲轴转角。如果转速相同，则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机的大约1/3。因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤其困难。3）时面值、角面值在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力是以它们所拥有的时面值匸fdt来衡t1量的f为气口或气阀瞬时通流面积，t1与t2为各个阶段开始与终了时刻）。它不仅考虑了气口或气阀开启面积的大小，还同时考虑了开启时间的长短。由于 加二泌力=6nxdt,60ft2fdt=丄他fg）如。（申i与申2为与t1和t2相对应的曲柄转角，f（p）为气口或气阀的几何通t, 6n丹流面积随曲柄转角变化的规律。）J%f伸）如称角面值。它表示气口或气阀的通流能力。对于p,既定的柴油机它是一个定值，它的大小与转速无关。4）评定换气质量的参数在进气过程结束时，由于存在流动阻力，气缸内压力低于进气管处压力。同时由于壁面对吸入空气的加热等原因，气缸里进气温度比进气管处空气温度高。因此如把吸进气缸内的新鲜空气体积换算成进气管状态的体积，此换算体积将小于气缸工作容积。为了评定换气过程的质量，常用下列几个参数作为评估的指标。（,）残余废气系数残余废气系数是指换气过程结束时，缸内残存的废气量G与充入气缸的新鲜空气量G0r0之比，即v-G （1-4-1）Y—rrG0残余废气系数是换气过程结束后废气排除的干净程度来表示换气过程的完善程度。显然，此数值越小，废气排得越干净，换气过程越完善。一般在标定工况下，y的数值如下：1r四冲程非增压柴油机 y=0.03〜0.061r四冲程增压柴油机 y=0.00〜0.03r二冲程气口气阀直流扫气柴油机yr=0.06〜0.08r二冲程回流扫气柴油机 yr=0.05〜0.15r二冲程简单横流扫气柴油机 yr=0.25〜0.40r从上述数值可以看出，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机，二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气，横流扫气效果最差。（2）充气系数％充气系数％是在换气过程结束时充入气缸的实际空气量G0与在进气状态下充满气缸工作容积V的理论空气量G之比，即S SG0GG0GsVy V00—0Vy Vs0s1-4-2)式中：y0——进气状态下的空气密度；v0——进入气缸的实际空气量在进气状态下所占的体积。

所谓“进气状态”，对不同类型的柴油机来说是不同的。四冲程非增压柴油机，一般取大气状态p0、T0,二冲程柴油机一般取扫气箱内状态ps、Ts，增压柴油机取进气管状态pk、Tk。换气过程结束时，气缸内除了有新鲜空气外，还残留有少量废气，即残余废气。气缸内混合气体的重量为：1-4-3)根据气体状态方程，气缸中的实际空气量G0和在进气状态下充满气缸工作容积的理论空气量G可写成：S1-4-4)门一G 1p1-4-4)0 \1+y丿1+yRTr r aG—

sG—

spVs~sRT1-4-5)将公式（1-4-4）、（1-4-5）中的G0、G代入公式（1-4-2）中，并引进关系式V JOs a— *1-4-6)V£-1s1-4-6)£pT1

•a•~~•£-1pT1+ysa r这个公式对四冲程和二冲程柴油机都是适用的。但应当注意，对二冲程柴油机，如以有V0 V0 ，贝1-4-6）中的压缩比应该用有效压缩比V（1-屮）ssve£e来代替，即enve£nve£pT1

