第3章内燃机的工作循环.ppt

1、第三章 内燃机的工作循环,第一节 内燃机的理论循环 第二节 内燃机的燃料及其热化学 第三节 内燃机的实际循环 第四节 内燃机循环的热力学模型,第一节 内燃机的理论循环,一、研究理论循环的目的 用简单公式阐明热力学参数间关系，明确提高循环效率和平均压力的途径； 确定循环效率的极限，判断实际内燃机经济性和工作过程进行完善程度及改进潜力； 有利于比较各种热力循环的经济性。,第一节 内燃机的理论循环,二、理论循环假设 工质是理想气体，其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同； 工质在闭口系统中作封闭循环； 工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程； 燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向工质加热，工质放热为定容放

2、热。,第一节 内燃机的理论循环,三、理论循环 定容（Otto）循环：汽油机按等容循环工作，燃烧速度高，简化为Otto循环。 等压（Diesel）循环：低速柴油机，高增压柴油机，受缸内最高压力限制，燃料大部分在上止点后燃烧，简化为Diesel循环。 混合循环：高速柴油机，燃料部分在上止点附近燃烧，部分在上止点后燃烧，简化为混合循环。,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 混合循环,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 定容（Diesel）循环：,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 定压循环 ：,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 式中：

3、 压缩比， 气缸总容积 气缸压缩容积 压力升高比 ， 预胀比 ，,第一节 内燃机的理论循环,四、循环热效率与平均压力 式中： 等商指数 后胀比，,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 压缩比 压缩比增加，三个循环的热效率增加。压缩比增加，温差及膨胀比增加，热效率增加； 由TS图知，加热量一定，压缩比增加，放热量减少，由热效率公式知，热效率增加。 柴油机压缩比增加，主要考虑冷起动，但热效率增加已经很少；但汽油机压缩比增加，热效率增加很大。但压缩比大于12后，热效率上升已经很慢。,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 等熵指数 空气的等熵指数为1.4，燃料与空气混合气的等熵指数小于1.

4、4，混合气稀，等熵指数增大，热效率增加。,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 压力升高比 定容循环： 由公式知：加热量增加，压力升高比增加，循环平均压力增加； 循环热效率不变。 混合循环： 压缩比与加热量一定，压力升高比增加，循环热效率增加。,第一节 内燃机的理论循环,五、理论循环分析 预胀比 定压循环： 由公式知：加热量增加，压力升高比增加，循环平均压力增加； 后加入热量膨胀不充分，排给冷源损失 。 混合循环： 压缩比与加热量一定，预胀比增加，循环热效率下降。,第一节 内燃机的理论循环,六、比较 加热量、初始下一定，压缩比相同，比较三种循环热效率的大小。 放热量等容加热循环最小，混合

5、循环居中，等压循环最大； 等加热循环热效率最大，混合循环居中，等压循环最小。 加热量一定，初始一定，最高压力一定，比较三种循环的热效率的大小。 放热量等容加热循环最大，混合循环居中，等压循环最小； 等容加热循环热效率最小，混合循环居中，等压循环最大。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,一、内燃机的燃料 （一）石油燃料 1、组成与性质 内燃机传统燃料，汽油与柴油，石油产品，主要成份有碳、氢两种，占9798%，还含少量的硫、氧、氮等，微量砷、钠、钾、钙等。 石油产品以多种碳氢化合物的混合物形式出现，分子式为CnHm，称为烃。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（1）碳原子数对燃料性质的影响 从石油气、

6、汽油、煤油、轻重柴油到渣油，随碳原子数的增大，沸点逐渐升高，相对分子量逐渐增大，质量变重，挥发性变差，粘度增大，化学稳定性变差，自燃性变好，点燃性变差。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（2）分子的化学结构对燃料性能的影响 1）烷烃CnH2n+2 正构物，饱和的开式链状结构。常温下化学性质稳定，不易变质，高温下易分解（着火），而且碳链越长越易着火，是柴油的组成部分。 异构物，比正构物分子结构紧凑，高温下不易氧化（不易着火），汽油中的组成部分。 2）烯烃CnH2n 不饱各开链结构，有一个双键，常温下化学不稳定，保存期长，易产生胶质。 高温下，不易着火，比烷烃抗爆性好，热裂汽油中含成份较多。 3）

