第二章內(nèi)燃機的工作循環(huán)

2-1內(nèi)燃機理想循環(huán)在熱機中，確定工質(zhì)所經(jīng)歷的過程稱為循環(huán)。內(nèi)燃機的實際熱力循環(huán)是由進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等多個過程所組成的，循環(huán)中工質(zhì)存在著質(zhì)和量的變化，整個過程是不可逆的。要確切地描述內(nèi)燃機中實際的熱力過程，在目前條件下還非常困難。為了了解內(nèi)燃機的①熱能利用的完善程度；②能量相互轉(zhuǎn)換的效率；③尋求提高熱量利用率的途徑。將內(nèi)燃機的實際循環(huán)進行若干簡化，提出一種假想循環(huán)，這種假想循環(huán)就稱為“理想循環(huán)”。

利用理想循環(huán)能夠清楚的比較說明影響內(nèi)燃機熱能利用完善程度的主要因素。理想循環(huán)的簡化假定：①工質(zhì)是一種理想的完全氣體，在整個循環(huán)中保持物理及化學性質(zhì)不變，其狀態(tài)參數(shù)的變化遵守氣體狀態(tài)方程pV=mRT②不考慮實際存在的工質(zhì)更換以及漏氣損失，工質(zhì)數(shù)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進行的。③把氣缸內(nèi)工質(zhì)的壓縮和膨脹看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進行熱交換，無摩擦、流動損失,工質(zhì)比熱容為常數(shù)。④用假想的定容或定壓加熱來代替實際的燃燒過程，用定容放熱代替實際排氣帶走的熱量。

圖2-1圖2-1（b）為等容循環(huán)（也稱奧托循環(huán)）a—c為絕熱壓縮；c—z為等容加入熱量Q1;z—b為絕熱膨脹；b—a為等容釋放熱量Q2。在壓縮、膨脹過程，工質(zhì)狀態(tài)用表示。根據(jù)加熱方式的不同,理想循環(huán)有三種形式可供分析選擇。壓縮過程的容積變化用壓縮比表示。

膨脹過程的容積變化用后膨脹比表示。定容加熱的壓力升高，以壓力升高比表示。

圖2（c）為等壓循環(huán)（也稱狄賽爾diesel循環(huán)）a—c為絕熱壓縮；c—z為定壓加入熱量Q1;

z—b為絕熱膨脹；b—a為等容釋放熱量Q2。定壓加熱過程的容積變化用初膨脹比表示,其它同等容循環(huán)。

圖2（a）為混合循環(huán)

a→c為絕熱壓縮；c→z為定容加入熱量Q'1;y→z為定壓加熱量Q''1;z→b為絕熱膨脹；b→a為等容釋放熱量Q2。由熱力學知,混合循環(huán)熱效率為：

（2—1）

在定壓循環(huán)中,＝1，代入（2—1），則得定壓循環(huán)的熱效率公式為：（2—2）

在等容循環(huán)中，初膨脹比=1，代入（2—1）式則熱效率的公式為

（2—3）分析上式可知，（1）ε↑，則↑，但隨ε不斷增大，提高幅度逐漸降低。（2）↑，則混合循環(huán)中等容加熱量↑，↑。（3）↑，則負荷pt↑，但下降，因此，按等壓循環(huán)的發(fā)動機，pt↑，則下降。（4）k↑，則↑，但在發(fā)動機中k變化不大。（5）當ε相同時：（6）當pz相同，Q1相同,ε不相同時，這是因pz不變時，等壓循環(huán)的ε最大，而等容循環(huán)的ε最小之故。ptvptvt,,,hhh>>2.2渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)在非增壓的內(nèi)燃機中，工質(zhì)只膨脹到b點，然后由b點等容放熱至a點，損失了排氣中的一部分熱能，如果工質(zhì)由Pz一直膨脹到Pa,即在b點后繼續(xù)膨脹至g點，如圖2－2所示，那么這種循環(huán)，比無渦輪增壓循環(huán)要來的完善，它在相同的加熱條件下，多獲得一部分功（b—g），使提高了。我們稱這種循環(huán)為繼續(xù)膨脹循環(huán)。這種繼續(xù)膨脹循環(huán)如在內(nèi)燃機氣缸中實現(xiàn)，將使氣缸加長，使發(fā)動機重量增加，通常是在發(fā)動機排氣管處加一渦輪，使廢氣在渦輪中繼續(xù)膨脹作功，渦輪再帶動一個壓氣機，將空氣壓縮后再進入氣缸中，提高進缸空氣量，這樣可提高Pt。對渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)而言，一般渦輪增壓內(nèi)燃機渦輪后的排氣壓力略高于大氣壓力，但壓力脈動的幅度不大，因此假定循環(huán)的放熱過程等壓，并假定氣體由氣缸流向渦輪，無流動損失與傳熱損失等。其它假定與非增壓時一樣。

