內(nèi)燃機學(xué)2、循環(huán)

1、內(nèi)燃機的工作循環(huán)內(nèi)燃機的工作循環(huán)內(nèi)燃機的基本概念內(nèi)燃機的基本概念內(nèi)燃機的循環(huán)內(nèi)燃機的循環(huán)內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機的基本概念v內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念v內(nèi)燃機的指示指標內(nèi)燃機的指示指標v內(nèi)燃機的有效指標內(nèi)燃機的有效指標v平均有效壓力的計算平均有效壓力的計算v內(nèi)燃機的強化指標內(nèi)燃機的強化指標v 內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念工作循環(huán)工作循環(huán)上止點和下止點上止點和下止點曲柄半徑和活塞行曲柄半徑和活塞行程程氣缸工作容積和發(fā)動機排量氣缸工作容積和發(fā)動機排量壓縮比壓縮比發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和特發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和特性性發(fā)動機示功圖發(fā)動機示功圖v 內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念工作循環(huán)工作循

2、環(huán)上止點和下止點上止點和下止點曲柄半徑和活塞行曲柄半徑和活塞行程程氣缸工作容積和發(fā)動機排量氣缸工作容積和發(fā)動機排量壓縮比壓縮比發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和特發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況和特性性發(fā)動機示功圖發(fā)動機示功圖v 內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念發(fā)動機示功圖發(fā)動機示功圖v 要研究內(nèi)燃機的動力性能和經(jīng)濟性能，應(yīng)首先對要研究內(nèi)燃機的動力性能和經(jīng)濟性能，應(yīng)首先對內(nèi)燃機一個工作循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的質(zhì)和量兩方面加內(nèi)燃機一個工作循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的質(zhì)和量兩方面加以分析。以分析。v 從示功圖可以觀察到內(nèi)燃機工作循環(huán)的不同階段從示功圖可以觀察到內(nèi)燃機工作循環(huán)的不同階段（壓縮、燃燒、膨脹）以及進氣、排氣行程中的壓（壓縮、燃燒、膨脹）以及進

3、氣、排氣行程中的壓力變化，通過數(shù)據(jù)處理，運用熱力學(xué)知識，將它們力變化，通過數(shù)據(jù)處理，運用熱力學(xué)知識，將它們與所積累的試驗數(shù)據(jù)進行分析比較，可以對其工作與所積累的試驗數(shù)據(jù)進行分析比較，可以對其工作的完善程度進行分析。的完善程度進行分析。v 內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念發(fā)動機示功圖發(fā)動機示功圖v 要研究內(nèi)燃機的動力性能和經(jīng)濟性能，應(yīng)首先對要研究內(nèi)燃機的動力性能和經(jīng)濟性能，應(yīng)首先對內(nèi)燃機一個工作循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的質(zhì)和量兩方面加內(nèi)燃機一個工作循環(huán)中熱功轉(zhuǎn)換的質(zhì)和量兩方面加以分析。以分析。v 從示功圖可以觀察到內(nèi)燃機工作循環(huán)的不同階段從示功圖可以觀察到內(nèi)燃機工作循環(huán)的不同階段（壓縮、燃燒、膨脹）以及進

4、氣、排氣行程中的壓（壓縮、燃燒、膨脹）以及進氣、排氣行程中的壓力變化，通過數(shù)據(jù)處理，運用熱力學(xué)知識，將它們力變化，通過數(shù)據(jù)處理，運用熱力學(xué)知識，將它們與所積累的試驗數(shù)據(jù)進行分析比較，可以對其工作與所積累的試驗數(shù)據(jù)進行分析比較，可以對其工作的完善程度進行分析。的完善程度進行分析。v 內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念內(nèi)燃機的基礎(chǔ)概念溫度圖示例溫度圖示例內(nèi)燃機的性能指標內(nèi)燃機的性能指標u動力性能指標動力性能指標功率功率轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速燃油和潤滑油消耗率燃油和潤滑油消耗率冷起動性能、噪聲和排氣性能冷起動性能、噪聲和排氣性能大修或更換零件之間的最長運行時間大修或更換零件之間的最長運行時間無故障長期工作能力無故障長期工作