7、环烷烃CnH2n 饱各的环状分子结构，不易分裂，热稳定性和发火温度比直链烃高，适于作汽油机燃料，不宜作柴油燃料。 4）芳香烃CnH2n-6 基本化合物是苯，所有芳香烃都有苯基成分，分子结构坚固，热稳定性比其它烃都高，高温下不易发火，是良好的抗爆剂，直馏汽油中含量较少。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,2、石油燃料的炼制 1）直馏法： 石油蒸馏与凝结 40205 馏出汽油 占石油的2540% 130300 煤油 250350 柴油 350500 润滑油 500以上 重油 2）热裂法： 重油加温、加压、400以上高分子量成份裂解成低分子量的成分，因大分子的重烃含氢少，分裂后产生的轻分子烃中，含有不

8、饱合烃。 3）催化裂化法： 重油加温、加压、催化剂催化剂使加温较低，气态含量较少，可使烷烃脱氢、环化形成芳香烃，品质高。 此外，还有加氢、异构化、迭合、芳构化等石油加工工艺，生产高级汽油。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,3、柴油与汽油的理化性质 （1）柴油的理化性质 1）低温流动性：用凝点评价 凝点：温度再下降，失去流动性，凝固。我国的柴油用凝点编号。 2）雾化性：用粘度评价 粘度：燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性，影响柴油的喷雾质量。 粘度大，不易雾化 粘度小，易雾化 3）蒸发性 50%馏出温度：平均蒸发性，低蒸发性好，喷入后能迅速蒸发、混合，有助于燃烧； 90%和95%馏出

9、温度：表示柴油难于蒸发的重馏分的数量，高不易蒸发，与空气混合不均匀，冒烟。 一般情况下： 涡流室、予燃室可以燃用较重馏分的柴油，并且馏程可宽 直喷式柴油机希望燃用轻馏分柴油，馏程窄,第二节 内燃机的燃料及其热化学,4）发火性： 用十六烷值评价 柴油机要求燃料发火性好，着火落后期短，而汽油机则要求着火落后期长。 评定柴油发火性用CFR单缸试验机。 标准燃料 正十六烷易着火，十六烷值为100 甲基萘不易着火，十六烷值为0 不同比例混合便得到十六烷值从0到100的各种标准混合燃料。当所测柴油与配制的标准燃料发火性相同时，则标准燃料中含16烷的容积百分数即为该燃料的十六烷值。 十六烷值高的柴油，着火温

10、度低，着火落后期短，适合高速柴油机，但增大十六烷值，将带来燃料分子量加大，使燃油的蒸发性变差、粘度增加，导致排气冒烟加剧及燃油经济性下降。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（2）汽油的理化性质 1）馏程 10%馏出温度标志起动性 起动时 车速低、雾化不好 壁面温度低、汽油挥发少 一般关闭阴风门，这时供给浓混合气，只有10%左右汽油蒸发就能顺利起动。 10%馏出温度，越低越易起动，但太低易形成气阻。 50%馏出温度表明平均蒸发性，与暖车、加速、稳定性、分配均匀性等有关。 90%馏出温度表明难挥发的重成分的数量。 90%馏出温度越高，重馏分多，易冒烟、积碳、沿缸壁流入曲轴箱稀释机油，故不能太高。,

11、第二节 内燃机的燃料及其热化学,2）抗爆性用辛烷值评价 辛烷值在CFR单缸机上测定，被测燃料改变压缩比产生爆震。 异辛烷（辛烷值为100）+正庚烷（辛烷值为0）。标准燃料同样的压缩比产生同样程度的爆震，则标准燃料中含辛烷的体积百分数即为被测燃料的辛烷值。 为提高辛烷值，用抗爆剂：四乙铅与溴乙烷的混合物。但由于该添加剂含铅量高，对人体及环境危害较大，同时还会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐被淘汰。 目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先进的炼制工艺及使用高辛烷值的调和剂，如加入甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚或醇类燃料等。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,二、燃烧热化学 （一）理