渦輪增壓內(nèi)燃機從氣缸排出的廢氣繼續(xù)膨脹有兩種方式:脈沖渦輪增壓：從氣缸排出的廢氣沿絕熱膨脹線繼續(xù)膨脹，排氣管做成有利于使渦輪進口氣體壓力幅度達到最大，充分利用廢氣中的脈沖能量。但供給渦輪的能量變化大，渦輪效率較低,當<2.5時使用.定壓渦輪增壓：將各缸中排出的廢氣導入一根容積很大的排氣總管，使渦輪前的壓力保持恒定，這種方式的脈沖能量不能利用。但在渦輪中廢氣能量轉(zhuǎn)換是穩(wěn)定的，渦輪效率較高。當＞2.5時,定壓的效率高于脈沖的效率，此時常采用定壓渦輪增壓方式。帶脈沖渦輪增壓的內(nèi)燃機理想循環(huán)如圖2－2所示。

a'—a為壓氣機中的絕熱壓縮；

a—c為氣缸中的絕熱壓縮過程

c—y為氣缸中的定容加熱過程;

y—z為氣缸中的定壓加熱過程

圖2－2無中冷脈沖渦輪增圖2—3帶中冷脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)

z—b為氣缸中的絕熱膨脹過程；b—g為渦輪中的絕熱膨脹過程；g—a‘為渦輪中的定壓放熱過程。也可將脈沖渦增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)視為內(nèi)燃機的理想循環(huán)acyzba和定容燃燒式燃氣輪機理想循環(huán)a‘a(chǎn)bga‘兩部分疊加。為了提高進氣密度，通常對增壓器后的進缸空氣冷卻，工作循環(huán)只是比無中冷的多了一個k—a等壓向冷卻器放熱過程。帶空氣冷卻的脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率的公式為（2－4）無空氣中冷的脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)熱效率只需將溫降比代入（2－4）即可得：

（2－4'）定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)如圖2－4所示，圖2－4定壓渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)帶空氣中冷定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率公式為:（2－5）當＝1，即變?yōu)闊o空氣中冷的定壓渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率公式：（2－5`）2－3內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率如圖2－5所示，圖2－5渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)

據(jù)熱效率的定義，依圖，內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率為：（2－6）式中利用絕熱循環(huán)、等容循環(huán)、等壓循環(huán)過程，確定Q2’和Q2’’中的Tg、Ta’、Tk于是內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率為：（2－7）式（2－7）是內(nèi)燃機理想循環(huán)熱效率的通用表達式。它包含了已討論過的各種循環(huán)方式。下面討論各循環(huán)方式的熱效率及其影響因素。（1）空氣冷卻的影響在其它條件相同的情況下，若采用空氣冷卻，（2－7）式中與有關的項為：

若不采用空氣冷卻，則＝1，上述相關項僅為－k，顯然有：采用空氣冷卻比無中冷循環(huán)的總效率低，但影響很小，例如：當增壓壓力為Pk=0.2MPa時，空氣冷卻后的溫降△T＝30K,而ηt只下降0.4％。在實際發(fā)動機中，對空氣進行冷卻，提高進缸空氣密度是提高內(nèi)燃機強化程度的有效措施，并對發(fā)動機的經(jīng)濟性有益處。實際的發(fā)動機帶中冷的比不帶中冷的油耗率要低。

（2）廢氣能量利用的影響在壓縮比和加熱量一定的情況下，廢氣能量的利用有三種情況：①當達到最大時，導致ηt達最大。此時代入（2－7）式得有空氣冷卻脈沖渦輪增壓內(nèi)燃機理想循環(huán)的熱效率公式

這種循環(huán)因充分利用了廢氣能量，在渦輪中繼續(xù)膨脹作功，熱效率比定壓渦輪增壓的要高。②當＝1，即,為帶中冷得定壓渦輪增壓內(nèi)燃機得情況。將＝1代入式（2－7）中，得熱效率公式;