5、能力u運轉(zhuǎn)性能指標運轉(zhuǎn)性能指標u經(jīng)濟性能指標經(jīng)濟性能指標u耐久可靠性指標耐久可靠性指標v 內(nèi)燃機的指示指標內(nèi)燃機的指示指標u指示功指示功：氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)而得到的有用功。：氣缸內(nèi)完成一個工作循環(huán)而得到的有用功。u平均指示壓力平均指示壓力：單位氣缸容積一個工作循環(huán)而作的：單位氣缸容積一個工作循環(huán)而作的 指示功。指示功。u 指示功率指示功率：單位時間所作的功。：單位時間所作的功。u指示熱效率指示熱效率：指示功與耗能之比。：指示功與耗能之比。u指示油耗指示油耗：單位指示功的耗油量。：單位指示功的耗油量。v 內(nèi)燃機的指示指標內(nèi)燃機的指示指標u平均指示壓力平均指示壓力：單位氣缸容積一個工作循環(huán)而作

6、的：單位氣缸容積一個工作循環(huán)而作的 指示功。指示功。 平均指示壓力不僅表示熱功轉(zhuǎn)換程度，還平均指示壓力不僅表示熱功轉(zhuǎn)換程度，還表示氣缸容積的利用程度。表示氣缸容積的利用程度。影響因素影響因素增壓度增壓度過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)油氣混合的完善程度油氣混合的完善程度換氣質(zhì)量換氣質(zhì)量燃燒的完善程度燃燒的完善程度平均指示壓力的范圍平均指示壓力的范圍柴油機柴油機四沖程四沖程非增壓：非增壓： 0.60.95MPa 增壓：增壓： 0.852.6MPa二沖程：二沖程：0.60.95MPa 汽油機汽油機二沖程：二沖程：0.40.85MPa 四沖程：四沖程：0.61.4MPa v 內(nèi)燃機的指示指標內(nèi)燃機的指示指標

7、影響因素影響因素u指示熱效率指示熱效率：指示功與耗能之比。：指示功與耗能之比。燃料熱能釋放的好壞燃料熱能釋放的好壞熱能損失的大小熱能損失的大小熱能轉(zhuǎn)化的有效程度熱能轉(zhuǎn)化的有效程度指示熱效率與指標油耗范圍：指示熱效率與指標油耗范圍：biit四沖程柴油機四沖程柴油機 0.410.4 210175二沖程柴油機二沖程柴油機 0.40.48 218177四沖程汽油機四沖程汽油機 0.250.4 344218二沖程汽油機二沖程汽油機 0.190.27 435305v 內(nèi)燃機的有效指標內(nèi)燃機的有效指標指標功率減去機械損失功率。指標功率減去機械損失功率。單位工作容積的有效功。單位工作容積的有效功。一個假想的、

8、平均不變的壓力作用在活塞一個假想的、平均不變的壓力作用在活塞頂上，是活塞移動一個沖程所作的功等于每頂上，是活塞移動一個沖程所作的功等于每循環(huán)所作的有效功。循環(huán)所作的有效功。有效功率有效功率平均有效壓力平均有效壓力有效油耗率有效油耗率 / 有效效率有效效率有效熱效率與有效油耗范圍：有效熱效率與有效油耗范圍：beet低速柴油機低速柴油機 0.380.45 190225中速柴油機中速柴油機 0.360.43 195240四沖程汽油機四沖程汽油機 0.200.30 410274二沖程汽油機二沖程汽油機 0.150.20 545410高速柴油機高速柴油機 0.300.40 215285進氣與燃燒過程的參

