內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)

1、內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán):是燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程，由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等多個過程所組成。在這些過程中，伴隨著各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，同時，機(jī)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。 內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán):將實(shí)際循環(huán)進(jìn)行假設(shè)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(jìn)行細(xì)致分析的物理、化學(xué)過程如可燃混合氣的準(zhǔn)備與燃燒過程等進(jìn)行簡化處理，從而得到便于進(jìn)行定量分析的假想循環(huán)或簡化循環(huán)。對理論循環(huán)進(jìn)行研究可以到達(dá)以下目的： 1)用簡單的公式來說明內(nèi)燃機(jī)工作過程中各根本熱力參數(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(jì)性和

2、以平均壓力為代表的動力性的根本途徑。 2)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實(shí)際內(nèi)燃機(jī)經(jīng)濟(jì)性和工作過程進(jìn)行的完善程度以及改良潛力。 3)有利于分析比擬內(nèi)燃機(jī)不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性和動力性。 建立理論循環(huán)的簡化假設(shè)： 1)以空氣作為工作循環(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(xué)性質(zhì)保持不變，工質(zhì)比熱容為常數(shù)。 2)不考慮實(shí)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(jìn)行的，忽略進(jìn)、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(jìn)行熱量交換。 4)分別用假想的加熱與放熱過程來代替實(shí)際的燃燒過程與排氣過程，并將排氣

3、過程即工質(zhì)的放熱視為等容放熱過程。內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的三種形式：等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)。三種理論循環(huán)的熱效率分析 ：當(dāng)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(dāng)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。由熱效率表達(dá)式，還可以得到如下結(jié)論：提高壓縮比c可以提高熱效率t，但提高率隨著壓縮比c的不斷增大而逐漸降低。增大壓力升高比p可使熱效率t提高。壓縮比c以及壓力升高比p的增加，將導(dǎo)致最高循

4、環(huán)壓力pz的急劇上升。增大初始膨脹比0，可以提高循環(huán)平均壓力，但循環(huán)熱效率t隨之降低。等熵指數(shù)k增大，循環(huán)熱效率t提高。內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作條件的約束和限制： 1)結(jié)構(gòu)條件的限制 從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比c和壓力升高比p時提高循環(huán)熱效率t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(qiáng)度要求更高，這勢必縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動機(jī)的使用可靠性，為此只好增加發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，結(jié)果造成發(fā)動機(jī)體積與制造本錢的增加。 2)機(jī)械效率的限制 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率m是與氣缸中的最高循環(huán)壓力pz密切相關(guān)的。不加限制地提高c以及p，將引起m的下降。從有效指標(biāo)上看，將直接導(dǎo)致壓縮比c，以及壓力

5、升高比p提高而帶來的收益得而復(fù)失。 3)燃燒方面的限制 假設(shè)壓縮比定得過高，汽油機(jī)將會產(chǎn)生爆燃、外表點(diǎn)火等不正常燃燒的現(xiàn)象。對于柴油機(jī)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(jì)的難度增加，也不利于燃燒的高效進(jìn)行。柴油機(jī)的壓縮比c一般在1222之間，最高循環(huán)壓力pz714 MPa，壓力升高比p在1322左右。 汽油機(jī)的壓縮比c612，pz38.5 MPa，p在2.04.0左右。 第二節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué)一、內(nèi)燃機(jī)的燃料一石油燃料二天然氣燃料三代用燃料(一)石油燃料1、石油中烴的分類2、石油的煉制方法與燃料3、柴油和汽油的理化性質(zhì)1、石油中烴的分類

6、從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，石油根本上是 由脂肪族烴、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)，其中直鏈?zhǔn)脚帕械恼龢?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(jī)的燃料；非直鏈排列的異構(gòu)烷抗爆性強(qiáng)，自行著火的傾向比正構(gòu)烷小得多，適合作汽油機(jī)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(biāo)準(zhǔn)。烯烴是種不飽和的鏈狀烴，其熱值較低，著火性能差，只適合作汽油機(jī)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(jī)的燃料。芳香族烴具有較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在高溫下分子不易分裂，抗爆燃性能極強(qiáng)，自燃溫度