理論上，定壓渦輪的效率小于脈沖渦輪的效率。在實際發(fā)動機中，因脈沖渦輪的效率較之定壓渦輪的要低，因此，當πk<2.5時，常采用脈沖渦輪增壓，

πk>2.5時，一般采用定壓渦輪增壓。這一點在第七章中將會詳細描述。③當最小時，即πT＝1，而πk

>1時，這時相當于不利用廢氣能量帶中冷的機械增壓內(nèi)燃機循環(huán)。以πT＝1代入（2－7）中的熱效率公式為：（2－8）由（2－8）式可知，在一定下，當πk上升，則下降，由此可得出，增壓壓力越高，經(jīng)濟性越低，機械增壓不宜采用較高的增壓比。（3）若πk＝1，πT＝1，＝1，以ε代替代入（2－7）式，即得到一般非增壓內(nèi)燃機混合循環(huán)熱效率的公式（2－1）。非增壓熱效率的影響因素及其比較前面已講授，這里不再重述。

2.4內(nèi)燃機實際循環(huán)

內(nèi)燃機實際循環(huán)有著許多不可避免的損失，它的熱效率和循環(huán)功比理論循環(huán)的要小，為了減少實際循環(huán)與理論循環(huán)在指標上的差距，有必要分析其原因。圖2－6四沖程內(nèi)燃機實際循環(huán)的p-V示功圖(1)工質(zhì)不同（理想循環(huán)為雙原子氣體；實際的為空氣和燃燒產(chǎn)物的混合物）,①工質(zhì)成分變化柴油機中，燃燒前是新鮮空氣與上循環(huán)的殘留廢氣的混合物，燃燒后，工質(zhì)成分為燃燒產(chǎn)物。②工質(zhì)比熱變化a.理想循環(huán)工質(zhì)的比熱是不隨溫度變化的，實際工質(zhì)（空氣和燃氣的混合物）的比熱隨溫度上升而上升。b.理想的雙原子氣體（O2

，N2，空氣等）比熱比實際的多原子燃氣（CO2，H2O，SO2等）比熱小。如加熱量相同，實際循環(huán)能達到的最高溫度較理想循環(huán)的為低，小些。

③工質(zhì)高溫分解在1300k以上，燃燒產(chǎn)物發(fā)生高溫分解，分解會吸收熱量，使循環(huán)的最高燃燒溫度下降，

④工質(zhì)分子數(shù)發(fā)生變化→燃料燃燒后氣體的千摩值會增大，當工質(zhì)V、T相同時，P會增大，這有利于循環(huán)作功。以上四中變化，以②變化影響最大，其他影響較小。(2)

換氣損失理想循環(huán)是閉式循環(huán)，無工質(zhì)更換，無流動損失。實際循環(huán)，工質(zhì)必須更換，有進、排氣過程。工質(zhì)在進入氣缸和排出氣缸時，以一定的速度流經(jīng)進、排氣管，進、排氣道和進、排氣門，有流動損失。另外為使廢氣排除干凈，排氣門在下止點前打開；使P-V圖上的有用功面積減少b1—d1。圖中b1b1’d1b1和d1rtatd1面積為換氣損失。圖2－6′非增壓柴油機理論循環(huán)和實際循環(huán)p-V圖的比較

（3）渦流與節(jié)流損失活塞的高速運動使工質(zhì)在缸內(nèi)產(chǎn)生渦流，對分開式燃燒室，工質(zhì)流入流出副室時，會在通道中產(chǎn)生節(jié)流損失。使(4)

傳熱損失理想循環(huán)時假設氣缸壁與工質(zhì)無熱交換，實際循環(huán)中，工質(zhì)與氣缸蓋，活塞頂，氣缸壁，進、排氣門有熱交換，使（5）

燃燒不及時，后燃及不完全燃燒損失①燃燒不及時理想循環(huán)假定定容加熱是瞬間完成的，實際循環(huán)時，燃燒需要一定時間。

a.噴油常提前：使著火在上止關前開始，增加了壓縮負功ct’

c1ctct’

。b.燃燒速度有限，傳熱損失及在燃燒過程中活塞離開上止點的運動，使壓力增長ct

z1”

