03第三章內(nèi)燃機地工作循環(huán)

1、第三章 內(nèi)燃機的工作循環(huán)第一節(jié) 內(nèi)燃機的理論循環(huán) 內(nèi)燃機的實際熱力循環(huán)是燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程， 它由進氣、壓縮、 燃燒、膨脹和排氣等多個過程所組成。 在這些過程中， 由燃料與空氣組成的工質(zhì)， 無論在質(zhì)或量上都時刻發(fā)生著變化，伴隨著各種復(fù)雜的物理、化學過程，同時， 機械摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等引起的一系列不可逆損失也大量存在，要準確地 從理論上描述內(nèi)燃機的實際過程， 在目前條件下還是十分困難的。 為了分析內(nèi)燃 機中燃料熱能利用的完善程度及其主要影響因素， 進而為提高能量利用率指明方 向，通常將實際循環(huán)進行若干簡化， 忽略一些次要的影響因素， 并對其中變化復(fù) 雜、難于進行細致分析的物理、化

2、學過程如可燃混合氣的準備與燃燒過程等 進行簡化處理， 從而得到便于進行定量分析的假想循環(huán)或簡化循環(huán)， 通常稱之為 內(nèi)燃機的理論循環(huán)。通過對理論循環(huán)進行研究，可以達到以下目的：1）用簡單的公式來闡明內(nèi)燃機工作過程中各基本熱力參數(shù)間的關(guān)系，以明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟性和以平均壓力為代表的動力性的基本途 徑。2）確定循環(huán)熱效率的理論極限， 以判斷實際內(nèi)燃機經(jīng)濟性和工作過程進行的 完善程度以及改進潛力。3）有利于分析比較內(nèi)燃機不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟性和動力性。 在進行理論循環(huán)研究之前， 首先必須對內(nèi)燃機的實際過程進行必要的簡化假 設(shè)建立理論循環(huán)的一個重要依據(jù)?？偨Y(jié)起來，這些假設(shè)有：1）以空

3、氣作為工作循環(huán)的工質(zhì)，并視其為理想氣體，在整個循環(huán)中的物理及 化學性質(zhì)保持不變，工質(zhì)比熱容為常數(shù)。2）不考慮實際存在的工質(zhì)更換以及泄漏損失，工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變，循環(huán) 是在定量工質(zhì)下進行的，忽略進、排氣流動損失及其影響。3）把氣缸內(nèi)的壓縮和膨脹過程看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進行熱量交換。4）分別用假想的加熱與放熱過程來代替實際的燃燒過程與排氣過程，并將排氣過程即工質(zhì)的放熱視為等容放熱過程。根據(jù)對燃燒過程即加熱方式的不同假設(shè)， 可以得到不同的理論循環(huán)。 理論循 環(huán)的假設(shè)越符合實際情況， 則分析得到的結(jié)論也越接近于實際。 內(nèi)燃機的理論循 環(huán)有三種形式，分別是等容加熱循環(huán)、等壓加熱循

4、環(huán)和混合加熱循環(huán)。圖3l是三種理論循環(huán)的示功圖，其中，圖3 1a為等容加熱循環(huán)，圖3 1b為等壓加 熱循環(huán)，圖 3lc 為混合加熱循環(huán)。表 31 給出了上述各種理論循環(huán)的熱效率 分析表達式以及有關(guān)特點。aai各種a論循環(huán)的比循環(huán)名稱循環(huán)熱效率i備環(huán)特朮對應(yīng)的實標過程導(dǎo)S加 熱解frMS在等容條件下很二j古ft完成，落效率僅與壓嵋比育關(guān)點帰置我動機（Oncfl&fF）等壓加 ftti環(huán)”加熱過程在等壓秦杵予S0-1 貴；羊一+jSS成，的#加使褂a燃氣輪機e唧沏循幷）熱#環(huán) !心飛-QT黑毎1）介于上養(yǎng)酯之間柴油 （序圄環(huán)）V*V注；紀為綁晴捋數(shù)，E嚴h為壓編此Ap-f為壓力升高比.pe虧為6f

5、S&ft.tFc5根據(jù)上述三種理論循環(huán)的熱效率表達式不難得出：當初始狀態(tài)一致且加熱量 及壓縮比相同時，等容加熱循環(huán)的熱效率最高，等壓加熱循環(huán)的熱效率最低，混 合加熱循環(huán)的熱效率介于兩者之間；當最高循環(huán)壓力pz（或稱為最高燃燒壓力）相同、加熱量相同而壓縮比不同時，等壓加熱循環(huán)的熱效率最高，等容加熱循環(huán)的 熱效率最低，混合加熱循環(huán)的熱效率仍介于兩者之間。同時，分析上述熱效率表達式，還可以得到如下結(jié)論：1）提高壓縮比fe可以提高工質(zhì)的最高溫度，擴大了循環(huán)的溫度階梯，增加了 內(nèi)燃機的膨脹比，從而提高了熱效率n，但提高率隨著壓縮比fe的不斷增大而逐 漸降低。2）增大壓力升高比?p可以增加混合加熱循環(huán)中等

6、容部分的加熱量，提高了熱 量利用率，因而可使熱效率 n提高。3）壓縮比fe以及壓力升高比?p的增加，將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力pz的急劇上升。4）增大初始膨脹比P，可以提高循環(huán)平均壓力，但由于等壓部分加熱量的增 加，導(dǎo)致循環(huán)熱效率 n隨之降低，因為這部分熱量是在膨脹比不斷降低的情況 下加入的，做功能力下降。5）等熵指數(shù)k增大，循環(huán)熱效率n提高。以上從理論循環(huán)中所得到的結(jié)論， 在用于指導(dǎo)實踐時， 必須考慮到內(nèi)燃機實 際工作條件的約束和限制：1）結(jié)構(gòu)條件的限制盡管從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比ac和壓力升高比時提高循環(huán)熱效率n起著有利的作用，但將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力 pz的急劇 升高，從而對承載零件的強度要

