內(nèi)燃機的工作循環(huán)內(nèi)燃機理論培訓(xùn)輔導(dǎo)講義

#式中，lo的單位為kg/kg。一般而言，內(nèi)燃機所用的燃料均為各種碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，難于準(zhǔn)確地確定其中C、H、O三種元素的原子數(shù)c、h及。，另一方面，這三種主要元素的質(zhì)量比可以通過化學(xué)分析方法得到，分別記為gC、gH和gO。根據(jù)定義式，有12cg二 ，c12c+h+16ohg= h12c+h+16o16og= O12c+h+16o化學(xué)計量空然比的計算式就可以寫出簡化式為：y34A1(8c+gj%)如以體積關(guān)系式來計算化學(xué)計量空然比(單位：kmol/kg)，則計算式為:(c+h-o)X(1+3.773)L=—￡2 =1.193(gc+gocx12+hx1+ox16 3H據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)汽油中C、H、O三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.855、0.145和0,而柴油中三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.870、0.126和0.004,代入lo和Lo,就可以求出汽油和柴油的化學(xué)計量比。對于汽油：l=34.41x(0.855+0.145—0)kg/kg=14.796kg/kgo 3L=1.193x(0.855+0.145—0)kmol/kg=0.513kmol/kgo3對于柴油：087l=34.41x(+0.126—0.004)kg/kg=14.177kg/kgo30.87L=34.41x(+0.126—0.004)kmol/kg=0.492kmol/kgo3第二節(jié)內(nèi)燃機的實際循環(huán)通過分析內(nèi)燃機理論循環(huán)和實際循環(huán)的差別,可以找到提高內(nèi)燃機工作過程完善程度的方向。圖3-2給出二者的示功圖。由于工質(zhì)改變弓I型的他失由于工質(zhì)改變弓I型的他失-由于傳熱卻就勵的胡天酎阿祝失時式］理想工質(zhì)j7-4,（實際工質(zhì)支V光）主要差別閨” 樣機理亡蘢戶和買為菸小卜丁圖。 一■、不□. :? 二、換氣損失O 三、傳熱損失四、燃燒損失一、不同工質(zhì)帶來的影響理論循環(huán)的工質(zhì)是理想的雙原子氣體，并假定其物理化學(xué)性質(zhì)在整個循環(huán)過程中是不變的。在實際內(nèi)燃機循環(huán)中，燃燒前的工質(zhì)是由新鮮空氣、燃料蒸氣和上一循環(huán)殘余廢氣等組成的混合氣體，燃燒過程中及燃燒后，工質(zhì)的成分及數(shù)量不斷發(fā)生著變化，三原子氣體占多數(shù)，其比熱容比兩原子氣體大，且隨著溫度的上升而增大，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，其他各項的影響較小一些。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(dá)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(dāng)考慮到工質(zhì)的實際物性時，其熱效率將降低到0.51。從圖3—2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，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(jìn)行所必不可少的。上述過程是通過換氣過程進(jìn)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?xì)庠谂蛎浀较轮裹c前從氣缸內(nèi)排出（沿bidi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(jìn)排氣管、進(jìn)排氣道以及進(jìn)排氣門時，不可避免地存在著流動阻力損失，也需要消耗一部分有用功。上述兩項之和稱為實際循環(huán)的換氣損失。此外，由于進(jìn)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(jìn)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(jìn)入燃燒以及膨脹期，工質(zhì)連續(xù)不斷地向壁面?zhèn)鞒鰺崃?。這樣，與理論循環(huán)相比，示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(fù)荷。在圖3—2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(zhǔn)備、火焰?zhèn)鞑ヅc擴散、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(jìn)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(fù)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(jìn)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(fù)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)橄滦羞\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3—2)前完全加熱(燃燒)完畢，壓力達(dá)到最大，而后進(jìn)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減小(z‘z‘1<z'tzt)。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(rèn)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，經(jīng)常由于供油系統(tǒng)供油不及時、混合氣準(zhǔn)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(dá)到最高點后繼續(xù)進(jìn)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40°?80°(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(xué)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，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。圖3—3是不同型式內(nèi)燃機的燃燒效率隨當(dāng)量燃空比的變化情況、當(dāng)量燃空比定義為混合氣的實際燃空比與該燃料化學(xué)計量燃空比之比，它是過量空氣系數(shù)的倒數(shù)。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(dāng)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。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98％。當(dāng)應(yīng)燃空比圖3-3燃燒效率隨混合氣成分的變化第三節(jié)內(nèi)燃機循環(huán)的熱力學(xué)模型對內(nèi)燃機的熱力學(xué)過程，特別是缸內(nèi)的熱力學(xué)過程進(jìn)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(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，對發(fā)動機的壽命和可靠性進(jìn)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(xué)關(guān)系基礎(chǔ)之上的一種近似的、半經(jīng)驗的估算方法。該方法可以對內(nèi)燃機的工作過程進(jìn)行估算，但其精度和應(yīng)用范圍都受到了很大的限制。20世紀(jì)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(jìn)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(jìn)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。熱力學(xué)模型：以熱力學(xué)基本概念為基礎(chǔ)，不涉及內(nèi)燃機中各種熱力學(xué)參數(shù)在空間場的不均勻性問題以及工作過程的細(xì)節(jié)，又稱為零維模型，較為常用。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(jìn)行數(shù)學(xué)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1）不考慮氣缸內(nèi)各點的壓力、溫度與濃度場的差異，并認(rèn)為在進(jìn)氣期間，流入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(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(zhǔn)穩(wěn)定流動，不計流入或流出時的動能。4）不計及進(jìn)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。、基本的微分方程組將氣缸壁面、活塞頂面以及缸蓋底面所圍成的容積作為一個熱力學(xué)系統(tǒng)，如圖3—4所示。對該變?nèi)莘e熱力學(xué)系統(tǒng)分別應(yīng)用熱力學(xué)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(dāng)?shù)淖儞Q，得到計算內(nèi)燃機工作過程的通用方程組如下dT1 ,dQdQdVdm7dm7dmdud九、——= —（——b+——^一p——十——sh+——eh一u—一m ）d① （史）d①d①d①d①sd①ed①汝d①m{dT下標(biāo)含義：B-burn w-Wall s-suck e-exhaust參數(shù)含義：T-temperaturem-massQ-Quantityofheatdmdmdmdm = B+ s+ ed①d①d①d①pV=mRT式中，下標(biāo)s表示通過進(jìn)氣門流人氣缸的氣體參數(shù)，下標(biāo)e表示通過排氣門流出氣缸的氣體參數(shù)，下標(biāo)B表示燃料燃燒放熱項，下標(biāo)w表示通過壁面與熱力學(xué)系統(tǒng)間發(fā)生的熱量交換。其余無下標(biāo)的各項，分別表示氣缸內(nèi)的有關(guān)參數(shù)，而人為瞬時過量空氣系數(shù)，其意義見下文。為了使得計算順利進(jìn)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(fù)。同時，假設(shè)內(nèi)能為溫度和成分的函數(shù)，并以人來反映混合氣的組成成分，則有圖3-4氣缸內(nèi)工作過程計算簡圖有關(guān)約束條件的計算要點：1）氣缸工作容積根據(jù)活塞連桿機構(gòu)運動學(xué)的幾何關(guān)系式導(dǎo)出dVV+1—cos①+^~（1- -九2sin①）s式中，Vs、Sc和人s（曲柄連稈比）可根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。2）工質(zhì)流入、流出氣缸的質(zhì)量流量，可根據(jù)流體力學(xué)中氣體流經(jīng)節(jié)流過程的計算關(guān)系式推出，其一般形式為dms,e（3—11）式中，下標(biāo)I表示流動上游參數(shù)；①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；中s,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pH〉