7、比脂肪族烴和環(huán)烷族烴高，也適合作汽油機(jī)的燃料或作為汽油的抗爆添加劑。其中，屬于芳香烴的甲基萘與正十六烷還用作評定柴油機(jī)自燃性能(十六烷值)的標(biāo)準(zhǔn)燃料。2. 石油的煉制方法與燃料 直接蒸餾法：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進(jìn)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25一40； 裂解法：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(jìn)行裂解的稱為熱裂解法，使用催化劑(觸媒)進(jìn)行裂解的稱為催化裂解法。 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

8、較差，一般還需要進(jìn)行催化裂解等煉制過程，以保證質(zhì)量。值得強(qiáng)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(jìn)行重整，使其辛烷值水平得到進(jìn)一步提高。3. 柴油和汽油的理化性質(zhì) (1)柴油的理化性質(zhì) 與柴油機(jī)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(diǎn))影響最大1)自燃溫度 柴油在無外源點(diǎn)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

9、自燃性能截然不同的標(biāo)準(zhǔn)燃料作比擬，一種是正十六烷C16H34，自燃性很好，其十六烷值定義為100；另一種是甲基萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定義為0。在標(biāo)準(zhǔn)的專用試驗(yàn)機(jī)上，分別對待試柴油和一定混合比例的正十六烷與甲基萘混合液進(jìn)行自燃性比擬；當(dāng)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(jī)的冷起動，適合于高速柴油機(jī)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。2)低溫流動性(濁點(diǎn)與凝點(diǎn)) 溫度降低時，柴油中所含的高分子烷族烴(如石蠟)

10、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，到達(dá)這一狀態(tài)的溫度值就是柴油的濁點(diǎn)。此時盡管柴油仍然具有流動性，但其析出的結(jié)晶會堵塞濾清器和油管等；當(dāng)溫度再降低時，柴油即完全凝固，此時的溫度稱為凝點(diǎn)。 柴油在低于凝點(diǎn)后，無法正常供給與工作；用降凝劑可以降低凝點(diǎn)，但對濁點(diǎn)影響不大。 我國的國標(biāo)中對輕柴油的標(biāo)號，即是按照柴油的凝點(diǎn)來規(guī)定的。如國產(chǎn)0號柴油凝固點(diǎn)為0，適合夏季使用。-20號柴油凝固點(diǎn)為-20，適合冬季或寒冷地區(qū)使用。3)化學(xué)成分及發(fā)熱量 燃油的化學(xué)成分是用碳、氫、氧、氯四種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在85以上，而含氮那么很少，往往可以忽略不計(jì)。1kg

11、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kJkg。 高熱值：計(jì)及水蒸氣冷凝時放出汽化潛熱的發(fā)熱量； 低熱值：不計(jì)及汽化潛熱的發(fā)熱量。 在內(nèi)燃機(jī)中，燃油的發(fā)熱量常用低熱值：般柴油機(jī)的低熱值為4250044000kJkg。(2)汽油的理化性質(zhì) 對于汽油機(jī)來說，與其性能有關(guān)的燃料特性主要是揮發(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、外表張力以及汽化潛熱等有關(guān)。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燃料時所對應(yīng)的溫度來表示。10餾出溫度越低，那么汽油機(jī)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

12、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(biāo)；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(diǎn)為4080，終餾點(diǎn)為180210。 汽油的飽和蒸氣壓是用標(biāo)準(zhǔn)儀器在一定條件下(38)測定的。蒸氣壓高，揮發(fā)性強(qiáng)、汽油機(jī)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。 汽油的揮發(fā)性應(yīng)當(dāng)滿足發(fā)動機(jī)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(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力稱為燃料的抗爆性。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

13、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。汽油的抗爆性的評價也是基于兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料：辛烷值為100的抗爆性能較佳的異辛烷C8H18和抗爆性較弱、辛烷值為0的正庚烷C7H16。在專用的試驗(yàn)機(jī)上，將所試油料的爆燃強(qiáng)度同標(biāo)準(zhǔn)混合液(異辛烷與正庚烷按一定比例混合的混合液)的爆燃強(qiáng)度相比擬，當(dāng)兩者相同時，標(biāo)準(zhǔn)混合液中所含異辛烷的體積分?jǐn)?shù)，即為所試油料的辛烷值。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的不同，所得的辛院值分別稱為馬達(dá)法MON或研究法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

