《內(nèi)燃機(jī)學(xué) 第5版》 課件 第3章 內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)

3.1內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán) 3.2內(nèi)燃機(jī)的實際循環(huán)3.3四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程3.4提高內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)效率3.5內(nèi)燃機(jī)的增壓

第三章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)ENGINEOPERATINGCYCLES主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)理論循環(huán)效率的比較IdealEngineCycles主要學(xué)習(xí)內(nèi)容1）以空氣為工質(zhì)，并視為理想氣體，在整個循環(huán)中工質(zhì)物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變，比熱容為常數(shù)。Idealgas2）把壓縮和膨脹過程簡化成理想的絕熱等熵可逆過程，忽略工質(zhì)與外界的熱量交換及其泄漏對循環(huán)的影響。Thermodynamicengine3）將燃燒過程簡化為等容、等壓或混合加熱過程，將排氣過程簡化為等容放熱過程。IdealHeatingProcess4）忽略發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣過程，將實際的開口循環(huán)簡化為閉口循環(huán)。一、發(fā)動機(jī)實際工作過程的基本假設(shè)四沖程內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)

4StrokeEngineIdealCycles

(a)等容加熱循環(huán)(b)等壓加熱循環(huán)(c)混合加熱循環(huán)二、四沖程內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)IdealcyclethermalefficiencyCyclemeaneffectivepressure提高壓縮比增大壓力升高比減小初期膨脹比發(fā)動機(jī)的熱效率和發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)及燃燒室結(jié)構(gòu)型式無關(guān)三、理論循環(huán)分析1、提高循環(huán)熱效率的分析增壓、中冷、擴(kuò)缸等，增加循環(huán)供油量提高發(fā)動機(jī)的熱效率提高壓縮比，增大壓力升高比減小初期膨脹比2、提高循環(huán)動力性的分析3、不同循環(huán)效率的比較s

壓縮比和加熱量相同時的比較3、不同循環(huán)效率的比較最高壓力和溫度相同時的比較簡化內(nèi)燃機(jī)的實際工作過程闡明各基本熱力參數(shù)間的關(guān)系，明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和以循環(huán)平均壓力為代表的動力性的基本途徑。確定循環(huán)熱效率的理論限值，以判斷實際內(nèi)燃機(jī)工作過程的經(jīng)濟(jì)性和循環(huán)進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。有利于比較內(nèi)燃機(jī)各種熱力循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動力性。發(fā)動機(jī)理論循環(huán)的意義發(fā)動機(jī)理論循環(huán)的應(yīng)用條件理論上能夠提高內(nèi)燃機(jī)循環(huán)熱效率和平均壓力的措施，往往受到內(nèi)燃機(jī)實際工作條件的限制。1、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制2、機(jī)械效率的限制3、燃燒方面的限制4、排放方面的限制第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)的實際循環(huán)主要學(xué)習(xí)內(nèi)容RealEngineCycle內(nèi)燃機(jī)的實際循環(huán)實際循環(huán)的損失內(nèi)燃機(jī)的實際循環(huán)RealEngineCycleIdealgasThermodynamicengine(iso-entropy,reversible)idealheatingprocessesNopumpinglossesrealgasheattransfer,irreversiblerealcombustionheatreleasepumpingloss實際循環(huán)損失DifferencesofRealCycle與理論循環(huán)相比，內(nèi)燃機(jī)的實際循環(huán)存在著以下?lián)p失。工質(zhì)造成的損失傳熱損失換氣損失燃燒損失一、工質(zhì)的影響EffectofGases實際氣體，比熱容、比熱比在整個循環(huán)過程中隨溫度而變。工質(zhì)的成分和質(zhì)量燃燒前后不斷變化。燃燒產(chǎn)物還存在著高溫分解及在膨脹過程中的復(fù)合放熱現(xiàn)象。二、傳熱損失EffectofHeatTransfer 與工質(zhì)直接接觸的缸套內(nèi)壁面活塞頂面氣缸蓋火力面等始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。三、換氣損失EffectofGasExchange排氣門提前開啟造成膨脹功減少。活塞強(qiáng)制排氣的推出功。流動阻力損失造成吸氣負(fù)功。四、燃燒損失EffectofCombustion 加熱方式非等容條非等壓，燃燒放熱速度有限造成：早燃造成壓縮負(fù)功損失燃燒放熱速度有限造成最高壓力和溫度下降后燃造成膨脹功減少及不完全燃燒20內(nèi)燃機(jī)的換氣損失內(nèi)燃機(jī)換氣過程