7、求更高， 這勢必縮短發(fā)動機的使用壽命， 降低發(fā) 動機的使用可靠性， 為此只好增加發(fā)動機的質(zhì)量， 結(jié)果造成發(fā)動機體積與制造成 本的增加。 因此，在實際設(shè)計時， 對于上述參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體情況權(quán)衡利 弊而定。2）機械效率的限制內(nèi)燃機的機械效率 nm 是與氣缸中的最高循環(huán)壓力 pz密切相關(guān)的， 因為該值決定了曲柄連桿機構(gòu)的質(zhì)量、 慣性力以及主要承壓面積的 大小等。不加限制地提高 a以及b將引起n的下降。從有效指標上看，將直 接導(dǎo)致壓縮比a，以及壓力升高比?p提高而帶來的收益得而復(fù)失。這一點，對 于本來壓縮比已經(jīng)很高的柴油機來說更為明顯。3）燃燒方面的限制若壓縮比定得過高，汽油機將會產(chǎn)生爆燃、表面

8、點火等不正常燃燒的現(xiàn)象。 對于柴油機而言， 過高的壓縮比將使壓縮終了的氣缸容積 變得很小， 對制造工藝的要求極為苛刻， 燃燒室設(shè)計的難度增加， 也不利于燃燒 的高效進行。目前，柴油機的壓縮比ac 般在1222之間，最高循環(huán)壓力pz= 714 MPa, 壓力升高比 h在1. 32. 2左右。汽油機的壓縮比 c = 612, pz= 38.5 MPa, ?p在2.04.0左右。第二節(jié) 內(nèi)燃機的燃料及其熱化學一、內(nèi)燃機的燃料（一）石油燃料石油中烴的分類內(nèi)燃機所使用的液體燃料主要來源于天然石油 （原油 ），主要由碳、氫兩種元 素所組成，兩者的體積分類之和占總量的 97一 98，其他還有氧、氯、硫等 少

9、量元素。在天然石油中， 絕大部分元素是以碳氫化合物的形式存在的， 稱之為 烴。從化學結(jié)構(gòu)上看， 石油基本上是有脂肪族烴、 環(huán)烷族烴和芳香族烴等各種烴 類組成的混合物。脂肪族烴包括烷烴和烯烴，烷烴是一種飽和鏈狀分子結(jié)構(gòu)（碳鏈上碳原子的鍵位由氫原子完全充滿，僅有單鍵存在 ），其中直鏈式排列的正構(gòu)烷熱穩(wěn)定性低， 在高溫下易分裂， 滯燃期短， 適合作柴油機的燃料； 非直鏈排列的異構(gòu)烷抗爆性 強，自行著火的傾向比正構(gòu)烷小得多， 適合作汽油機的燃料， 并且常用異構(gòu)烷來 作為評價汽油燃料抗爆性的標準。烯烴是種不飽和的鏈狀烴（碳原子的鍵位并未由氫原子來完全充滿，有雙鍵存在 ），其熱值較低，著火性能差，只適合作

10、汽油 機的燃料。環(huán)烷族烴的碳原子不是鏈狀而是環(huán)狀排列， 屬飽和烴，其熱穩(wěn)定性比脂肪族 高，自燃溫度較脂肪族高，適合作汽油機的燃料。芳香族烴的含氫原子數(shù)少且具有雙鍵和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，難于氧化形成過氧化物， 因而具有較高的化學和熱穩(wěn)定性， 在高溫下分子不易分裂， 抗爆燃性能極強， 自 燃溫度比脂肪族烴和環(huán)烷族烴高， 也適合作汽油機的燃料或作為汽油的抗爆添加劑。其中，屬于芳香烴的a甲基萘與正十六烷還用作評定柴油機自燃性能（十六烷值）的標準燃料。石油的煉制方法與燃料從地下開采出的原油，是由上述多種烴類組成的混合液體。要將其變成儲存、 使用均十分方便的液體燃料，必須經(jīng)過復(fù)雜的煉制過程。其典型的工藝流程有直 接

11、蒸餾法和裂解法。前者是將原油在專用的煉油塔 （分餾塔）中進行加熱蒸餾，不 同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，最終獲得的燃料約占原油的25% 40%; 后者是將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術(shù)手段裂解為分子量較 輕的成分。其中，通過加溫加壓的方法進行裂解的稱為熱裂解法，使用催化劑（觸媒）進行裂解的稱為催化裂解法。不同的煉制工藝得到的油料，其理化性質(zhì)也是不同的。表32給出了在從原油提煉液體燃料過程中，不同煉制工藝對油料性質(zhì)的影響。熱裂解法雖然工藝 簡單，但由于所得到的燃油穩(wěn)定性較差，一般還需要進行催化裂解等煉制過程， 以保證質(zhì)量。值得強調(diào)的是，每一種商品燃料都是多種烴類的混合物，而且是各

12、 種煉制工藝所得油料的調(diào)和產(chǎn)物； 近年來，為了提高汽油燃料的辛烷值，大量采 用催化重整工藝，即將低辛院值的汽油在鉑、鎳等催化劑的接觸催化下進行重整， 使其辛烷值水平得到進一步提高3-2麗黠方翎酬馳的黠1 S S-曜化S醍4肯油B宗性好含鮒亠劈的i 就鮎環(huán)勰.UM其率烷置尢小與所含 喘勰曲熾直協(xié)相丸大敦 圧5卜?0；多M用S刑卷ft 翳中易生般鳳OttSE 出直IS療勰如辛烷齦 ft滬楓恥芳輔刪蚪朋在12$- 4朮烷浪掘為肌F也孫 S&為8%-w亂品質(zhì)a,按 ）1讎邑軸（1睚八乩柴 *含刪：MT。詢芳觥，大盤內(nèi)就和粗X 駅較刪十械值林擁齬，說月作中、讎較爪町祐品質(zhì)柴抽惶 尿肝柴油和汽油的理化性質(zhì)