p1一kk-1p11<p1一k-1式中，下標(biāo)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=-1苫aFT—T)(3—12)d4 6niwii-1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)用時根據(jù)所研究對象的具體情況選定一種4)燃料的燃燒放熱過程用一個簡化的代用燃燒放熱規(guī)律來代替實際過程，即認(rèn)為燃料是按照一定的函數(shù)形式進(jìn)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(biāo))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dQ B

d①dx mdQ B

d①dx m+1=Hug月——=Hug月6.908 bud① bu①zI*z(①一①0)m+1e6.908 I①z J(3—13)式中，nu為燃燒效率，取決于燃燒方式，而三個主要參數(shù)(燃燒始點①0、燃燒持續(xù)期①z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?3.0，取決于燃燒放熱的速率與方式。5)工質(zhì)物性的計算。為了方便起見，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u-4.1868c-[0.0975+0；0485^\T-273)x106+(7.768+336]T-273)x10-4+? 入0.75j ? 入0.8j’4.896+4641T-273)x10-2+13586]kJ/kgm°l (3—14)I 人0.93J該式適用于混合氣較稀的柴油機，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(xué)關(guān)系式推導(dǎo)得到，這樣，方程組(3—6)、(3—7)、(3—8)中的物性參數(shù)均可以求出。6)瞬時過量空氣系麴定義為缸內(nèi)瞬時空燃比與化學(xué)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dmsd①九='d① (3—15)l[dm~~oJ Bd①d①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(3—6)、(3—7)、(3—8)，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(jìn)行模擬計算。計算一般從壓縮始點(進(jìn)氣門關(guān)閉時刻)開始，依次完成一個完整循環(huán)。當(dāng)再次回到計算始點時，比較兩次計算結(jié)果，如達(dá)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?。1．閉式階段?:?根據(jù)熱力學(xué)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dT1 （dQdV）=|叩一pd①m［jld① dB（3—16）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(jìn)行求解，相對于開式過程［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)量守恒方程項則為dmdm1dQ--=—r~B=———產(chǎn)（3—17）d①d①Hud①對于瞬時過量空氣系數(shù)的變化情況，不難推導(dǎo)出d九 mdQ,=-sB （3—18）d① lm2Hud①oB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)。2．開式階段? 從排氣門開啟至進(jìn)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(xué)系統(tǒng)邊界有氣體流入或流出，該階段的數(shù)學(xué)求解較為復(fù)雜一些，其中，在求解流經(jīng)進(jìn)、排氣門的氣體流量時，需要已知進(jìn)、排氣管內(nèi)的熱力學(xué)狀態(tài)，這就涉及到內(nèi)燃機的另一個過程——進(jìn)排氣管系內(nèi)的熱力學(xué)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，并假定排氣時燃料（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）和空氣是成比例地排出氣缸的，我們可以推導(dǎo)出d入1dm = s（3—19）d①Imd①oB該式將缸內(nèi)氣體成分的變化與進(jìn)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(jìn)排氣過程的計算進(jìn)排氣過程熱力學(xué)參數(shù)的計算，不僅是求解工作過程其他各項熱力學(xué)參數(shù)所必需的，而且對于了解進(jìn)排氣過程的壓力及溫度波動情況、預(yù)測及驗證進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果、進(jìn)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(jìn)（排）氣過程計算的最簡單的方法是容積法，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(dāng)?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、氣門、消聲器等）當(dāng)作節(jié)流元件。這樣，對于簡化后的簡單容