主要學(xué)習(xí)內(nèi)容第三節(jié)四沖程內(nèi)燃機(jī)的換氣過程Gasexchangeprocessesin4strokeengine211：進(jìn)氣行程

2：壓縮行程

3：膨脹行程

4：排氣行程

換氣過程概述

INTRODUCTION22

一、配氣相位與低壓p-V示功圖排氣門開啟進(jìn)氣門關(guān)閉進(jìn)氣門打開排氣門關(guān)閉Valvetimingandp-VdiagramInletValveOpenExhaustValveOpenInletValveCloseExhaustValveClose23二、氣門升程與低壓p－示功圖排氣門升程進(jìn)氣門升程氣缸壓力Valveliftandp-diagram24排氣過程EXHAUSTINGPROCESS

（EVOEVC）

1

2EVOBDC自由排氣BDCTDC強(qiáng)制排氣TDCEVC掃氣25按燃?xì)鈱钊淖饔茫?/p>

自由排氣和強(qiáng)制排氣(Blowdownanddisplacement)按排氣流動的性質(zhì)：

超臨界流動和亞臨界流動(Criticalandsubcriticalflow)超臨界狀態(tài)排氣的流量只取決于缸內(nèi)氣體狀態(tài)和排氣門有效流通面積的大小。亞臨界流動階段排氣的流量不僅與排氣門的有效流動截面有關(guān)，還與缸內(nèi)和排氣管內(nèi)氣體的壓差有關(guān)。一、排氣過程(EXHAUSTING)26二、排氣提前角(EXHAUSTADVANCING)

排氣門在膨脹沖程到達(dá)下止點前的某一曲軸轉(zhuǎn)角位置提前開啟的角度。

增加排氣流通面積（時面值or角面值），減少排氣沖程所消耗的活塞推出功。

作用

定義

選擇27排氣門在上止點后關(guān)閉的角度。三、排氣門遲閉角(EXHAUSTLAG)

定義避免因排氣流動截面積過早減小而造成的排氣阻力的增加，使缸內(nèi)的殘余廢氣量增加。利用排氣管內(nèi)氣體流動的慣性從氣缸內(nèi)抽吸一部分廢氣，實現(xiàn)過后排氣。3.掃氣作用。

作用

選擇28進(jìn)氣過程INDUCTIONPROCESS（IVOIVC）

34IVOTDC進(jìn)氣掃氣TDCBDC吸氣BDCIVC過后進(jìn)氣29一、進(jìn)氣過程(INDUCTION)從進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)吸入新鮮充量的整個過程稱為進(jìn)氣過程。

定義30二、進(jìn)氣提前角(INTAKEADVANCING)

為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸氣上止點前提前開啟的角度。

作用

定義增加進(jìn)氣流通面積（時面值or角面值）,提高充量系數(shù)。

選擇31

利用在進(jìn)氣過程中形成的氣流慣性，實現(xiàn)向氣缸的過后充氣，增加缸內(nèi)充量。三、進(jìn)氣門遲閉角(INTAKELAG)

為了增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量，進(jìn)氣門在吸氣下止點后，推遲關(guān)閉的角度。

作用

定義

選擇32（IVOEVC）

32氣門疊開和燃燒室掃氣過程一、氣門疊開(OVERLAP)從進(jìn)氣門開啟到排氣門關(guān)閉這段曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，出現(xiàn)進(jìn)排氣門同時開啟的現(xiàn)象。OVERLAPandSCAVEGING33二、氣門疊開角(OVERLAPPERIOD)氣門疊開所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

氣門疊開角的選擇34三、掃氣作用(SCAVEGING)

有利于掃除缸內(nèi)的殘余廢氣，增加進(jìn)入氣缸的新鮮充量?？捎眯迈r充量降低燃燒室內(nèi)氣缸蓋、排氣門、活塞頂、缸套的溫度以及排氣的溫度。3536正氣門重疊和負(fù)氣門重疊

POSITIVE&NEGATIVEOVERLAP排氣門在上止點前數(shù)十度曲軸轉(zhuǎn)角就提前關(guān)閉，使相當(dāng)一部分廢氣不能排出氣缸而成為殘余廢氣。進(jìn)氣門打開的時間被推遲到上止點后直至缸內(nèi)壓力下降至大氣壓這樣進(jìn)排氣閥打開的時間不再重疊，反而有相當(dāng)大的間隔，稱為負(fù)的氣閥重疊。負(fù)氣門重疊(虛線)正氣門重疊(實線)在上止點進(jìn)氣門和排氣門同時開啟，有利于增加新鮮充量和進(jìn)行燃燒室掃氣。