13、燃料的特性對內(nèi)燃機的功率輸出、燃油消耗以及可靠性均有較大的影響； 同 時，不同內(nèi)燃機對燃料的要求也是不同的。 下面分別介紹柴油及汽油的物理及化 學性質(zhì)。（1）柴油的理化性質(zhì)對柴油機來說，與其性能有關(guān)的燃料特性是自燃溫度、餾程、粘度、含硫量等，其中，以自燃溫度和低溫流動性（凝點）影響最大。1）自燃溫度柴油在無外源點火的情況下能夠自行著火的性質(zhì)稱之為自燃性，能夠使柴油自行著火的最低溫度稱為自燃溫度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。十六烷值的評定需用兩種自燃性能截然不同的標準燃料作比較，一種是正十六烷Ci6H34,自燃性很好，其十六烷值定義為100；另一種是a 甲基萘CiiHio, 自燃性很差，其十六烷

14、值定義為0。在標準的專用試驗機上，分別對待試柴油和 一定混合比例的正十六烷與a 甲基萘混合液進行自燃性比較；當兩者自燃性相 同時，混合液中正十六烷的容積百分比， 即為所試柴油的十六烷值： 十六烷值高 的柴油，其自燃溫度低，滯燃期短，有利于發(fā)動機的冷起動，適合于高速柴油機 使用，但過高十六烷值的柴油在燃燒過程中容易裂解，造成排氣過程中的碳煙。 因此，一般情況下，常限制柴油的十六烷值在 65 以下。（如2）低溫流動性 （濁點與凝點 ）溫度降低時， 柴油中所含的高分子烷族烴石蠟 ） 和燃料中夾雜的水分開始析出并結(jié)晶，使原來呈半透明狀的柴油變得渾 濁，達到這一狀態(tài)的溫度值就是柴油的渾濁點。此時盡管柴油

15、仍然具有流動性， 但其析出的結(jié)晶會堵塞濾清器和油管等； 當溫度再降低時， 柴油即完全凝固， 時的溫度稱為凝點。顯然，柴油在低于凝點后，無法正常供應(yīng)與工作；用降凝劑 可以降低凝點，但對濁點影響不大。我國的國標中對輕柴油的標號，即是按照柴油的凝點來規(guī)定的。如國產(chǎn) 號柴油固點為0C,適合夏季使用。-20號柴油凝固點為-20 r，適合冬季或寒冷 地區(qū)使用。選用輕柴油要根據(jù)不同的使用地區(qū)和季節(jié)條件。3）化學成分及發(fā)熱量燃油的化學成分是用碳、氫、氧、氯四種元素的質(zhì)量分數(shù)表示的，其中碳的質(zhì)量分數(shù)一般在85以上，而含氮則很少，往往可以忽略不計。 1kg 燃油完全燃燒所放出的熱量叫做燃料的發(fā)熱量或熱值，其單位為

16、 kJ/ kg。燃油的發(fā)熱值有低熱值與高熱值之分，計及水蒸氣冷凝時放出汽化潛熱的發(fā)熱量叫做高熱值， 不計及汽化潛熱的發(fā)熱量則稱為低熱值。 在內(nèi)燃機中， 由 于無法利用汽化潛熱，所以燃油的發(fā)熱量常用低熱值：般柴油機的低熱值為 4250044000kJ/ kg。對于汽油機來說，與其性能有關(guān)的燃料特性主要是揮（2）汽油的理化性質(zhì) 發(fā)性和抗爆性。1）揮發(fā)性表示液體燃料汽化的傾向，與燃料的餾分組成、蒸氣壓、表面張力以及汽化潛熱等有關(guān)。 由于汽油是烴類的混合物， 沒有一定的沸點， 在進行 蒸餾時，隨溫度的上升，按照餾分的由輕到重，逐次沸騰。汽油餾出的溫度范圍 稱為餾程。汽油蒸發(fā)般以蒸發(fā)餾程中餾出一定比例的

17、燃料時所對應(yīng)的溫度來表 示。 10餾出溫度越低，則汽油機在低溫下越容易起動，但過低的餾出溫度，在 高溫下容易發(fā)生氣阻； 50餾出溫度表示汽油的平均揮發(fā)性， 是保證汽車加速性 和平穩(wěn)性的重要指標； 90餾出溫度和終餾溫度過高， 易產(chǎn)生積碳并稀釋曲軸箱 潤滑油。一般初餾點為4080r，終餾點為180210r 0汽油的飽和蒸氣壓是用標準儀器在一定條件下（38 r）測定的。蒸氣壓高，揮 發(fā)性強、汽油機容易起動， 但產(chǎn)生氣阻傾向和揮發(fā)損失也大。 一般規(guī)定蒸氣壓在 夏季不低于67kPa；冬季不大于80kPa?？偠灾?，汽油的揮發(fā)性應(yīng)當滿足發(fā)動機冷起動和暖車過程在內(nèi)的所有工況 的要求，但揮發(fā)性過高，會增加因

18、蒸發(fā)而形成的有害 HC 排放物。2）抗爆性燃料對于發(fā)動機發(fā)生爆燃的抵抗能力稱為燃料的抗爆性。它是汽油燃料一項十分重要的指標， 而且隨燃料化學成分的不同差別很大。 烷烴抗爆 性最差，烯烴次之，環(huán)烷烴較好，芳香烴最好。在同一種烴內(nèi)，輕餾分優(yōu)于重餾 分，異構(gòu)物優(yōu)于正構(gòu)物。從煉制工藝來看，直餾汽油的辛烷值最低，熱裂解汽油 的辛烷值較低，而催化裂解、重整汽油的辛烷值較高。汽油的抗爆性是以辛烷值來表示的。 與柴油的十六烷值的評定相類似， 汽油 的抗焊性的評價也是基于兩種標準燃料： 辛烷值為 100的抗爆性能較佳的異辛烷 C8Hi8和抗爆性較弱、辛烷值為0的正庚烷C7H16。在專用的試驗機上，將所試 油料的

