内燃机原理第二章4h

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=mRT②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: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2－2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2－2无中冷脉冲涡轮增图2—3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

z—b为气缸中的绝热膨胀过程；b—g为涡轮中的绝热膨胀过程；g—a‘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‘abga‘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k—a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（2－4）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（2－4）即可得：

（2－4'）定压涡轮增压内燃机理想循环如图2－4所示，图2－4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:（2－5）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：（2－5`）2－3内燃机理想循环热效率如图2－5所示，图2－5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：（2－6）式中利用绝热循环、等容循环、等压循环过程，确定Q2’和Q2’’中的Tg、Ta’、Tk于是内燃机理想循环的热效率为：（2－7）式（2－7）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，（2－7）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Pk=0.2MPa时，空气冷却后的温降△T＝30K,而ηt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：①当达到最大时，导致ηt达最大。此时代入（2－7）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。②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（2－7）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πk<2.5时，常采用脉冲涡轮增压，

πk>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。③当最小时，即πT＝1，而πk

>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’d1b1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’

c1ctct’

。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”

<cz’.初膨胀比减少，损失了cz1”z1。

②后燃当接近z1’点时，氧浓度降低，使燃烧速度下降，在膨胀线e点还在燃烧。这就是后燃现象。e点的位置取决于混合气形成的完善程度，供油规律，过量空气系数的大小及发动机的转速等因素。一般好的情况下在上止点后40℃A～70℃A，也可能拖延到排气门打开。后燃是在后膨胀比较小的情况下进行的，所以损失了z1z1’ez1,。③不完全燃烧由于混合气形成不良引起不完全燃烧，使燃料热值未充分利用，使燃烧膨胀线下移,。

（6）

漏气损失理想循环中工质质量不变。实际循环中，气门，活塞环处有泄露，一般约为总量的0.2%。

上面已就实际循环与理论循环的差异做了一般性的比较，下面将继续讨论压缩，膨胀过程，燃烧与换气过程将在后面的章节详细论述。

一.压缩过程理想循环中，压缩过程始于下止点，止于上止点，是一个等熵过程，在整个过程工质数量与比热无变化，与周壁无热交换。实际循环中，压缩过程始于下止点后一定角度（进气门完全关闭，为使多进气），结束于上止点前燃油着火时止（提前喷油，因为燃烧有一定滞后），存在失效行程，它是一个多变过程，有泄露，比热有变化，与周壁有热交换。（1）

压缩过程的作用：①扩大了工作循环的温度范围②使循环的工质得到更大的膨胀比，可对活塞多作功。

③提高了工质的温度压力，为冷起动及着火创造了条件。

（2）

压缩比压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数，定义为压缩始点容积比上压缩终点容积，即，对不同类型的

发动机有不同的要求。理论上，希望越大越好。实际上对有一定的限制。原因如下：①的上限a.对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条件及燃烧室结构等因素。b.对压燃式发动机（如柴油机）,上限受到机械负荷Pc、Pz，噪声、排放（温度高,NOX上升；高温下CO2分解形成CO）的限制。当上升到一定程度时，上升的程度明显减少，太高反而得不偿失。②的下限a.

对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使高些。

b.对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。实际上为便于起动，比这一要求的温度还应高些。这是因为：提高燃烧柔和。Tc

↑改善冷起动性能,一般比自燃温度高200-300k一般分开式燃烧室的内燃机以及小缸径内燃机均应有较高的压缩比。化油器式汽油机6.5～11.0煤气机6～10非增压柴油机16～22（直喷式16～18，间喷式18～23）增压柴油机11～17

（3）多变压缩指数实际循环中，压缩过程是一个多变过程，其压缩多变指数在整个压缩过程中是变化的。

工质受热

，n1>k1，工质放热，n1<k1

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，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，,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，，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。

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。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1.32~1.39水冷汽油机 1.36～1.39风冷汽油机 1.39～1.42(因为Qw↓→n1↑)煤气机 1.37～1.39非增压柴油机 1.35～1.40(活塞冷却)增压柴油机 1.32～1.37(因为Ta↑

→Qw↑→

n1↓

）(活塞冷却)

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tn↓→向气缸壁的传热量Qw↓漏气量↓→(2)负荷pt↑→pt↑→周壁温度→工质向周壁传热量Qw↓→(3)

气缸尺寸↑→气缸尺寸↑→面容比↓→工质向周壁传热量Qw↓→(4)

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。(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Ta↑→工质向周壁传热量Qw↑→如：增压机n1<非增压机n1

二、燃烧过程

在理想循环中，燃烧是在等容与等压下进行的，不存在损失。在实际循环中，由于燃烧需要进行一定的时间，需提前供油，燃烧速度也不均匀（有急燃、缓燃），且与活塞运动不同步。另外，存在缺氧和高温分解，造成燃烧滞后（不及时），后燃，不完全燃烧。在图上反映是圆弧线。

三、膨胀过程

1.

作用：膨胀过程是内燃机的作功过程。一部分热能转变为机械能。

2.

差异：在理想循环中，膨胀过程为绝热等熵过程。在实际过程中是一个多变过程：①膨胀过程的前阶段是以燃烧,缓燃和后燃为主的过程，后一阶段才是以工质膨胀为主的热力过程。②膨胀过程中不仅放出热量，也改变了工质的成分和数量；还发生高温分解产物的重新化合；工质向周壁有传热，传热强度不断变化；存在漏气；比热变化。

3.膨胀多变指数

n2膨胀过程不是绝热过程，多变指数n2是变值。在膨胀过程中，工质受热dQ>0，n2<k2 工质放热dQ<0，n2>k2

图2-8柴油机膨胀过程曲线示意图zz1：膨胀初期，后燃较多，过程接近等温过程，n2≈1。z1z2：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zz1,少，所以n2<k2。

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，发出的热量小于工质向缸壁的传热量,工质放热dQ<0，n2>k2。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