e•a•s•£-1pT1+ye sa r1-4-7)（1-4-8（1-4-8）所以V有效叫（1-屮S））四冲程非增压柴油机为大气压力）四冲程增压式柴油机二冲程低速柴油机式中：n—以有效气缸容积为准的充气系数;ve£有效压缩比。e£—6-屮S”+[—1+V（1一屮）—£（1一屮）+屮e V s s ssc式中：屮 失效冲程系数（屮=V/V（名义）,s s损失s一般充气系数的范围如下：四冲程柴油机 n=0.75〜0.90v二冲程直流扫气 n=0.80〜0.90v二冲程回流扫气 nv=0.75〜0.80v在标定工况下，进气终了时气缸中的压力一般数据如下：pa=(0.85〜0.95)p0(p0pa=(0.92〜1.0)pkp=(0.96〜1.0)p图1-4-12各种因素对nJ图1-4-12各种因素对nJ勺影响充气系数nv的影响因素各影响因素对°v的影响程度如图1-4-12所示。直线1表示一假想的没有流动阻力、没有进气加热的理想换气过程。曲线4表示实际的换气过程。曲线3可看成没有吸入空气加热的换气过程。曲线2表示仅有进气流动阻力的换气过程。根据此图可了解影响充气系数的有关因素。进气流动阻力的影响（影响pa）由于进气流道存在流动阻力，产生压降APa，所以进气结束时缸内压力Pa=p0-Apa。从流体力学得知：Ap=K•竺 （1-4-9）af2式中：n 油机转速；f一气阀通道截面积；K 匕例系数。可见，要提高。v，必须减小△〈，要求尽可能增大进气通道截面积f。因此，中、大型四冲程柴油机普遍采用多（2甚至3）个进气阀结构。而且由于降低进气流动阻力匕降低排气流动阻力对提高°v更为有效，柴油机往往尽可能增大进阀直径，使进气阀直径大于排气阀直径，以达到提咼°V的目的。图1-4-12中曲线2与曲线1之间的差距就是单单由于进气流动阻力导致的°V下降。随着转速的升高，△p增大，°下降。图还表明，除非在很低的转速下，由进气流动阻力造aV成的°v下降占有主要的份额。它是影响°v的主要因素。因此，运行管理应注意经常保持进气系统的清洁，以减少流动阻力。进气过程结束时气缸内气体温度（T）的影响在进气过程中，由于壁面对空气的加热、与残留废气的混合以及进气动能部分转变为热能等原因，使吸入新鲜空气温度升高，导致°v的下降。当柴油机负荷增大，喷油量增加，循环的平均温度升高，气缸壁温升高，°有所下降。当柴油机转速增加时，进气与壁面接1V触时间减少，壁面传给进气的热量减少。图1-4-12曲线3与曲线4之间的差距就是纯粹由于壁面传给进气热量导致的°v下降。进气过程结束时气缸内气体温度有所升高对°」勺影响较小，是影响°v的次要因素。剩余废气系数Y的影响r当换气终了时气缸内的剩余废气系数匕r增加，则吸入气缸的新鲜空气减少，从而使°v下降。如排气背压增加，将使匕r增加，从而使°v下降。但由于四冲程柴油机的匕r正常工作时很小且变化范围也很小，故实际影响很小。柴油机气阀正时的影响排气阀提前开：排气阀开启初期其通道截面积很小，流动阻力很大。如果排气阀太接近下止点时才开启，提前开启的角度太小，废气排出不畅，会造成活塞上行推出废气消耗的功增大。残余废气量增加，充气系数°v下降。

但排气阀提前开启角也不能太大，否则会使气体膨胀功损失过大。图1-4-13表示不同的排气提前角的影响。排气阀滞后关：排气阀的滞后关一方面使活塞到达上止点时，排气阀仍有足够通道截面，有利于废气的排出；另一方面，由于利用了排气流的惯性，可使废气排得更干净。进气阀提前开：进气阀提前开除了使进气冲程开始时有较大的通道截面，以减少进气阻力，提高nv外，还可形成进排气阀叠开，对燃烧室进行扫气，减少剩余废气量，提高nv。进气阀滞后关：进气阀延迟在下止点后关闭，一方面使活塞在下止点附近时进气阀仍有足够开度，不致因开度不足而使Apa增大。另一方面还可充分利用进气流的惯性而吸入更多空气。图1-4-12中曲线3与曲线2之间的差距，可认为是所选定的气阀正时，主要是进气阀关闭正时的影响。其中在某一转速附近时，这个损失最小。高于这个转速时，进气阀关闭过早，未能充分利用进气惯性；低于这个转速时，进气阀关闭过迟，则造成进气倒流。