<cz’.初膨脹比減少，損失了cz1”z1。

②后燃當接近z1’點時，氧濃度降低，使燃燒速度下降，在膨脹線e點還在燃燒。這就是后燃現(xiàn)象。e點的位置取決于混合氣形成的完善程度，供油規(guī)律，過量空氣系數(shù)的大小及發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等因素。一般好的情況下在上止點后40℃A～70℃A，也可能拖延到排氣門打開。后燃是在后膨脹比較小的情況下進行的，所以損失了z1z1’ez1,。③不完全燃燒由于混合氣形成不良引起不完全燃燒，使燃料熱值未充分利用，使燃燒膨脹線下移,。

（6）

漏氣損失理想循環(huán)中工質(zhì)質(zhì)量不變。實際循環(huán)中，氣門，活塞環(huán)處有泄露，一般約為總量的0.2%。

上面已就實際循環(huán)與理論循環(huán)的差異做了一般性的比較，下面將繼續(xù)討論壓縮，膨脹過程，燃燒與換氣過程將在后面的章節(jié)詳細論述。

一.壓縮過程理想循環(huán)中，壓縮過程始于下止點，止于上止點，是一個等熵過程，在整個過程工質(zhì)數(shù)量與比熱無變化，與周壁無熱交換。實際循環(huán)中，壓縮過程始于下止點后一定角度（進氣門完全關閉，為使多進氣），結束于上止點前燃油著火時止（提前噴油，因為燃燒有一定滯后），存在失效行程，它是一個多變過程，有泄露，比熱有變化，與周壁有熱交換。（1）

壓縮過程的作用：①擴大了工作循環(huán)的溫度范圍②使循環(huán)的工質(zhì)得到更大的膨脹比，可對活塞多作功。

③提高了工質(zhì)的溫度壓力，為冷起動及著火創(chuàng)造了條件。

（2）

壓縮比壓縮比是一個描述工質(zhì)容積變化和壓縮程度的參數(shù)，定義為壓縮始點容積比上壓縮終點容積，即，對不同類型的

發(fā)動機有不同的要求。理論上，希望越大越好。實際上對有一定的限制。原因如下：①的上限a.對點燃式內(nèi)燃機（如汽油機，煤氣機），在缸內(nèi)被壓縮的是空氣與燃料的混合物，上限受到可燃混合氣早燃或爆燃的限制。因此，上限取值應考慮到燃料的性質(zhì)，傳熱條件及燃燒室結構等因素。b.對壓燃式發(fā)動機（如柴油機）,上限受到機械負荷Pc、Pz，噪聲、排放（溫度高,NOX上升；高溫下CO2分解形成CO）的限制。當上升到一定程度時，上升的程度明顯減少，太高反而得不償失。②的下限a.

對點燃式內(nèi)燃機,在滿足上限的限制下,盡量使高些。

b.對壓燃式發(fā)動機（如柴油機），應保證壓縮終點的溫度不低于燃料著火燃燒的自燃溫度。實際上為便于起動，比這一要求的溫度還應高些。這是因為：提高燃燒柔和。Tc

↑改善冷起動性能,一般比自燃溫度高200-300k一般分開式燃燒室的內(nèi)燃機以及小缸徑內(nèi)燃機均應有較高的壓縮比?；推魇狡蜋C6.5～11.0煤氣機6～10非增壓柴油機16～22（直噴式16～18，間噴式18～23）增壓柴油機11～17

（3）多變壓縮指數(shù)實際循環(huán)中，壓縮過程是一個多變過程，其壓縮多變指數(shù)在整個壓縮過程中是變化的。

工質(zhì)受熱

，n1>k1，工質(zhì)放熱，n1<k1

在壓縮初期，工質(zhì)的溫度低于周圍表面的溫度，工質(zhì)從這些表面吸熱，此時，n1按大于絕熱指數(shù)k1變化。實際壓縮曲線ab比絕熱壓縮曲線an要陡。當繼續(xù)壓縮，工質(zhì)溫度與周壁溫度相等，這時無換熱，,n1=k1。壓縮繼續(xù)進行，工質(zhì)溫度進一步增高，這時工質(zhì)向周壁傳遞熱量，，n1按小于絕熱指數(shù)k1變化，實際壓縮曲線ec比絕熱壓縮曲線em平坦。

m-e絕熱壓縮

a-n絕熱壓縮

a-b-e-c實際壓縮多變過程

圖2-7壓縮曲線圖

實際壓縮過程是一個按n1變化的多變過程，在實際循環(huán)近似計算時，采用變化的n1是困難的，可以用一個平均的n1來代之。只要計算使壓縮過程起點a和終點c的工質(zhì)狀態(tài)與實際過程相符即可。壓縮終點的狀態(tài)參數(shù)可由多變狀態(tài)方程確定：MPa（2-9）K（2-10）一般的范圍為1.32~1.39水冷汽油機 1.36～1.39風冷汽油機 1.39～1.42(因為Qw↓→n1↑)煤氣機 1.37～1.39非增壓柴油機 1.35～1.40(活塞冷卻)增壓柴油機 1.32～1.37(因為Ta↑