14、烷值，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)強(qiáng)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(yán)重的危害，同時還會使排氣催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑嚴(yán)重中毒而導(dǎo)致失效，因而逐漸被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進(jìn)的煉制工藝和使用高辛烷值的調(diào)和劑，如參加甲基叔丁基醚(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。汽油和柴油的物性差異決定了汽油機(jī)和柴油機(jī)在混合氣形成、著火和燃燒上的差異1 混合氣形成 汽油機(jī)： 柴油機(jī)： 外部形成 內(nèi)部形成 均勻混合氣 非均勻

15、混合氣 較小 較大 量調(diào)節(jié)負(fù)荷 質(zhì)調(diào)節(jié)負(fù)荷2發(fā)火方式汽油機(jī)： 柴油機(jī)： 外源點(diǎn)火 自行著火 單火源發(fā)火 多火源著火3燃燒方式汽油機(jī)： 柴油機(jī)：以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?以擴(kuò)散燃燒方式為主接近等容燃燒 接近先等容后等壓燃燒 (二)氣體燃料 內(nèi)燃機(jī)所用的氣體燃料主要有天然氣、液化石油氣、氫氣、煤氣、沼氣等。 1.天然氣 天然氣主要成分為鏈烷烴化合物的甲烷CH4 (容積比可達(dá)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(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的燃料時，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，如提高發(fā)動機(jī)的壓縮比等，可以接近原發(fā)動機(jī)的動力性能。同時，天然氣又是一種比擬潔凈的能源，排污低，使用比擬

16、方便，特別是壓縮天然氣(CNGCompressed Natural Gas)，便于儲存，配合相應(yīng)的根底設(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-Liquefied Petroleum Gas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(jī)的燃料，還可以獲得較好的排放性能(三)代用燃料 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??；乙醇主要是將含有

17、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(yùn)輸、貯存系統(tǒng)，相關(guān)的根底設(shè)施建設(shè)投入少，而發(fā)動機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性可以接近或超過原有汽油機(jī)或柴油機(jī)，排氣有害成分少，是一種很有開展前景的代用燃料。2. 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(xué)成分是甘油三酸酯，即由一個分子甘油(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)，大局部那么變成膠狀物，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(yán)重。植物油的十六

18、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(jī)上試用。從長遠(yuǎn)來看，開展非食用植物油作為燃料缺乏的補(bǔ)充，是很有意義的。二、燃燒熱化學(xué) 燃料的燃燒過程就是燃料與空氣中的氧進(jìn)行氧化反響而放出熱量的過程。 1.完全燃燒 從理論上說，當(dāng)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，而空氣中的氮那么并不參與任何反響。如考慮一種通用的碳?xì)浠衔铮淦骄肿咏M成為CcHhOo (下角c、h、o分別表示相應(yīng)元素的原子數(shù))，而空氣那么可以認(rèn)為是多種理想氣體的混合氣體，按容積計(jì)其組成成分為：氧占，氮占，其余為其他氣體。為了方便計(jì)算，可忽略其他氣體成分，即認(rèn)為空氣

19、中除氧外，其余均為氮，這樣對應(yīng)于1mol的氧，有的氮。 碳?xì)淙剂显诳諝庵型耆紵龝r的化學(xué)反響式1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量(質(zhì)量)之比(稱為化學(xué)計(jì)量空燃比)，可以采用下式計(jì)算式中，lo的單位為kgkg。一般而言，內(nèi)燃機(jī)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o，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，有化學(xué)計(jì)量空然比的計(jì)算式就可以寫出簡化式為： 如以體積關(guān)系式來計(jì)算化學(xué)計(jì)量空然比單位：kmol/kg,那么計(jì)算式為：據(jù)統(tǒng)計(jì)，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、0.1

20、45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(jì)量比。對于汽油：對于柴油：內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán) 通過分析內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)的差異，可以找到提高內(nèi)燃機(jī)工作過程完善程度的方向。圖3-2給出二者的示功圖。主要差異一、不同工質(zhì)帶來的影響二、換氣損失三、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(shí)際內(nèi)燃機(jī)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)剩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)

21、，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)比照熱容的影響為最大，其他各項(xiàng)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(shí)際循環(huán)所能夠到達(dá)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、最高壓力為8MPa的混合循環(huán)，其理論熱效率大致為；當(dāng)考慮到工質(zhì)的實(shí)際物性時，其熱效率將降低到。 從圖32的內(nèi)燃機(jī)pv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)