不同转速下，存在不同的最佳正时。因此要使柴油机的性能达到最佳，运行于不同的转速时，其正时应该是不同的。但常规的气阀启闭控制机构做不到这一点。因此，变速使用的船舶主柴油机，说明书所规定的气阀正时，只是在常用的高转速下才能取得最佳的nv。二冲程柴油机中，进气流动阻力、进气过程结束时气缸内气体温度、剩J余废气系数Yr等因素对nv的影响与四冲程柴油机相似。柴油机排气阀扫气口正时影响到排气阀扫气口的通流能力和扫气气流在气缸中的流向，对n有很大的影响。为了达到在耗费新气尽可能少v的条件下把尽可能多的废气排出缸外，排气阀扫气口正时应符合说明书的规定值，应定期清洁扫气口，以保证扫气气流在气缸中的流向，并减少流动阻力。（3）扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数是评价二冲程柴油机换气质量的指标。扫气效率ns的定义是，换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量g0与气缸内全部气体量G之比，即anG0 G— （1-4-10）sGG+G1+Ya 0 rr扫气系数申的定义是，在一个循环中通过扫气口的全部扫气量Gk与换气过程结束后留sk在气缸中的新鲜空气量G0之比，即1-4-11)扫气过量空气系数％的定义是，每循环通过扫气口的全部扫气量Gk与在进气状态下（p、kksT）充满气缸工作容积V的理论空气量G之比，即1-4-12)1-4-12)9kGV-r=~k9kss二冲程柴油机换气进行得好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面来衡量的。扫气效率％是衡量扫气干净程度的指标。耳s愈大，标志着扫气扫得愈干净。耳s的极限值是1。然而单纯用换气干净程度的指标％来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考虑到空气的消耗。扫气系数P是用S来说明扫气空气消耗的相对量，而扫气过量空气系数Pk则说明扫气空气消耗的绝对量。一般扫气系数申=1.2〜2.0,扫气过量空气系数％=1.0〜1.3。显然，扫气效率耳愈高，扫气系数申skss和扫气过量空气系数％愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善。2．压缩过程实际压缩过程始于进气门关阀（二冲程柴油机是气口或排气门关阀）时刻，而止于燃油开始着火时。它与理想压缩过程有很大差别：（1） 它的开始和终止不是在活塞止点处。（2） 不是绝热过程，气体与缸壁有复杂的热交换。压缩初期气体因其温度低于缸壁温度而被加热，压缩多变指数n1大于绝热指数k。由于压缩，气体温度逐渐上升，至某一时刻与缸壁温度相等，达到瞬时绝热，n1=k0以后，气体温度超过缸壁温度，气体对缸壁放热，n1<k。故实际压缩过程是一个数量和方向均在改变的热交换过程，即指数变化的多变过程。一般情况下实际压缩终点的温度较绝热压缩至此点的温度低，总的说来是缸内气体向缸壁放热。（3） 工质不是理想气体，而是实际空气与残余废气的混合物，其性质和数量也在变化。因为工质比热随其温度上升而加大，故k减小；漏气减少了工质数量；压缩过程末期有了燃油喷入，部分燃油蒸发并与空气发生预反应，亦改变了工质的数量和成分。实际压缩过程的多变指数是变化的，相当复杂。为了衡量压缩过程中缸内气体和缸壁之间热交换的总效果，可用简化参数，即以一个指数不变的压缩过程代替实际的变指数压缩过程，而令两个过程的起点状态参数p、T和终点状态参数p、T相同，或p、T及两个过程aaccaa的压缩功相同。这样取代，比较重要的终点状态参数和压缩功就相同或基本相同。由此得出的多变指数等价压缩多变指数竹。n1主要和压缩过程中的散热情况有关：气体向缸壁散热多，竹值小，反之则n1值大。