19、爆燃強度同標準混合液 （異辛烷與正庚烷按一定比例混合的混合液 ）的爆即為所試MON 或研燃強度相比較， 當兩者相同時， 標準混合液中所含異辛烷的體積分數(shù)， 油料的辛烷值。根據(jù)試驗規(guī)范的不同，所得的辛院值分別稱為馬達法 究法 RON 辛烷值。我國生產(chǎn)的汽油是按研究法辛烷值 RON 分級的。不斷提高汽油燃料的辛烷值， 以適應(yīng)發(fā)動機強化的需求， 是汽車工業(yè)對于石 油化工工業(yè)提出的要求。 提高辛烷值的傳統(tǒng)方法， 是在汽油中添加高效抗爆劑如 四乙鉛Pb（C2H5）4,但由于該添加劑含鉛量高，對人體及環(huán)境有較為嚴重的危害， 同時還會使排氣催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑嚴重中毒而導(dǎo)致失效，因而逐漸被淘汰。 目前，提高

20、汽油辛烷值的主要措施是采用先進的煉制工藝和使用高辛烷值的調(diào)和 劑，如加入甲基叔丁基醚（MTBF）、乙基叔丁基醚（ETBE）或醇類燃料等，以獲得 較高辛烷值而無其他不利于環(huán)保的副作用。（二）氣體燃料 內(nèi)燃機所用的氣體燃料主要有天然氣、液化石抽氣、氫氣、煤氣、沼氣等，這里簡單介紹天然氣與液化石油氣：天然氣 天然氣是以自由狀態(tài)或與石油一起存在于自然界中的可燃氣體， 其主要成分 為鏈烷烴化合物的甲烷CH4 （容積比可達95以上），另外還包括乙烷C2H6以及丙 烷 C3H8 等。天然氣的熱值和辛烷值均較高，在用作點燃式發(fā)動機的燃料時，通 過適當?shù)募夹g(shù)措施，如提高發(fā)動機的壓縮比等，可以接近原發(fā)動機的動力性

21、能。 同時，天然氣又是一種比較潔凈的能源，排污低，使用比較方便，特別是壓縮天 然氣（CNG），便于儲存，配合相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施如加氣站的建設(shè)，在城市車輛 如公共汽車、出租車中具有廣闊的應(yīng)用前景。2. 液化石油氣液化石油氣（LPG）是天然石油氣或石油煉制過程中生產(chǎn)的石油氣，主要成分 是丙烷C3H8、丙烯C3H6、丁烷C4H10、丁烯C4H8及其異構(gòu)物，在常溫下加壓， 可以變成液體燃料， 其單位容積熱值高于天然氣， 可以作為汽油機的燃料， 還可 以獲得較好的排放性能。（三）代用燃料自然界的石油資源是有限的， 尋求石油化石燃料以外的代用燃料， 已經(jīng)成為 當前內(nèi)燃機研究中的熱門課題。 代用燃料的種類很多，

22、 下面簡要介紹醇類燃料和 植物油燃料。1. 醇類燃料醇類燃料有甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以從天然氣、煤、生物質(zhì) 等原料中提取； 乙醇主要是將含有糖和淀粉的農(nóng)作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。 醇類燃料 是液體燃料， 可以沿用傳統(tǒng)的石油燃料的運輸、 貯存系統(tǒng)， 相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 投入少，而發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性可以接近或超過原有汽油機或柴油機， 排氣 有害成分少，因而是一種很有發(fā)展前景的代用燃料。自 70 年代以來，不少國家 已開展對醇類燃料的研究，目前已出現(xiàn)利用甲醇作燃料的汽車。3-3料與曲，柴油的特性出較3-3料與曲，柴油的特性出較塡甲e1乙5理左空欄比14.2-15,1144-14,56

23、,49.0羽960425004440D19673267963S1G37B93906W750840砒790305-4S3453-6M33835L5固點/K21&27ZJ175】劃0+6”0應(yīng)2.5-S,5一310-320251-2701100-111085*1 亠 9Ut續(xù)；特悝f科一!汽油甲酹11辛烷值RUM30-30.110 1KKi十穴垸0-1040-503K 八；界（空氣中容幟）（%）1,4-7,6.5-8.26.7-364.5 -493-53347：） 49374.1i636植物油燃料植物油的種類很多，分為可食用與非食用的兩大類。大多數(shù)植物油的主要化 學成分是甘油三酸酯，即由一個分子甘

24、油（丙三醇）和三個脂肪酸分子以酯鍵連接 組成的復(fù)合物；植物油的熱值均比柴油低。由于植物油加熱時易產(chǎn)生分解，少量 輕成分揮發(fā)，大部分則變成膠狀物，因此很難獲得蒸餾特性。另外，由于植物油 的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以霧化特性差，燃燒不充分，積碳嚴重。植 物油的十六烷值也較低，但經(jīng)過酯化處理后，其著火性能可以得到改善。目前，植物油還主要在柴油機上試用。 從長遠來看，發(fā)展非食用植物油作為 燃料不足的補充，是很有意義的。二、燃燒熱化學燃料的燃燒過程，從化學反應(yīng)的角度看，實際上就是燃料與空氣中的氧進行 氧化反應(yīng)而放出熱量的過程。在已知燃料中各元素成分的前提下， 通過質(zhì)量守恒 關(guān)系，可以求得可燃混合氣

25、組成與燃燒產(chǎn)物之間的關(guān)系式，以便為分析內(nèi)燃機的實際循環(huán)特別是燃燒過程提供理論依據(jù)。1.完全燃燒從理論上說，當氧充分時，燃料中的碳元素以及氫元素可以完全被氧化為二 氧化碳和水，而空氣中的氦則并不參與任何反應(yīng)。如考慮一種通用的碳氫化合物， 其平均分子組成為CcHhOo （下角C、h、0分別表示相應(yīng)元素的原子數(shù)），而空氣 則可以認為是多種理想氣體的混合氣體， 按容積計其組成成分為：氧占20.95%, 氯占78.90%，其余0.93%為其他氣體。為了方便計算，可忽略其他氣體成分， 即認為空氣中除氧外，其余均為氮，這樣對應(yīng)于1mol的氧，有（10.2095）/0.2095mol= 3.773mol的氮。