22、，分別低于理論循環(huán)的燃燒膨脹線和壓縮線(點(diǎn)實(shí)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(shí)際循環(huán)中，吸入新鮮空氣與燃料，然后在適宜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(diǎn)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(jìn)排氣管、進(jìn)排氣道以及進(jìn)排氣門

23、時，不可防止地存在著流動阻力損失，也需要消耗一局部有用功。上述兩項(xiàng)之和稱為實(shí)際循環(huán)的換氣損失。此外，由于進(jìn)氣壓力(壓縮始點(diǎn)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(shí)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)直接相接觸的外表，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

24、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(shí)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(jī)受熱零件的熱負(fù)荷。在圖32中，傳熱與流動損失的存在，使示功圖形狀如實(shí)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(yùn)動速度相配合的，以保持缸內(nèi)壓力不變。實(shí)際的燃燒過程需要經(jīng)歷著火準(zhǔn)備、火焰?zhèn)鞑ヅc擴(kuò)散、后燃等環(huán)節(jié)，燃燒速度受到多種

25、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，主要表達(dá)在以下兩個方面。 1. 燃燒速度的有限性 由于實(shí)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(jī)實(shí)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(diǎn)后不久即告結(jié)束，為此就需要在上止點(diǎn)前提前噴入燃油或進(jìn)行點(diǎn)火。這樣，實(shí)際的燃燒過程在上止點(diǎn)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(diǎn)后由上行變?yōu)橄滦羞\(yùn)動而使氣缸體積膨脹，使得壓力升高率明顯

26、低于理論循環(huán)值，于是實(shí)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(diǎn)(zt點(diǎn)，見圖32)前完全加熱(燃燒)完畢，壓力到達(dá)最大，而后進(jìn)入膨脹過程；而實(shí)際的燃燒過程那么由于傳熱損失、不完全燃燒、后燃以及活塞運(yùn)動等因素，使初始膨脹比0減小(zz1ztzt。 以上種種影響因素，使得實(shí)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(shí)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、燃燒后期氧氣缺

27、乏等原因而導(dǎo)致燃燒速度減緩，仍有局部燃油在氣缸壓力到達(dá)最高點(diǎn)后繼續(xù)進(jìn)行燃燒，稱之為后燃。根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速以及混合氣的不同情況，后燃可能持續(xù)到上止點(diǎn)后4080(CA)才結(jié)束，但也有可能一直拖延到排氣門翻開之時。除此之外，還有少量燃油由于未來得及燃燒而直接排出機(jī)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(jì)及該損失的大小，引入燃燒效率的概念。為此，將內(nèi)燃機(jī)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(jī)械功；由燃料和空氣組成的反響物流入系統(tǒng)，流出系統(tǒng)的是燃燒產(chǎn)物(廢氣)。燃燒效率的定義為：

28、燃料在該系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)燃燒反響所釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總能量之比。圖33是不同型式內(nèi)燃機(jī)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(shí)際燃空比與該燃料化學(xué)計(jì)量燃空比之比，它是過量空氣系數(shù)的倒數(shù)。 汽油機(jī)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(jī)由于一直運(yùn)行在混合氣較稀的狀態(tài)，其燃燒效率相對較高，大約為98。內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型 對內(nèi)燃機(jī)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(jì)算，在內(nèi)燃機(jī)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(jì)發(fā)動機(jī)的初步性能，進(jìn)行

29、多方案的比擬，以期獲得最正確的設(shè)計(jì)方案，而且也可以對結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對發(fā)動機(jī)的壽命和可靠性進(jìn)行預(yù)測，以減少試驗(yàn)的工作量，縮短發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)周期，節(jié)省開發(fā)研究費(fèi)用。 內(nèi)燃機(jī)工作過程的模擬預(yù)測計(jì)算，最早采用的是熱力計(jì)算法，它是建立在簡單熱力學(xué)關(guān)系根底之上的一種近似的、半經(jīng)驗(yàn)的估算方法。該方法可以對內(nèi)燃機(jī)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(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善和計(jì)算機(jī)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(jì)手段的更新和設(shè)計(jì)觀念的變革。與此同時，用于內(nèi)燃機(jī)的商品化軟件陸續(xù)推出，其功能也不斷完善，從零