12、论空气量1kg燃料完全燃烧时必须的最低空气量。 1kg燃料中含有gckgC，ghkgH，gokgO： gc+gh+go=1kg C + O2 CO2 1kmol 1kmol 1kmol 1komlC=12kgC，则： 1kg 1kmol /12 1kmol/12 gckgC gckgC+gckmol O2 /12=gckmolCO2/12 H2 + 1 O2 /2 CO2 1kmol 1kmol/2 1kmol 1koml H2=2kg H2 ，则： 1kg 1kmol /4 1kmol/2 ghkgH ghkgH+ghkmol O2 /4=ghkmolH2O/2 则1kg燃料完全燃烧需要O2

13、为： gc/12+gh/4-go/32 kmol 空气按体积计， O2占21%，N2占79%，按质量计， O2占23%， N2占77%，需要空气：,第二节 内燃机的燃料及其热化学,燃料，同样： 燃料,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（二）燃烧前后工质摩尔数变化及理论分子变化系数 1、 a1，完全燃烧 （1）燃烧前摩尔数 M1=aL0 kmol/kg燃料，柴油机 M1=aL0 +1/MrT kmol/kg燃料，汽油机 MrT 燃料相对分子质量,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（2）燃烧后摩尔数（kmol) kmol,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（3）燃烧前后工质摩尔数的增量 柴油机： kmo

14、l/kg,第二节 内燃机的燃料及其热化学,汽油机： kmol/kg,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（4）理论分子变化系数可燃混合气燃烧后的摩尔数与燃烧前摩尔数之比。 柴油机 汽油机,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（三）实际分子变更系数 燃烧前气缸中工质总量为：M1= M1 + Mr 燃烧后气缸中工质总量为：M2= M2 + Mr 式中：Mr残余废气质量 则实际分子变更系数：,第二节 内燃机的燃料及其热化学,式中：r残余废气系数,第二节 内燃机的燃料及其热化学,（四）燃料与混合气热值 燃料热值：1燃料完全燃烧所放出的热量。分高热值与低热值，内燃机中为低热值。,第二节 内燃机的燃料及其热化学,

15、混合气热值 kJ/kmol a=时，称为理论混合气热值。,第三节 内燃机的实际循环,一、进气过程：ra 1、作用：吸入新气，为加入Q1作准备。 2、特点： PaP0 克服进系统阻力 TaT0 缸内残余废气加热 进气受热 高温机件加热 汽油机进气予热，燃油蒸发吸热 3、参数： 柴油机 汽油机 Pa (0.850.95) P0 (0.80.9) P0 化油器阻力增加， Pa 下降 Ta 300340K 340380K 汽油机进排气管同侧布置，进 气预热增加， Ta 增加,第三节 内燃机的实际循环,二、压缩过程：ac 1、作用：扩大温差 增加膨胀比 为燃烧创造有利条件: 柴油机压燃， Tc 着火温度

16、 汽油机温度及密度增加火焰传播速度 增加压力升高比增加循环热效率增加 2、压缩比： 汽油机：710，压缩比增加循环热效率增加，受爆震限制 柴油机：1422，保证着火 3、特点：多变过程 PVn1=const 为计算方便，n1取平均， n1的确定，保证在压缩始点和终点的状态与实际相符即可。使工质温度增加的因素都使n1增加。 n1范围： 柴油机：1.381.40 柴油机压缩的是空气，两原子气体 汽油机：1.321.38 汽油机压缩的是混合气，多原子气体,第三节 内燃机的实际循环,4、压缩终了参数 Pc=Pan1 Tc=Ta n1-1 Pc与Tc范围： 柴油机 汽油机 Pc （MPa ） 35 0.