26、于是，根據(jù)原子數(shù)平衡關(guān)系式，可以寫出碳氫燃料 在空氣中完全燃燒時的化學反應(yīng)式h 0hh 0CcHhOo + （c + 4 - 2）Q + 3.773N2）= cCQ + 3773c + 4 - /NCX12 +hx1 +0 x16式中，Io的單位為kg/kg0一般而言，內(nèi)燃機所用的燃料均為各種碳氫化合物的混合物， 難于準確地確 定其中C、H、O三種元素的原子數(shù)C、h及0,另一方面，這三種主要元素的質(zhì) 量比可以通過化學分析方法得到，分別記為 gc、gH和go。根據(jù)定義式，有（缺第34頁）燃燒前的工質(zhì)是由新鮮空氣、燃料蒸氣和上一循環(huán)殘 燃燒過程中及燃燒后，工質(zhì)的成分及數(shù)量不斷發(fā)生著 其比熱容比兩原

27、子氣體大，且隨著溫度的上升而增大，圖3 2非增壓內(nèi)燃機理論楣環(huán)和實際循環(huán)護r圖（3 1）上述方程式定義了燃料與空氣在完全燃燒時對應(yīng)的摩爾關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系 式，1kg照料完全燃燒所需的理論空氣量（質(zhì)量）之比（稱為化學計量空燃比），可以 采用下式計算（c + h -O）x （32+3.773x28）.亠. 八(3 2)4234.41 X （4c +h - 2o）12c + h + 16olo =的。在實際內(nèi)燃機循環(huán)中， 余廢氣等組成的混合氣體， 變化，三原子氣體占多數(shù)， 在燃燒產(chǎn)物中還存在著一些成分的高溫分解以及在膨脹過程中的復(fù)合放熱現(xiàn)象。上述因素中，以工質(zhì)對比熱容的影響為最大，其他各項的影響較

28、小一些。這 就意味著，由于比熱容隨溫度上升而增大，對于相同的加熱量（燃料燃燒放熱量）， 實際循環(huán)所能夠達到的最高燃燒溫度小于理論循環(huán)， 其最終的結(jié)果是使循環(huán)熱效 率下降，循環(huán)所做的有用功減少。例如，對于壓縮比為18、過量空氣系數(shù)為1.5、 最高壓力為8MPa的混合循環(huán)，其理論熱效率大致為0.60;當考慮到工質(zhì)的實際 物性時，其熱效率將降低到0.510從圖32的內(nèi)燃機P V圖中可 以看出工質(zhì)對理論循環(huán)的影響。由于 比熱容隨溫度的增加而增大，燃燒膨 脹線和壓縮線（虛線所示），分別低于 理論循環(huán)的燃燒膨脹線和壓縮線（點 實線），其中燃燒膨脹線由于比熱容 增加的幅度較大而導(dǎo)致下降幅度也 大一些。同時，

29、上述曲線所圍成的示 功圖面積也小于理論循環(huán)的示功圖 面積。二、換氣損失 理論循環(huán)是閉式循環(huán)，沒有工質(zhì) 的更換，也沒有任何形式的流動阻力 損失。在實際循環(huán)中，吸入新鮮空氣 與燃料，然后在合適的時候排出燃燒 廢氣，這是循環(huán)過程得以周而復(fù)始進 行所必不可少的。上述過程是通過換 氣過程進行的。在這一過程中，為盡 可能降低排氣阻力，排氣門需要提前 開啟，燃氣在膨脹到下止點前從氣缸 內(nèi)排出（沿b1d1線），這將使示功圖上的有用功面積減少 （圖中陰影區(qū) ）；在排氣和吸氣行程中，氣體在流經(jīng)進排氣管、 進排氣道以及進排氣門時， 不可避免地存在著流動阻力損失， 也需要梢耗一部分 有用功。上述兩項之和稱為實際循環(huán)的

30、換氣損失， 有關(guān)該損失的詳細內(nèi)容將在第 四章中介紹。此外，由于進氣壓力 （壓縮始點壓力 ）pa 低于大氣壓力，使整個壓縮 線 ac 位于理論壓縮線 atct 的下方。三、傳熱損失 理論循環(huán)假設(shè)與工質(zhì)相接觸的氣缸壁面是絕熱的，兩者間不存在熱量的交 換，因而沒有傳熱損失。實際上，缸套內(nèi)壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等（統(tǒng)稱壁面 ）與缸內(nèi)工質(zhì)直接相接觸的表面，始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。在壓縮初 期，由于壁面溫度高于工質(zhì)溫度，工質(zhì)受到加熱；隨著壓縮過程的進行，工質(zhì)的 溫度在壓縮后期將超過壁面溫度， 熱量將由工質(zhì)流向壁面； 隨后，進入燃燒以及 膨脹期，工質(zhì)連續(xù)不斷地向壁面?zhèn)鞒鰺崃俊＿@樣，與理論循環(huán)相比，示

31、功圖上減 少的有用功面積將大于壓縮線下所增加的面積，其差值即為實際循環(huán)的傳熱損 失。傳熱損失的存在， 使循環(huán)的熱效率和循環(huán)的指示功都有所下降， 同時增加了 內(nèi)燃機受熱零件的熱負荷。在圖 32 中，傳熱與流動損失的存在，使示功圖形 狀如實線所示。四、燃燒損失根據(jù)理論循環(huán)對燃燒過程的處理， 燃燒是外界熱源向工質(zhì)在一定條件下的加 熱過程；燃燒 （加熱 ）速度根據(jù)加熱方式的不同而有差異，如在等容加熱條件下， 熱源向工質(zhì)的加熱速度極快， 可以在容積不變條件下瞬時完成； 在等壓加熱條件 下，加熱的速度是與活塞的運動速度相配合的， 以保持缸內(nèi)壓力不變。 實際的燃 燒過程需要經(jīng)歷著火準備、 火焰?zhèn)鞑ヅc擴散、