各类柴油机的n1值如下。可见n1基本上小于1.4,说明在压缩过程中，从总效果来看是气体向散热缸壁。高速柴油机（非增压，活塞不冷却）n1=1.38〜1.42高速柴油机（增压，活塞冷却） n1=1.28〜1.37中速柴油机（增压，活塞冷却） n1=1.35〜1.37低速柴油机（增压，活塞冷却） n1=1.30〜1.37各种柴油机的p、T值见表1-3-2。cc表1-3-2各种柴油机的pc、Tc、pb、Tb值机 型p(MPa) ^-G ： " 2G T(K) G —g_i-b b-： pb(MPa)T(K) b 非增压，高速3.00〜5.00750~10000.30〜0.601000~1200非增压，低速0.25~0.35900~1000增压，四冲程4.50〜9.00850~11000.60~1.001000~1200增压，二冲程0.40〜0.701000~1200压缩比£是一个对柴油机性能有很大影响的重要结构参数，它直接影响着柴油机的经济性、机械负荷以及起动性能。（1）对经济性的影响。在实际柴油机中，£在一定范围内提高，可使经济性提高，但过高反而可能使经济性下降。£提高，如图1-4-7所示q加大（但£大于12以后q的加大速度减慢)，压缩终点压力、温度增高，燃油的滞燃时间短，燃烧加快，这些均能改善经济性。但p和p随之提高，摩擦损失增加，过大的£还会导致燃烧室高度太低，不利于燃烧。上述影cz响又会使经济性变差，严重时最终的经济性反而下降。故只是在某个适当的8时经济性最好。对机械负荷的影响。提高£,p、p增加，柴油机承受的机械负荷加大。因此，机cz械负荷限制了8的上限。增压柴油机的发展，由于增压压力不断提高，为避免最高爆发压力过高，设计采取的措施之一就是降低s(10〜12),甚至出现8为7〜9.5的低压缩比柴油机。近e e年来，燃油价格上涨，对柴油机经济性有更高要求。因此不断改进柴油机设计，使柴油机能承受更高的机械负荷，柴油机的最高爆发压力越设计越高，8也提高。对起动性能的影响。从燃油的可靠自燃，良好燃烧和保证冷起动来看，8不能太低，限制了压缩比的下限。因为如pc过低，无法为冷起动创造必要的条件。柴油机拆装和修理后，应注意保证达到说明书规定的压缩比。各类柴油机的8范围是：非增压柴油机四冲程、小型高速、分隔式8=17〜22四冲程、小型高速、直喷式8=15〜19四冲程、中型中速 8=14〜16增压柴油机四冲程、中型中速 8=11.5〜14.5e二冲程、中高速 8=12.5〜15.5e二冲程、大型低速 s=10.5〜12.5e3．燃烧过程燃烧是一种放热化学反应，其结果不仅使工质成分变化，且释放出燃油含有的化学能，转化为工质内能，使其温度升高。实际燃烧过程与加热过程的区别为：1)由于燃油喷射和燃烧并非瞬时完成，活塞又在运动，故燃烧是在压力、容积都在改变的情况下进行，放热规律很复杂。(2)燃烧包含了极为复杂的物理、化学过程，工质的成分、性质都有改变，且还有许多中间产物产生。(3)工质因燃烧和漏气，数量发生变化。存在工质向缸壁的散热。关于燃油喷射和燃烧将在第〖五〗【四】章中论述，本节仅论述燃烧热化学和热力学问题。柴油机燃料的化学成分主要是碳、氢、氧元素，常用重量百分比(符号相应为C、H、O)表示其含量。若忽略其他含量少的元素，则有：1-4-13)C＋H＋O=11-4-13)一般C=0.855〜0.865,H=0.125〜0.135,其余为0。燃料的燃烧是其中可燃元素碳、氢同空气中的氧激烈化合的氧化反应，按氧化程度可分为两类：一类是完全燃烧，碳和氢得到完全氧化，燃烧产物为最终产物CO2和h20；另一类为不完全燃烧，碳和氢的氧化不充分，燃烧产物除CO2和H2O外，还有不完全燃烧产物，如CO、C-H(碳氢化合物)和游离碳等。不完全燃烧时，燃料的一部分化学能没有转变为热能，随废气排出而造成能量损失，放出的热量比完全燃烧时的少。因此，应创造条件使燃料在气缸内完全燃烧。