9、數(shù)進氣與燃燒過程的參數(shù) 每循環(huán)吸入氣缸的空氣量換算成進氣管狀每循環(huán)吸入氣缸的空氣量換算成進氣管狀態(tài)的體積與活塞排量之比。態(tài)的體積與活塞排量之比。 燃燒燃燒1kg1kg燃料的實際空氣量與理論空氣量燃料的實際空氣量與理論空氣量之比。之比。充量系數(shù)充量系數(shù)過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)平均有效壓力的計算平均有效壓力的計算setmeVQp10lHupasetcme01lHuVHugQasscb0001lVlmlmgasscashcab平均有效壓力的計算平均有效壓力的計算setmeVQp10lHupasetcme01lHuVHugQasscb0001lVlmlmgasscashcab 平均有效壓力平均有效壓力

10、setmeVQp1與其他參數(shù)的關(guān)系與其他參數(shù)的關(guān)系ssetacmeTpLHukp0v 內(nèi)燃機的強化指標內(nèi)燃機的強化指標升功率在標定工況下，發(fā)動機每在標定工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。有效功率。v單位質(zhì)量功率單位質(zhì)量功率v常用的一種強化指標：常用的一種強化指標：PmeVmPmeVmv 內(nèi)燃機的強化指標內(nèi)燃機的強化指標升功率在標定工況下，發(fā)動機每在標定工況下，發(fā)動機每升氣缸工作容積所發(fā)出的升氣缸工作容積所發(fā)出的有效功率。有效功率。v單位質(zhì)量功率單位質(zhì)量功率v常用的一種強化指標：常用的一種強化指標：PmeVmPmeVmv 內(nèi)燃機的強化指標內(nèi)燃機的強化指標升功率

11、提高方法提高方法l 采用二沖程循環(huán)采用二沖程循環(huán)l 增大壓縮比增大壓縮比l 減小過量空氣系數(shù)減小過量空氣系數(shù)l 提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)速l 利用進排氣系統(tǒng)的氣動效應(yīng)利用進排氣系統(tǒng)的氣動效應(yīng)提高動力性能和經(jīng)濟性能的途徑提高動力性能和經(jīng)濟性能的途徑采采用用增增壓壓技技術(shù)術(shù)合合理理組組織織燃燃燒燒過過程程改改善善換換氣氣過過程程提提高高發(fā)發(fā)動動機機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速提提高高機機械械效效率率提提高高升升功功率率內(nèi)燃機的循環(huán)內(nèi)燃機的循環(huán) 內(nèi)燃機的循環(huán)過程內(nèi)燃機的循環(huán)過程 內(nèi)燃機理想工作循環(huán)內(nèi)燃機理想工作循環(huán) 理想循環(huán)與實際循環(huán)理想循環(huán)與實際循環(huán)壓縮過程與膨脹過程壓縮過程與膨脹過程 內(nèi)燃機的壓縮比內(nèi)燃機的壓

12、縮比 內(nèi)燃機的循環(huán)過程內(nèi)燃機的循環(huán)過程汽油機循環(huán)汽油機循環(huán)柴油機循環(huán)柴油機循環(huán)四沖程汽油機四沖程汽油機二沖程汽油機二沖程汽油機四沖程柴油機四沖程柴油機二沖程柴油機二沖程柴油機汽油機循環(huán)汽油機循環(huán)四沖程汽油機循四沖程汽油機循環(huán)環(huán)汽油機循環(huán)汽油機循環(huán)二沖程汽油機原二沖程汽油機原理理柴油機循環(huán)柴油機循環(huán)四沖程柴油機循四沖程柴油機循環(huán)環(huán)柴油機循環(huán)柴油機循環(huán)四沖程柴油機循四沖程柴油機循環(huán)環(huán)柴油機循環(huán)柴油機循環(huán)四沖程柴油機循四沖程柴油機循環(huán)環(huán)單缸柴油機循環(huán)柴油機循環(huán)二沖程柴油機原二沖程柴油機原理理內(nèi)燃機理想工作循環(huán)內(nèi)燃機理想工作循環(huán) 建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上，是以建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上，是以卡諾循環(huán)