37一、自然吸氣內(nèi)燃機(jī)的換氣過程

GasexchangingProcessinNaturalAspiredEngine理論循環(huán)換氣過程：

排氣門在下止點打開，沒有膨脹損失進(jìn)排氣行程缸內(nèi)壓力與大氣壓力相等，因而也沒有泵氣損失。實際循環(huán)換氣過程：

1.膨脹損失W2.推出損失X3.吸氣損失Y自然吸氣內(nèi)燃機(jī)實際換氣過程換氣損失INTRODUCTION38理論換氣過程：排氣門在下止點打開，沒有膨脹損失排氣行程沿pT,進(jìn)氣行程沿pb換氣過程獲得矩形面積所示的功。實際換氣過程：換氣損失為面積W+X+Y換氣過程所獲得的換氣功為矩形的面積與換氣損失之差。換氣功小于理論換氣功值。二、增壓內(nèi)燃機(jī)的換氣過程

GasexchangingProcessinSuperchargedEngineATTENTION:增壓機(jī)并不總是獲得正的泵氣功39構(gòu)成

1.排氣過程損失

膨脹損失+推出損失

2.進(jìn)氣過程損失

換氣損失LOSTWORK與理論循環(huán)相比，實際循環(huán)的在換氣過程中所產(chǎn)生的功的損失。定義40一、膨脹損失（EXPANSIONWORKLOSS）

從排氣門提前開啟到下止點這一時期，由于提前排氣造成了缸內(nèi)壓力下降，使膨脹功減少.41

二、推出功損失(DISPLACEMENTWORK)活塞由下止點向上止點的強(qiáng)制排氣行程所消耗的功。42三、排氣損失(DISCHARGINGLOSSES)膨脹損失和推出損失二者之和。43四、排氣提前角和轉(zhuǎn)速對排氣損失的影響EFFECTSONEXCHANGINGLOSSES

發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，相同的排氣提前角所對應(yīng)的排氣時間就變短，通過排氣門排出的廢氣量減少，膨脹損失減少，但缸內(nèi)壓力水平提高，因而活塞推出損失大大增加。44五、進(jìn)氣損失（INTAKINGLOSS）

由于進(jìn)氣道、進(jìn)氣門等處存在流動阻力損失，在大部分曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)壓力低于大氣壓力線（圖b）或增壓壓力線（圖d），從而造成循環(huán)有用功的減少。45六、換氣損失隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的變化1.進(jìn)氣損失明顯小于排氣損失。

2.進(jìn)氣損失影響充量系數(shù)，因而對發(fā)動機(jī)的性能影響更大。46一、泵氣過程PumpingProcesses泵氣功與泵氣損失PUMPINGWORK&LOSSES強(qiáng)制排氣行程排氣下止點至上止點吸氣行程吸氣上止點至下止點47自然吸氣內(nèi)燃機(jī)：

增壓內(nèi)燃機(jī)

：二、理想循環(huán)的泵氣功與泵氣損失Idealcyclepumpingworkandlosses48三、實際循環(huán)中的泵氣功與泵氣損失自然吸氣內(nèi)燃機(jī)

:增壓內(nèi)燃機(jī)

:Realcyclepumpingworkandlosses49

第四節(jié)提高內(nèi)燃機(jī)的循環(huán)效率提高循環(huán)效率的方法提高效率的工程實踐主要學(xué)習(xí)內(nèi)容IMPROVEMENTofCYCLICEFFICIENCY提高壓縮比增大壓力升高比減小初期膨脹比/增加膨脹比增加比熱比提高內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱效率提高燃燒速度，減少不完全燃燒損失。減少傳熱損失。減少換氣損失。提高熱效率之工程實踐可變配氣系統(tǒng)增壓小型化技術(shù)內(nèi)容龐雜，無以概全。52可變配氣系統(tǒng)減少泵氣損失提高充量系數(shù)，提高動力性降低排放53可變配氣系統(tǒng)54增壓小型化增壓小型化汽油機(jī)增壓小型化柴油機(jī)55增壓小型化小型化使摩擦損失減少發(fā)動機(jī)的負(fù)荷率提高，使效率提高火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短，可采用較高壓縮比采用缸內(nèi)直噴，提高壓縮比增壓在進(jìn)氣量，提高動力性增加減少泵氣損失56第5節(jié)內(nèi)燃機(jī)的增壓