→Qw↑→

n1↓

）(活塞冷卻)

由n1的大致范圍可知，實際壓縮過程與理想的壓縮過程還是很接近。n1的大小主要取決于工質(zhì)與周壁熱交換的情況。因而主要受下列因素影響：

轉(zhuǎn)速熱交換時間tn↓→向氣缸壁的傳熱量Qw↓漏氣量↓→(2)負荷pt↑→pt↑→周壁溫度→工質(zhì)向周壁傳熱量Qw↓→(3)

氣缸尺寸↑→氣缸尺寸↑→面容比↓→工質(zhì)向周壁傳熱量Qw↓→(4)

分開式燃燒室的n1<直接噴射式燃燒室的n1因相對散熱表面積大，工質(zhì)熱損失多。(5)

冷卻強度↑→如：水冷比風冷的低(6)

↑→因為傳熱量與漏氣量↑。(7)

進氣終了溫度Ta↑→工質(zhì)向周壁傳熱量Qw↑→如：增壓機n1<非增壓機n1

二、燃燒過程

在理想循環(huán)中，燃燒是在等容與等壓下進行的，不存在損失。在實際循環(huán)中，由于燃燒需要進行一定的時間，需提前供油，燃燒速度也不均勻（有急燃、緩燃），且與活塞運動不同步。另外，存在缺氧和高溫分解，造成燃燒滯后（不及時），后燃，不完全燃燒。在圖上反映是圓弧線。

三、膨脹過程

1.

作用：膨脹過程是內(nèi)燃機的作功過程。一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。

2.

差異：在理想循環(huán)中，膨脹過程為絕熱等熵過程。在實際過程中是一個多變過程：①膨脹過程的前階段是以燃燒,緩燃和后燃為主的過程，后一階段才是以工質(zhì)膨脹為主的熱力過程。②膨脹過程中不僅放出熱量，也改變了工質(zhì)的成分和數(shù)量；還發(fā)生高溫分解產(chǎn)物的重新化合；工質(zhì)向周壁有傳熱，傳熱強度不斷變化；存在漏氣；比熱變化。

3.膨脹多變指數(shù)

n2膨脹過程不是絕熱過程，多變指數(shù)n2是變值。在膨脹過程中，工質(zhì)受熱dQ>0，n2<k2 工質(zhì)放熱dQ<0，n2>k2

圖2-8柴油機膨脹過程曲線示意圖zz1：膨脹初期，后燃較多，過程接近等溫過程，n2≈1。z1z2：后燃及分解產(chǎn)物重新化合，工質(zhì)受熱量大于向缸壁散熱量，所以dQ>0工質(zhì)仍受熱，但比zz1,少，所以n2<k2。

z2z3：后燃減少，分解產(chǎn)物的化合作用仍在進行，工質(zhì)受熱量等于向缸壁散熱量

dQ=0，這時n2=k2。z3b

：后燃已消失，但高溫分解產(chǎn)物化合作用仍在進行，發(fā)出的熱量小于工質(zhì)向缸壁的傳熱量,工質(zhì)放熱dQ<0，n2>k2。在膨脹過程的簡化計算中，與壓縮過程一樣，用一不變的n2來代替變化的n2，并用不變的n2計算膨脹終點pb和Tb，使之與實際相符。膨脹過程可用多變方程表示：（2-11）

（2-12）Pb、Tb的大致范圍：汽油機 pb=0.35～0.5MPa,Tb=1200～1500K非增壓柴油機

pb=0.25～0.6MPa,Tb=1000～1200K

增壓柴油機

pb=0.60～1.0MPa,Tb=1000～1200K

n2的值一般如下：

高速內(nèi)燃機 n2 =1.15～1.24非冷卻活塞柴油機 n2=1.20～1.28冷卻活塞柴油機 n2=1.25