燃烧过程热化学主要说明燃烧过程的一些数量问题，以1kg燃料为基础。这里，只研究完全燃烧的情况。1）完全燃烧1kg燃料的理论空气需要量按化学反应方程式算得的1kg燃料完全燃烧时所需的空气量称理论空气需要量，符号为L0（kmo1/kg燃料）或L0'（kg/kg燃〖烧〗【料】）。它是lkg燃料完全燃烧时所需的最低限度空气量。按碳和氢氧化反应方程式，考虑1kg燃料中已含有Okmol氧，以及空气中的氧和32氮的体积百分比分别近似为0.21和0.79，得到（CHO）+—4 32丿O）一+一-一4 32丿若取C=0.86，H=0.13，O=0.01则有：L0=0.495（kmol/kg燃料）L0'=14.3（干空气）kg/kg燃料）或14.5（湿空气）（kg/kg燃料）湿空气按标准环境状况（大气压力0.1MPa,环境温度25°C，相对湿度30%）考虑。2） 完全燃烧1kg燃料的实际供给空气量在实际柴油机中，若按理论空气需要量向气缸提供空气，并不能保证燃料完全燃烧。这是由于柴油机的燃料与空气混合是在气缸内进行，混合时间很短，加上结构上的限制，燃料雾化后不可能在燃烧室内均匀分布，故燃料与空气混合不均匀。为了保证完全燃烧，应该使实际供入气缸的空气量L或L'多于理论空气需要量，即：L>Lo,L'>Lo'3） 燃烧过量空气系数对1kg燃料而言，实际供给的空气与理论空气需要量的比值称燃烧过量空气系数a。即：a=—或a=土 （1-4-16）L0 L0'故L=aL0（kmo1/kg燃料）或L'=aL0'（kg/kg燃料）显然，柴油机在正常工况时a总是大于1。如果每循环喷入的燃油重量为Gf（kg）,空气分子量为巴，贝I」：L=斗或L、=2 3卩G Gaff10.21(1228.93(CH0.21112kmol/kg燃料)kg/kg燃料）所以，1-4-14)1-4-15)1-4-17)G或Ga=oa= o—卩GL GL'af0f0增压柴油机的Gk〉G0，而测定G0很困难。故有时采用总过量空气系数aT这样一个参数,

k0 0 T其定义为：a=G （1-4-18）TGL'f0显然'aTsa是一个很重要的燃烧过程性能指标和工作参数，它对性能的影响表现在：（1） 作为指标反映气缸容积的利用程度和燃油与空气的混合质量。不同类型柴油机!值不一样，小缸径高速机，力求动力性好，设计时追求a值小。极力追求燃烧组织得好一一同样的空气燃尽可能多的油。当每循环充入气缸的空气量一定时，a小，意味着每循环能燃烧的油量多，发出的功率也大。（2） 作为参数对经济性的影响。a加大，空气量相对增多，燃烧较完全与及时，可改善经济性。但a太大（例如超过2.7以上）时再继续增加，则因混合气的浓度过低，燃烧温度降低，速度〖很〗【变】慢，后燃增加，排气带走热量相对增加，燃油消耗反而增加。（3） 与柴油机的热负荷和排气成分有关。a减小，每循环燃烧的油量增多，循环平均温度、最高燃烧温度和排气温度提高，热负荷增加。而废气中NO的含量因T提高而加多。xmaxa与柴油机的形式、尺寸、增压程度、转速和燃烧室形式有关。从提高柴油机的强载度出发，希望a值能够较小，但非增压小型高速柴油机受燃烧完善程度的限制，增压中、低速柴油机受热负荷、燃油消耗率及废气中NO含量的限制。X在一般的运行管理中，应力求增加进入气缸的新鲜空气量，以增大a。各类柴油机的a值如下：非增压柴油机四冲程，小型高速，直喷式a=1.3亠1.7四冲程，小型高速，分隔式a=1.2亠1.6四冲程，小型高速，油膜式0=1.1亠1.5增压柴油机四冲程，高速，直喷式a=1.6〜2.0四冲程，高速，预燃室式a=1.4〜1.6四冲程，中速a=1.7〜2.1二冲程，中、低速a=1.9〜2.6应指出，上述数据是标定工况时对整个气缸空间、并按时间的平均值。实际上，工况变化时a会随之改变，如负荷减小，a加大。气缸内燃油与空气混合不均匀，燃烧室各部位的