內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)概述渦輪增壓器的工作特性壓氣機(jī)的工作特性渦輪機(jī)的工作特性柴油的我增壓技術(shù)汽油機(jī)的增壓技術(shù)渦輪增壓器與發(fā)動機(jī)的匹配SUPERCHARGING主要學(xué)習(xí)內(nèi)容57內(nèi)燃機(jī)增壓概述INTRODUTION一、內(nèi)燃機(jī)的增壓定義DefinitionSuperchargingreferstoincreasetheairorfuel-airmixturedensitybyincreasingitspressurepriortoenteringtheenginecylinder58二、內(nèi)燃機(jī)增壓的歷史1907美國路易斯?雷諾（LouisRenault）

機(jī)械增壓發(fā)動機(jī)1915瑞士阿爾弗雷德?波希(AlfredBuchi)

排氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù)：增壓壓力、溫度、流量排氣溫度、渦輪轉(zhuǎn)速增壓器電子控制技術(shù)59機(jī)械增壓(Mechanicalsupercharging)

發(fā)動機(jī)輸出軸直接驅(qū)動機(jī)械增壓裝置，實現(xiàn)對進(jìn)氣的壓縮。螺桿式、離心式、滑片式、渦旋式、轉(zhuǎn)子活塞式等壓縮機(jī)排氣渦輪增壓(Turbocharging)壓氣機(jī)與渦輪同軸相連，構(gòu)成渦輪增壓器。排氣推動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣機(jī)工作，實現(xiàn)進(jìn)氣增壓。定壓和脈沖渦輪增壓兩種。三、內(nèi)燃機(jī)增壓的方式

SuperchargingTechnologies603.氣波增壓(Comprex)

氣波增壓器利用排氣系統(tǒng)中的壓力波動壓縮進(jìn)氣。復(fù)合增壓(CombinedSupercharging)

組合上述多種增壓方式，以獲得更好的增壓效果。渦輪復(fù)合(Turbo-compounding)61機(jī)械增壓器(COMPRESSOR)Twin-screwsupercharger

62機(jī)械增壓器(COMPRESSOR)63排氣渦輪增壓(TURBOCHARGOR)64氣波增壓(COMPREX)65二、增壓對內(nèi)燃機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響目的:

提高動力性，并降低排放。BOOSTINGTHEENGINEPOWER66三、發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的優(yōu)勢與代價Advantagesanddisadvantages優(yōu)勢代價發(fā)動機(jī)動力性與經(jīng)濟(jì)性提高體積和質(zhì)量功率密度提高材料利用率提高，成本下降排氣噪聲降低，高原功率恢復(fù)，壓力升高率和燃燒噪聲降低HC、CO和碳煙排放降低技術(shù)適用性廣機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷增加加速響應(yīng)性能變差對低速轉(zhuǎn)矩有不利的影響增壓發(fā)動機(jī)性能的進(jìn)一步優(yōu)化，受到增壓器及中冷器的限制。67排氣渦輪增壓（turbocharging）68一、排氣渦輪增壓器（TURBOCHARGOR）69工作過程進(jìn)口段：新鮮充量沿截面收縮的軸向進(jìn)氣道進(jìn)入工作輪，壓力溫度略有下降，氣流略有加速。葉輪通道：氣流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的工作輪上葉片組成的氣流通道內(nèi)，吸收葉輪的機(jī)械能，使氣體的壓力、流動速度和溫度均有較大的增長。擴(kuò)壓器：通道流通截面積逐漸增大，氣體動能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瑝毫蜏囟冗M(jìn)一步升高，速度下降。集氣蝸殼：收集氣體向內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管輸送。二、離心式壓氣機(jī)的工作特性CENTRIFUGALCOMPRESSORPEFORMANCE70氣體溫度、速度和壓力變化過程

71壓氣機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換COMPRESSOREFFICIENCYEnthalpy-entropydiagram壓氣機(jī)消耗的機(jī)械功為：

壓氣機(jī)的等熵效率為：72離心式壓氣機(jī)的特性以流量為橫坐標(biāo)，壓比為縱坐標(biāo)，把不同轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)特性曲線繪制在一起，其中效率以等值線的形式表示，稱為壓氣機(jī)的萬有特性。流量特性在同一轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)增壓比和效率隨壓氣機(jī)流量的變化關(guān)系簡稱為壓氣機(jī)的（流量）特性。PerformanceofCompressor73壓氣機(jī)損失分析圖AnalysisofEfficiency摩擦損失氣流內(nèi)部及氣流與工作輪葉片表面、擴(kuò)壓器葉片表面等發(fā)生摩擦而產(chǎn)生。轉(zhuǎn)速一定，流量增加，氣流速度增大，摩擦加劇，摩擦損失增大而增加。撞擊損失氣流與葉片撞擊造成。設(shè)計工況下最小，偏離設(shè)計工況撞擊損失增加74壓氣機(jī)的喘振（surge）