13、卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)u 奧托循環(huán)奧托循環(huán)u 狄塞爾循環(huán)狄塞爾循環(huán)u 布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)主要有兩種不利的情況：卡諾循環(huán)主要有兩種不利的情況：1、峰值壓力高、峰值壓力高其結(jié)果增加了機械負荷，需要增強其結(jié)果增加了機械負荷，需要增強發(fā)動機的結(jié)構(gòu)；發(fā)動機的結(jié)構(gòu)；2、比輸出功率低、比輸出功率低因此需要采用大的氣缸排量因此需要采用大的氣缸排量(大的大的發(fā)動機尺寸和重量發(fā)動機尺寸和重量)以達到合用的功率值。以達到合用的功率值。 對任何一種循環(huán)。其最大熱效率產(chǎn)生于當熱源溫度盡對任何一種循環(huán)。其最大熱效率產(chǎn)生于當熱源溫度盡可能最高，而冷源溫度盡可能最低時。因此，可以

14、看出，可能最高，而冷源溫度盡可能最低時。因此，可以看出，卡諾循環(huán)指出了運行在溫度卡諾循環(huán)指出了運行在溫度T1與與T2之間的熱機可能達到之間的熱機可能達到的最高熱效率。的最高熱效率。TTTt)(12卡諾循環(huán)卡諾循環(huán) 卡諾循環(huán)主要有兩種不利的情況：卡諾循環(huán)主要有兩種不利的情況：1、峰值壓力高、峰值壓力高其結(jié)果增加了機械負荷，需要增強其結(jié)果增加了機械負荷，需要增強發(fā)動機的結(jié)構(gòu)；發(fā)動機的結(jié)構(gòu)；2、比輸出功率低、比輸出功率低因此需要采用大的氣缸排量因此需要采用大的氣缸排量(大的大的發(fā)動機尺寸和重量發(fā)動機尺寸和重量)以達到合用的功率值。以達到合用的功率值。 對任何一種循環(huán)。其最大熱效率產(chǎn)生于當熱源溫度盡對

15、任何一種循環(huán)。其最大熱效率產(chǎn)生于當熱源溫度盡可能最高，而冷源溫度盡可能最低時。因此，可以看出，可能最高，而冷源溫度盡可能最低時。因此，可以看出，卡諾循環(huán)指出了運行在溫度卡諾循環(huán)指出了運行在溫度T1與與T2之間的熱機可能達到之間的熱機可能達到的最高熱效率。的最高熱效率。TTTt)(12奧托循環(huán)奧托循環(huán)111kt狄塞爾循環(huán)狄塞爾循環(huán))1(11111kkkt布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán))1(1111kkkt工作循環(huán)的劃分工作循環(huán)的劃分1 1、吸氣、吸氣2 2、壓縮、壓縮3 3、膨脹、膨脹4 4、排氣、排氣理想循環(huán)與實際循環(huán)理想循環(huán)與實際循環(huán)理想循環(huán)與實際循環(huán)理想循環(huán)與實際循環(huán)兩者的區(qū)別兩者的區(qū)別1 1、工質(zhì)

16、不同：實際工質(zhì)成份會變化；、工質(zhì)不同：實際工質(zhì)成份會變化；2 2、換氣損失：存在進排氣提前和延遲換氣損失：存在進排氣提前和延遲 ；3 3、傳熱損失傳熱損失；4 4、燃燒損失燃燒損失；a.燃燒速度有限燃燒速度有限b.后燃及不完全燃燒后燃及不完全燃燒 壓縮過程壓縮過程三三 個個 作作 用用 壓縮過程擴大了工作循環(huán)的溫度范圍。就壓縮過程擴大了工作循環(huán)的溫度范圍。就是說在壓縮過程終點的溫度能使可燃混合氣是說在壓縮過程終點的溫度能使可燃混合氣著火燃燒，使燃燒過程的最高溫度提高，從著火燃燒，使燃燒過程的最高溫度提高，從而提高了工作循環(huán)的熱效率；而提高了工作循環(huán)的熱效率； 壓縮過程使循環(huán)助工質(zhì)得到更大的膨脹