30、維模型到多維模型，從整機(jī)到分部件、分系統(tǒng)的計(jì)算軟件，從性能預(yù)測到強(qiáng)度分析等等不一而足。 熱力學(xué)模型：以熱力學(xué)根本概念為根底，不涉及內(nèi)燃機(jī)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。其根本的思路是：從內(nèi)燃機(jī)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(shí)際工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，通過編制計(jì)算機(jī)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(jì)算公式，計(jì)算出發(fā)動機(jī)的宏觀性能參數(shù)。一、模型的假定 1)不考慮氣缸內(nèi)各點(diǎn)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)的剩余廢氣實(shí)現(xiàn)瞬時的完全混合，缸內(nèi)的狀態(tài)是均

31、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(jì)流入或流出時的動能。 4)不計(jì)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。二、根本的微分方程組 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34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(jì)算內(nèi)燃機(jī)工作過程的通用方程組如下下標(biāo)含義: B-burn w-Wall s-suck e-exhaust參數(shù)含義: T-temperature m-mass Q-Quanti

32、ty of heat 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(xiàng)，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(xiàng)，分別表示氣缸內(nèi)的有關(guān)參數(shù)，而為瞬時過量空氣系數(shù)，其意義見下文。為了使得計(jì)算順利進(jìn)行，假定參加系統(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)，并以來反映混合氣的組成成分，那么有 有關(guān)約束條件的計(jì)算要點(diǎn)： 1)氣缸工作容積根據(jù)活塞連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的幾何關(guān)系式導(dǎo)出 式中，Vs、c和s(曲柄連稈比)可根據(jù)發(fā)動機(jī)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

33、學(xué)中氣體流經(jīng)節(jié)流過程的計(jì)算關(guān)系式推出，其一般形式為 311式中，下標(biāo)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(yàn)結(jié)果與幾何關(guān)系確定；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(jì)算式為式中，下標(biāo)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(jì)算式為 312式中，各換熱外表積Fi可根據(jù)活塞位移情況以及發(fā)動機(jī)的幾何參數(shù)確定；壁面溫度Twi根據(jù)統(tǒng)計(jì)值選定；換熱系數(shù)有多種經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的回歸公式，實(shí)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(shí)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

34、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(shí)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 313式中，u為燃燒效率，取決于燃燒方式，而三個主要參數(shù)(燃燒始點(diǎn)0、燃燒持續(xù)期z以及燃燒品質(zhì)指數(shù)m)也與內(nèi)燃機(jī)的類型有關(guān)，其中m的變化范圍為，取決于燃燒放熱的速率與方式。 5)工質(zhì)物性的計(jì)算。為了方便起見，用一個簡化關(guān)系式來計(jì)算物性參數(shù)，如較為常用的Justi公式kJkgmol 314該式適用于混合氣較稀的柴油機(jī)，而汽油機(jī)由于存在不完全燃燒、高溫分解等特殊現(xiàn)象，其計(jì)算式較為復(fù)雜一些。 在得到內(nèi)能或焓的計(jì)算式之后，其

35、他的物性參數(shù)均可以通過根本熱力學(xué)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。6) 瞬時過量空氣系數(shù)定義為缸內(nèi)瞬時空燃比與化學(xué)計(jì)量空燃比的比值，而瞬時空燃比那么是某一瞬時缸內(nèi)的空氣質(zhì)量與該瞬時缸內(nèi)累計(jì)燃料質(zhì)量之比，即 315對于首次迭代計(jì)算或缸內(nèi)無剩余廢氣時，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(shí)際工作過程的計(jì)算 應(yīng)用以上建立的微分方程組(36)、(37)、(38)，結(jié)合補(bǔ)充的各種約束條件，即可對內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算一般從壓縮始點(diǎn)(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(jì)算始點(diǎn)時，比擬兩次計(jì)算結(jié)果，如達(dá)不到

36、精度要求，那么將計(jì)算得到的始點(diǎn)參數(shù)作為初始參數(shù)重新計(jì)算，直到滿足要求。 根據(jù)缸內(nèi)實(shí)際過程在各個階段的不同特點(diǎn)，上述微分方程組呈現(xiàn)出不同的簡化形式。可以采用不同的處理方法。 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(jī)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(xiàng)賂去，這樣能量守恒方程就變換為 316該方程與氣體狀態(tài)方程聯(lián)立，即可對內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)進(jìn)行求解，相對于開式過程見式(36)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(xiàng)那么為 317對于瞬時過量空氣系數(shù)的變化情況，不難推導(dǎo)出 318這樣，能量守恒方程中的各項(xiàng)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