32、后燃等環(huán)節(jié)， 燃燒速度受到多種因 素的制約， 與理論循環(huán)有很大的差異， 這種差異所造成的與燃燒有關(guān)的損失， 主 要體現(xiàn)在以下兩個方面。1. 燃燒速度的有限性由于實際上燃料的燃燒速度是有限的， 燃燒的進行需要足夠的時間， 這就造 成了內(nèi)燃機實際循環(huán)中的一個重要的損失燃燒速度的有限性所形成的損失， 它帶來了以下幾方面的不利影響：（1）壓縮負功增加為了提高熱效率，必須使燃燒能夠在上止點后不久即告結(jié)束，為此就需要在上止點前提前噴入燃油或進行點火。 這樣，實際的燃燒過 程在上止點前就已經(jīng)開始，從而造成了壓縮負功的增加。（2）最高壓力下降由于傳熱損失的存在、燃燒速度的有限性以及活塞在上止點后由上行變?yōu)橄滦?/p>

33、運動而使氣缸體積膨脹， 使得壓力升高率明顯低于理論 循環(huán)值，于是實際循環(huán)的最高壓力有所下降。（3）初始膨脹比減小理論循環(huán)假定全部熱量是在某一點 （zt 點，見圖 32）前完全加熱 （燃燒 ）完畢，壓力達到最大，而后進入膨脹過程；而實際的燃燒過程 則由于傳熱損失、不完全燃燒、后燃以及活塞運動等因素，使初始膨脹比P0減?。▃z V ztzt）。以上種種影響因素，使得實際的燃燒過程偏離理論循環(huán)的等容和等壓過程， 增加了壓縮耗功， 減少了膨脹有用功， 最終使指示熱效率和平均指示壓力與理論 循環(huán)相比均有明顯的降低。2后燃以及不完全燃燒損失 理論循環(huán)中認為，加熱過程結(jié)束之后即轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。在實際過程中

34、， 經(jīng)常由于供油系統(tǒng)供油不及時、 混合氣準備不充分、 燃燒后期氧氣不足等原因而導(dǎo)致燃燒速度減緩，仍有部分燃油在氣缸壓力達到最高點后繼續(xù)進行燃燒，稱之為后燃。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及混合氣的不同情況，后燃可能持續(xù)到上止點后 4080 （CA）才結(jié)束，但也有可能一直拖延到排氣門打開之時。 除此之外，還 有少量燃油由于未來得及燃燒而直接排出機外，從而引起不完全燃燒損失。后燃期間，熱功轉(zhuǎn)換效率由于膨脹比小而大大降低， 不完全燃燒更直接導(dǎo)致了燃料化 學能的損失。燃燒損失是一個不容忽略的損失。為了計及該損失的大小，有必要引入燃燒 效率的概念。為此，將內(nèi)燃機視為一個開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)與周圍環(huán)境（大氣）交換熱量和機械

35、功；由燃料和空氣組成的反應(yīng)物流入系統(tǒng)，流出系統(tǒng)的是燃燒產(chǎn)物（廢 氣）。燃燒效率的定義為：燃料在該系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)燃燒反應(yīng)所釋放出的總熱量與燃料 所能釋放的總能量之比。具體的計算 式建立在化學熱力學基礎(chǔ)上。圖33 是不同型式內(nèi)燃機的燃燒效率隨當 量燃空比的變化情況、當量燃空比定 義為混合氣的實際燃空比與該燃料 化學計量燃空比之比，它是過量空氣 系數(shù)的倒數(shù)?？梢?，汽油機采用稀混 合氣時，其燃燒效率通常在 95% 98%的范圍內(nèi)；而當混合氣加濃后， 出于空氣中缺氧使燃料燃燒不完全， 燃燒效率下降，且下降幅度隨混合氣 的變濃而增大。相對而百，柴油機由 于一直運行在混合氣較稀的狀態(tài)，其 燃燒效率相對較高，大約為

36、98%。LOO70X柴抽就O汽油機fl ?02040,60,S1,0 t2 Id 16當童燃空比圖玉3燃燒效率隨混合亍成分的變化第四節(jié)內(nèi)燃機循環(huán)的熱力學模型對內(nèi)燃機的熱力學過程，特別是缸內(nèi)的熱力學過程進行模擬計算， 在內(nèi)燃機 的研究與開發(fā)初期是非常有用的。 它不僅可以預(yù)測所設(shè)計發(fā)動機的初步性能， 進 行多方案的比較。以期獲得最佳的設(shè)計方案，而且也可以對結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù) 進行優(yōu)化，對發(fā)動機的壽命和可靠性進行預(yù)測， 以減少試驗的工作量，縮短發(fā)動 機的設(shè)計周期，節(jié)省開發(fā)研究費用。內(nèi)燃機工作過程的模擬預(yù)測計算，最早采用的是熱力計算法，它是建立在簡 單熱力學關(guān)系基礎(chǔ)之上的一種近似的、半經(jīng)驗的估算方法。

37、如用等熵過程或多變 過程來代替實際的壓縮和膨脹過程，用一個近似的放熱過程來代替實際的燃燒過 程等。這種方法誕生于20世紀初期，當時的數(shù)值計算手段尚不完備、物理模型 也不夠全面。盡管該方法可以對內(nèi)燃機的工作過程進行估算，但其精度和應(yīng)用范圍都受到了很大的限制。進入20世紀60年代以后，隨著內(nèi)燃機數(shù)值模擬技術(shù)的 不斷完善和計算機技術(shù)的進步，有關(guān)數(shù)值模擬方面的研究也不斷深入，新的理論 不斷涌現(xiàn)，極大促進了設(shè)計手段的更新和設(shè)計觀念的變革。 與此同時，用于內(nèi)燃 機的商品化軟件陸續(xù)推出，其功能也不斷完善，從零維模型到多維模型，從整機 到分部件、分系統(tǒng)的計算軟件，從性能預(yù)測到強度分析等等不一而足。作為對內(nèi)燃機