17、比，壓縮過程使循環(huán)助工質(zhì)得到更大的膨脹比，對活塞作更多的功；對活塞作更多的功； 壓縮過程提高了工質(zhì)的溫度和壓力，為冷壓縮過程提高了工質(zhì)的溫度和壓力，為冷機起動及著火燃燒創(chuàng)造了條件。機起動及著火燃燒創(chuàng)造了條件。 壓縮過程壓縮過程1.1.壓縮終點的確定；壓縮終點的確定； 2.2.壓縮多變指數(shù)（壓縮多變指數(shù)（1.281.281.421.42）。）。 caacInVInVInPInPn1壓縮多變指數(shù)的特點壓縮多變指數(shù)的特點n1 1.4: dq 0n1 = 1.4: dq = 0n1 0影響壓縮指數(shù)的因素影響壓縮指數(shù)的因素v 氣缸的尺寸；氣缸的尺寸；v 氣缸壁冷卻程度；氣缸壁冷卻程度；v 燃燒室形式；燃

18、燒室形式；v 轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速；v 負荷；負荷；v 其他一些因素；其他一些因素； 膨脹過程膨脹過程內(nèi)燃機的做功過程內(nèi)燃機的做功過程 在這一過程中，工質(zhì)的部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械在這一過程中，工質(zhì)的部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。在理想循環(huán)中，膨脹過程為絕熱的等熵過功。在理想循環(huán)中，膨脹過程為絕熱的等熵過程，而內(nèi)燃機實際循環(huán)的膨脹過程則是一個比程，而內(nèi)燃機實際循環(huán)的膨脹過程則是一個比壓縮過程更為復(fù)雜的熱力過程，除了在壓縮過壓縮過程更為復(fù)雜的熱力過程，除了在壓縮過程中存在工質(zhì)與壁間的熱交換和漏氣損失外，程中存在工質(zhì)與壁間的熱交換和漏氣損失外，還出現(xiàn)后燃現(xiàn)象和在高溫時被裂解了的物質(zhì)的還出現(xiàn)后燃現(xiàn)象和在高溫時被裂解了的物質(zhì)

19、的復(fù)合現(xiàn)象。復(fù)合現(xiàn)象。膨脹過程特征膨脹過程特征v膨脹過程是燃燒過程的后繼過程，膨脹過程中膨脹過程是燃燒過程的后繼過程，膨脹過程中的后燃或多或少總是存在的。在膨脹過程初期，的后燃或多或少總是存在的。在膨脹過程初期，放熱率急驟增加，以后逐漸降低。在這過程中，放熱率急驟增加，以后逐漸降低。在這過程中，不僅放出熱量，也改變了工質(zhì)的成分和數(shù)量。不僅放出熱量，也改變了工質(zhì)的成分和數(shù)量。v在膨脹過程中還發(fā)生高溫分解產(chǎn)物重新化合。在膨脹過程中還發(fā)生高溫分解產(chǎn)物重新化合。在膨脹過程初期較為強烈，以后逐漸減少。在膨脹過程初期較為強烈，以后逐漸減少。v工質(zhì)與周壁的溫度差不斷變化，活塞在膨脹過工質(zhì)與周壁的溫度差不斷變