17、82 柴油机大 Tc （K） 7501000 600750,第三节 内燃机的实际循环,三、燃烧过程：cz 1、作用：燃料化学能工质热能使压力温度增加，即加入Q1 2、要求：燃烧完全、及时（越靠近上止点，热效率越高） 汽油机：均匀混合气，传播式燃烧，接近等容 柴油机：开始燃烧较快，接近等容，后面边喷油、边混合、边燃烧，接近等压，定容+定压 3、参数： Pz（MPa） Tz（K） 汽油机 36.5 22002800 柴油机 4.59 18002200 柴油机大 柴油机a大,第三节 内燃机的实际循环,四、膨胀过程：zb 作用：热向功转换，膨胀比越大，热效率越高 特点：多变过程，PVn2=const，

18、比压缩过程复杂，除热交换外，还有补燃，工质高温分解等。 一般用平均多变指数n2来代替，只要n2使始点与终点的状态与实际相同即可。 范围： 汽油机 柴油机 1.231.28 1.151.28 柴油机补燃多 3、参数 汽油机：Pb=Pz/n2 Tb=Tz /n2-1 柴油机：Pb=Pz/n2 Tb=Tz / n2-1 参数： Pb（MPa） Tb（K） 柴油机： 0.20.5 10001200K 柴油机大 汽油机： 0.30.6 12001500K,第三节 内燃机的实际循环,五、排气过程：br 1、作用：清除废气，放出Q2为下一循环作准备 2、特点：PrP0，克服排气系统阻力 Pr ： Pr大，说

19、明留在缸内残气多 Tr ：一般为检查内燃机工作状态的参数， Tr下降，工作过程好。 3、参数 柴油机 汽油机 Pr （1.051.2） P0 Tr 700900K 9001100K,第三节 内燃机的实际循环,六、实际循环与理论循环的差别 1、工质的质和量不是常数 比热容的影响。 2、传热损失 3、更换工质损失。 换气损失。 4、燃烧损失 燃烧速度的影响 后燃及不完全燃烧损失,复习思考题,理论循环与实际循环有何区别？研究理论循环的目的何在？ 内燃机理论循环有几种？各由哪些热力过程组成？怎样计算它们的循环热效率和循环平均压力？ 试述影响理论循环热效率和循环平均压力的因素？ 如压缩比和加热量相同，试

20、用T-S图比较三种理论循环的热效率。 当加热量和最高压力相同时，试用T-S图比较三种理论循环的热效率。 当柴油机的喷油提前角不变，而减少供油量时，试从理论循环和实际循环说明柴油机经济性的变化。 在理论混合加热循环中，当加热量、压缩比、大气温度不变而压力升高比和予胀比改变时，热效率如何改变？试用P-V图，T-S图说明之。 为什么理论循环的热效率远大于实际循环的效率？ 试述烷烃、环烷烃、烯烃和芳香烃的化学结构和着火特性。,复习思考题,什么叫汽油的辛烷值？如何测定？它代表汽油的什么特性？汽油的牌号是根据什么定的？ 何谓汽油的馏程？简要说明10%馏出温度，50%，90%馏出温度对汽油机性能的影响。 我

21、国柴油的牌号是如何规定的？如何选用柴油？ 何谓柴油的十六烷值？如何测定？ 何谓燃料的热值？何谓高热值和低热值？内燃机为什么使用低热值。 液体燃料的理论空气量如何计算？ 液体燃料燃烧时，燃烧产物中应包含哪些成份？如何计算？ 汽油机为什么在过量空气系数小于1时，才能发出最大功率？这时的燃烧产物中出现什么成分？ 酒精的低热值比汽油低得多，为什么在过量空气系数为1时，两者的混合气热值都差不多？ 何谓发动机的压缩比？简要说明汽油和柴油机如何选择压缩比。,复习思考题,比较柴油机与汽油机工作过程参数压力和温度的不同点，并说明为什么？ 比较汽油机柴油机的充气效率、机械效率、指示效率的大小及范围。 何谓放热规律与燃烧规律？如何计算？ 已知汽油的质量成分为gC = 0.