38、工作過程數(shù)值計算方法概念上的理解，本節(jié)將介紹一種較為常 用的計算模型一一熱力學模型。該方法是以熱力學基本概念為基礎(chǔ)，不涉及內(nèi)燃 機中各種熱力學參數(shù)在空間場的不均勻性問題以及工作過程的細節(jié)，故又稱為零維模型。其基本的思路是：從內(nèi)燃機工作循環(huán)各系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的物理過程出發(fā)， 用微分方程對各系統(tǒng)的實際工作過程進行數(shù)學描述，通過編制計算機程序，得到 氣缸內(nèi)各參數(shù)隨時間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律；然后，通過相應(yīng)的計算公式，計 算出發(fā)動機的宏觀性能參數(shù)。一、模型的假定在推導(dǎo)氣缸內(nèi)工作過程計算的基本微分方程式時，采用如下的簡化假定：1）不考慮氣缸內(nèi)各點的壓力、溫度與濃度場的差異，并認為在進氣期間，流 人氣缸內(nèi)的

39、空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣實現(xiàn)瞬時的完全混合，缸內(nèi)的狀態(tài)是均勻 的，亦即為單區(qū)過程。2）工質(zhì)為理想氣體，其比熱容、內(nèi)能僅與氣體的溫度和氣體的組成有關(guān)。3）氣體流入與流出氣缸為準穩(wěn)定流動，不計流入或流出時的動能。4）不計及進氣系統(tǒng)內(nèi)壓力和溫度波動的影響。5）缸內(nèi)工質(zhì)在封閉過程中無泄漏。二、基本的微分方程組在上述假定下，將氣缸壁面、活塞頂面以及缸蓋底面所圍成的容積作為一個 熱力學系統(tǒng)，如圖34所示。對該變?nèi)莘e熱力學系統(tǒng)分別應(yīng)用熱力學第一定律、 質(zhì)量守恒定律以及氣體狀態(tài)方程，經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，得到計算內(nèi)燃機工作過程的 通用方程組如下匹+些 理+唾h +唾h _u也-m空出）（36） d/ 、（d申 d申

40、PdWhshed申樂（）m（）dm dme dmg dme(3 7)(3 8)=+ +d半 dd半 dpV = mRT式中，下標s表示通過進氣門流人氣缸的氣體參數(shù)，下標 e表示通過排氣門流出 氣缸的氣體參數(shù)，下標B表示燃料燃燒放熱 項，下標w表示通過壁面與熱力學系統(tǒng)間發(fā) 生的熱量交換。其余無下標的各項，分別表 示氣缸內(nèi)的有關(guān)參數(shù)，而入為瞬時過量空氣 系數(shù)，其意義見下文。u =u(Ty)(3 9)為了使得計算順利進行，假定加入系統(tǒng) 的能量或質(zhì)量為正，離開系統(tǒng)的能量或質(zhì)量 為負。同時，假設(shè)內(nèi)能為溫度和成分的函數(shù)， 并以入來反映混合氣的組成成分，則有Ki 44 缸內(nèi)工忡過程計II簡圖求解上述方程組，

41、可以得到氣缸內(nèi)溫度 T、壓力P和工質(zhì)質(zhì)量m等三個未知量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，但由于方程組中還有多個待求解的微分變量， 如dV, dQs, dQw，dms，dme等，必須列出相關(guān)的約束條件，逐一建立計算式，方可使方程組 封閉。有關(guān)約束條件的計算要點如下：氣缸工作容積根據(jù)活塞連桿機構(gòu)運動學的幾何關(guān)系式導(dǎo)出嘆=糾 +1 cos申 +丄 h -j1-ks2 sinW dW 21小* s 丿Vs、和M曲柄連稈比）可根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。工質(zhì)流入、流出氣缸的質(zhì)量流量，可根據(jù)流體力學中氣體流經(jīng)節(jié)流過程1)(310)式中，2）的計算關(guān)系式推出，其一般形式為(311)dms e 1d叫,e 代，e Ws，e

42、 Jpfi式中，下標I表示流動上游參數(shù)；與A分別為氣門處的流量系數(shù)與流通截面積, 可分別根據(jù)試驗結(jié)果與幾何關(guān)系確定；Ws,e為流函數(shù)，與上下游的壓力差即流動 狀態(tài)有關(guān)，其通用計算式為/ PIIkPIk+1PMIPI丿kP1丿kpl 122kk 1k2 xk+1丿1kPII/ 2卜1pl Ik+1丿式中，下標n代表流動下游參數(shù)。3）工質(zhì)與活塞頂面、氣缸內(nèi)壁面及缸蓋底面的傳熱量計算式為dQw(312)1 3=2： aFi（Twi -T）d半6n冷式中，各換熱表面積 Fi可根據(jù)活塞位移情況以及發(fā)動機的幾何參數(shù)確定；壁面 溫度Twi根據(jù)統(tǒng)計值選定；換熱系數(shù)a有多種經(jīng)驗或半經(jīng)驗的回歸公式，實際應(yīng) 用時根

43、據(jù)所研究對象的具體情況選定一種（參見文獻1、2、3、7）。4）燃料的燃燒放熱過程較為復(fù)雜，在本類模型中一般用一個簡化的代用燃燒放熱規(guī)律來代替實際過程，即認為燃料是按照一定的函數(shù)形式進行燃燒放熱的， 并且在代用過程中所放出的總熱量以及所產(chǎn)生的結(jié)果（性能指標）與實際過程是一致的。常用的函數(shù)有余弦函數(shù)以及韋伯（Weibe）函數(shù)等，其中，韋伯函數(shù)是應(yīng)用較廣泛的一種，其形式為m +1= HugJu 麗=Hug 代6.908 6.908! ecpz J（313）式中，n為燃燒效率，取決于燃燒方式，而三個主要參數(shù)（燃燒始點機、燃燒持續(xù)期屜以及燃燒品質(zhì)指數(shù)m）也與內(nèi)燃機的類型有關(guān)，其中m的變化范圍為0.2 3