一定轉(zhuǎn)速下，當(dāng)壓氣機(jī)的氣體流量減小到一定程度后，壓氣機(jī)進(jìn)口空氣流量的變得不穩(wěn)定或者震蕩的狀態(tài)就叫做喘振。進(jìn)氣在葉輪入口處出現(xiàn)邊界層的分離，導(dǎo)致氣體回流，擴(kuò)展到壓氣機(jī)的其他部分，出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，引起工作輪葉片強(qiáng)烈的振動，并產(chǎn)生很大的噪音的現(xiàn)象。各種轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)喘振的工作點聯(lián)在一起。75喘振的狀態(tài)用一個統(tǒng)計數(shù)喘震值來描述76壓氣機(jī)的喘振（surge）其中σ為連續(xù)20個入口壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m為平均值s<=8%，輕微喘振狀態(tài)，s>12%嚴(yán)重喘振狀態(tài)。77壓氣機(jī)的堵塞（CHOKING）某一轉(zhuǎn)速下，當(dāng)流量增加到一定數(shù)值后，壓氣機(jī)的增壓比和效率均急速下降，而流量卻不會增加的現(xiàn)象。一般當(dāng)壓氣機(jī)效率低于65％后就認(rèn)為壓氣機(jī)發(fā)生堵塞。增加壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速才能繼續(xù)增加流量。78壓氣機(jī)的通用特性

（UNIVERSALPERFORMANCEMAP）折合流量:折合轉(zhuǎn)速:根據(jù)相似理論，不管壓氣機(jī)進(jìn)口條件如何，只要馬赫數(shù)相同，在壓氣機(jī)內(nèi)的氣體流動就相似，流動損失也相似。馬赫數(shù)表示流動相似不直觀，采用與上述相似參數(shù)成正比的折合參數(shù)來表示。折合參數(shù)分別是:79壓氣機(jī)的通用特性曲線80徑流式渦輪機(jī)的工作原理

噴嘴環(huán)是由周向均勻安裝、帶有一定傾角的多個葉片組成，葉片之間形成漸縮通道。內(nèi)燃機(jī)高溫排氣流過噴嘴環(huán)時被加速，壓力、溫度下降，速度大大增加，一部分排氣能量轉(zhuǎn)化為氣流的動能。部分小型渦輪常設(shè)計為無葉噴嘴環(huán)結(jié)構(gòu)。三、徑流式渦輪機(jī)的工作原理RADIALTURBINE81壓氣機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換（TURBINEEFFICIENCY）渦輪等熵效率：渦輪機(jī)功率為：82徑流渦輪通用特性(UNIVERSALTURBINEMAP)在一定轉(zhuǎn)速下，隨著流量的增加，渦輪機(jī)也存在一個堵塞流量。堵塞發(fā)生意味著在渦輪的內(nèi)部某處氣流速已達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?。堵塞一般易發(fā)生在噴嘴出口截面。83排氣渦輪增壓系統(tǒng)簡介

TURBOCHARGINGSYSTEM

定壓渦輪增壓系統(tǒng)脈沖渦輪增壓系統(tǒng)84一、定壓渦輪增壓系統(tǒng)

定壓增壓

把內(nèi)燃機(jī)所有氣缸的排氣收集到一個體積足夠大的排氣管內(nèi)，然后再引入渦輪。由于排氣管的穩(wěn)壓作用，渦輪入口處的壓力基本不變，故稱為定壓增壓。特點渦輪在定壓下全周進(jìn)氣，渦輪效率較高氣流引起的激振和沖擊小，工作穩(wěn)定排氣系統(tǒng)簡單，成本較低，易于布置和維護(hù)缺點

脈沖能量的利用率較低，加速性能差。CONSTANTPRESSURETURBOCHARGINGSYSTEM85定壓渦輪增壓系統(tǒng)能量平衡EnergyAnalysis

86二、脈沖渦輪增壓系統(tǒng)排氣管短而細(xì)，排氣系統(tǒng)容積小，排氣過程造成渦輪進(jìn)口壓力的周期性脈動。渦輪是在進(jìn)口壓力有較大波動的情況下工作的，所以稱為脈沖渦輪增壓。PulseTurbochargingSystem脈沖增壓缺點特點排氣系統(tǒng)容積小，渦輪是在進(jìn)口壓力脈動。節(jié)流損失減小，排氣能量利用率提高。加速響應(yīng)快排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置較困難。渦輪受沖擊較大，對壽命有一定影響。87三