20、化，活塞在膨脹過程中逐步下行時，散熱面積不斷擴大，而且活程中逐步下行時，散熱面積不斷擴大，而且活塞運動的速度也在不斷變化。周壁傳熱的傳熱塞運動的速度也在不斷變化。周壁傳熱的傳熱系數(shù)也在改變。這些使膨脹過程中工質(zhì)向周壁系數(shù)也在改變。這些使膨脹過程中工質(zhì)向周壁的傳熱情況變得相當復(fù)雜。的傳熱情況變得相當復(fù)雜。v通過活塞環(huán)及氣缸壁之間的間隙，工質(zhì)有微量通過活塞環(huán)及氣缸壁之間的間隙，工質(zhì)有微量泄漏改變了工質(zhì)數(shù)量。泄漏改變了工質(zhì)數(shù)量。1.1.膨脹始點的確定；膨脹始點的確定； 2.2.膨脹多變指數(shù)（膨脹多變指數(shù)（1.201.201.301.30）。）。 膨脹過程膨脹過程zbbzInVInVInPInPn2影

21、響膨脹指數(shù)的因素影響膨脹指數(shù)的因素v 氣缸的尺寸；氣缸的尺寸；v 氣缸壁冷卻程度；氣缸壁冷卻程度；v 燃燒速度與后燃情況；燃燒速度與后燃情況；v 轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速；v 負荷；負荷； 膨脹過程是一個放熱過程：膨脹過程是一個放熱過程：n21.4 內(nèi)燃機的壓縮比內(nèi)燃機的壓縮比 發(fā)動機的壓縮比是說明發(fā)動機的壓縮比是說明工質(zhì)的容積變化工質(zhì)的容積變化和和壓縮程壓縮程度度的一個參數(shù)。根據(jù)發(fā)動機所采用的循環(huán)與著火方的一個參數(shù)。根據(jù)發(fā)動機所采用的循環(huán)與著火方式的不同，對不同類型的內(nèi)燃機應(yīng)有不同的要求。式的不同，對不同類型的內(nèi)燃機應(yīng)有不同的要求。 為使柴油機能正常工作，必須使壓縮終了的空氣為使柴油機能正常工作，必須使壓

22、縮終了的空氣溫度不低于燃料著火燃燒的自燃溫度，這個條件就溫度不低于燃料著火燃燒的自燃溫度，這個條件就決定了柴油機正常工作的最低壓縮比。但是，實際決定了柴油機正常工作的最低壓縮比。但是，實際上壓縮比的取值應(yīng)該遠高于上面所說的最低壓縮上壓縮比的取值應(yīng)該遠高于上面所說的最低壓縮比比 。壓縮比壓縮比對經(jīng)濟性的影響對經(jīng)濟性的影響對機械負荷的影響對機械負荷的影響對燃燒和起動的影響對燃燒和起動的影響內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機機械損失的組成內(nèi)燃機機械損失的組成機械損失的測量機械損失的測量影響機械損失的因素影響機械損失的因素內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機機械損失的組成內(nèi)燃機機械損失的組成 活塞、活塞環(huán)、軸承、氣門；活塞、活塞環(huán)、軸承、氣門；水泵、油泵、噴油泵、發(fā)電機、空壓機、風(fēng)扇；水泵、油泵、噴油泵、發(fā)電機、空壓機、風(fēng)扇；u 摩擦損失摩擦損失u 驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)u 其他損失其他損失 泵氣損失等；泵氣損失等；內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機的機械損失內(nèi)燃機機械損失的組成內(nèi)燃機機械損失的組成u 摩擦損失摩擦損失活塞、連桿、曲軸的摩擦：活塞、連桿、曲軸的摩擦：6075%活塞：活塞：4565%；氣門驅(qū)動：氣門驅(qū)動：23%；附屬機構(gòu)：附屬機構(gòu)：1020%；泵氣損失：泵氣損失：1020%機械損失的測量機械損失的測量 示功圖法示功圖法 倒拖法（需電力測功器）倒拖法（需電力測功器） 滅缸法（適用于多缸