44、.0,取決于燃燒放熱的速率與方式。各種類型發(fā)動機的參數(shù)選擇范圍參見參考 文獻3和7。5）工質(zhì)物性的計算。由于內(nèi)燃機的工質(zhì)是由空氣與燃油組成的混合氣，其組z成成分在燃燒過程前后有明顯的不同，精確計算其比熱容、焓、內(nèi)能等物性參數(shù)， 涉及到復(fù)雜的非線性方程組的求解問題， 較為復(fù)雜。為了方便起見，往往來用一 個簡化關(guān)系式來計算物性參數(shù)，如較為常用的 Justi公式L CC” 0.0485、嚴975 + -丿V.人/U =418681 -/T -273f x106 + 7.768 +3.36、-0.8(314)仃.896-273)x10/ +1358.6 IkJ/kgmolVA丿該式適用于混合氣較稀的柴

45、油機，而汽油機由于存在不完全燃燒、高溫分解 等特殊現(xiàn)象，其計算式較為復(fù)雜一些。在得到內(nèi)能或焓的計算式之后，其他的物性參數(shù)均可以通過基本熱力學關(guān)系 式推導(dǎo)得到，這樣，方程組(36)、(37)、(38)中的物性參數(shù)均可以求出。值得強調(diào)的是，在本方程式的建立過程中，弓I入了瞬時過量空氣系數(shù)入的概念，其目的在于便于計算工質(zhì)的成分隨燃燒過程而發(fā)生變化的情況。與傳統(tǒng)的過量空氣系數(shù)的定義相仿，入的定義是缸內(nèi)瞬時空燃比與化學計量空燃比的比 值，而瞬時空燃比則是某一瞬時缸內(nèi)的空氣質(zhì)量與該瞬時缸內(nèi)累計燃料質(zhì)量之 比，即(315)、1dA =l。r唾 d對于首次迭代計算或缸內(nèi)無殘余廢氣時，可將其瞬時過量空氣系數(shù)定為

46、一個 較大值，如104。三、缸內(nèi)實際工作過程的計算應(yīng)用以上建立的微分方程組(36)、(3 7)、(38)，結(jié)合補充的各種約束條 件，即可對內(nèi)燃機的實際工作過程進行模擬計算。計算一般從壓縮始點(進氣門關(guān)閉時刻)開始，依次完成一個完整循環(huán)。當再次回到計算始點時，比較兩次計 算結(jié)果，如達不到精度要求，則將計算得到的始點參數(shù)作為初始參數(shù)重新計算， 直到滿足要求。根據(jù)缸內(nèi)實際過程在各個階段的不同特點，上述微分方程組呈現(xiàn)出不同的簡 化形式?？梢圆捎貌煌奶幚矸椒āｉ]式階段根據(jù)熱力學系統(tǒng)的劃分狀況，在整個內(nèi)燃機工作循環(huán)中，氣缸可分為封閉階 段依次可以分為壓縮期、燃燒期及膨脹期以及開式階段 (工質(zhì)更換階段)兩

47、個 階段。其中，在封閉階段的三個不同期間，壓縮期與膨脹期在微分方程組的形式 上是相同的，不同的僅是缸內(nèi)質(zhì)量上的差異。 在這一時期，由于工質(zhì)內(nèi)的質(zhì)量無 變化，質(zhì)量守恒方程項賂去，這樣能量守恒方程就變換為dT 1dQwdV-P(316)該方程與氣體狀態(tài)方程聯(lián)立，即可對內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)進行求解， 相9對于開式過程見式（3 6）而言，這一方程要簡單得多。對于燃燒過程來說，工質(zhì)的質(zhì)量由于燃料的燃燒而發(fā)生變化，而燃料的燃燒 過程變化規(guī)律dQB是預(yù)先給定的（如韋伯代用燃燒放熱規(guī)律），故質(zhì)量守恒方程項d則為(317)dm dmB 1 dQB d d護-Hu d申對于瞬時過量空氣系數(shù)的變化情況，不難推導(dǎo)出

48、(318)dkmg dQB護lomB2Hu d這樣，能量守恒方程中的各項均可以依次求出， 從而可以求出燃燒過程中的 缸內(nèi)狀態(tài)參數(shù)。開式階段從排氣門開啟至進氣門關(guān)閉為開式階段， 又稱充量更換過程。由于通過缸內(nèi) 熱力學系統(tǒng)邊界有氣體流入或流出， 該階段的數(shù)學求解較為復(fù)雜一些， 其中，在 求解流經(jīng)進、排氣門的氣體流量時，需要已知進、排氣管內(nèi)的熱力學狀態(tài)，這就 涉及到內(nèi)燃機的另一個過程一一進排氣管系內(nèi)的熱力學計算 （見下一節(jié)）。同時， 充量更換階段的另一個問題是工質(zhì)成分在換氣過程中的變化，根據(jù)瞬時過量空氣 系數(shù)的定義，井假定排氣時燃料（以折合燃料的形式出現(xiàn)，因為實際上燃料已經(jīng) 燃燒完畢）和空氣是成比例

49、地排出氣缸的，我們可以推導(dǎo)出(319)d幾 1 dms該式將缸內(nèi)氣體成分的變化與進氣流量關(guān)聯(lián)起來， 使能量方程各項均可以求 出，從而使方程組得以封閉。四、進排氣過程的計算進排氣過程熱力學參數(shù)的計算，不僅是求解工作過程其他各項熱力學參數(shù)所 必需的，而且對于了解進排氣過程的壓力及溫度波動情況、預(yù)測及驗證進排氣系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果、進行增壓發(fā)動機的增壓匹配計算等，也是十分重要的。對于進（排）氣過程計算的最簡單的萬法是容積法，又稱充滿-排空法，即把 僅（排）氣管系看成是與原有管道容積相當?shù)囊粋€簡單容器，而容器內(nèi)的壓力變化 完全是由氣體的充填和排空決定的，把一些存在壓力降的過程（如空氣濾清器、其形式與求解缸內(nèi)參數(shù)的 壓力、氣體溫度等熱力學將流入各缸的氣體合理分限于篇幅，這里