四冲程发动机的实际循环

由于进气阻力，气流受高温零 件及残余废气的加热，有如下 关系
汽油机 柴油机 增压柴油机 增压压力
Pa (0.80 ~ 0.90)P0 Pa (0.85 ~ 0.95)P0
Pa (0.90 ~ 1.0)Pk
Pk (1.3 ~ 2.0)P0
Ta 340～380 k Ta 300～340 k Ta 320～380 k
石油缺乏： 根据英国石油公司《世界能源统计评论》的数据，截止2003年底，
世界已探明石油储量为11480亿桶，合计1570亿吨。从现有数据来看，如 果石油消费保持现在的速度，世界石油储备还可以满足40年到50年之需。
我国石油储藏量居世界第八位。但人均储藏量远远小于世界平均水平。 仅占世界总量的2.3%,可开采年限只有20.6年,大大低于世界平均年限 42.8年。
2.压缩过程
四冲程发动机的实际循环
汽油机
n1=1.32~1.38
柴油机
n1=1.38~1.40
增压柴油机
n1=1.35～1.37
工质温度低，被加热，多变指数大于绝热指数，工质温
度高，放热，多变指数小于绝热指数
汽油机
PC (MPa)
0.8~2.0
TC (K )
600～750
柴油机
3.0~5. 0
750~1000
一、汽车发动机的发展
1.汽车发动机发展史的回顾
1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力， 第一次提出了燃料与空气混合的概念； 1799年提出点燃煤 气等
1816年R.stirling发明了热空气发动机 1817年Rivaz开发了第一台大气压下的氢气发动机 1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动 活塞作功的设计； 1860年Lenoir发明第一台煤气发动机，人们开始意识到 燃料在密闭室内燃烧。
P
Z´´
Q 1V
Q 1PZ
c
b
Q2 a
Vc
Va V
示功图
T
Z
Q 1P
Q 1V Z´´
c
b
Q2
a
S
温熵图
3. 循环热效率
发动机的理论循环过程
1 Q2
Q1
Tc

Ta
(Va Vc
)k
1
Ta k 1
P
Z´´
Q 1V
Q 1PZ
Tz

Tc
(
Pz Pc
)
Ta k1
为压力升高比
Pb (MPa)
1 Tb (K )
汽油机 柴油机
0.3~0.6 0.2~0. 5
1200～1500 1000~1200
5.排气过程
四冲程发动机的实际循环
由于排气系统阻力，排气终了的压力大于大气压力
汽油机和柴油机 废气涡轮增压柴油机 汽油机 柴油机
Pr (1.05 ~ 1.2)P0
Pr (0.75 ~ 1.0)P0 Tr 900～1100 k Tr 700～900 k
扩大循环温差，增大膨胀比，如图1-2所示。图1-3表示定容
加热循环热效率随压缩比变化的情况。在 较低 时，随着
的提高，效率增长很快；在 较大时，再增加 则效 果较
小。
4. 热效率的影响因素
发动机的理论循环过程
2）压力升高比
增大时，对于混合加热循环来说，若q1不变则q2减少；
若q2不变则q1增大，都会使效率增大。
二、 发动机的理论循环过程
1.对实际循环所作的假设条件
a) 假设工质是理想气体，整个循环工质组 成成分不变。
b) 闭口系统作封闭循环，不考虑换气损失。 c) 将压缩和膨胀过程假定为绝热等熵过程。 d) 假设燃烧是外界无数个高温热源定容或 定压加热。 根据加热方式不同，发动机有三种基本空气 标准循环,即定容加热循环、定压加热循环和混 合加热循环。
汽油机 柴油机 增压柴油机
Pz (MPa)
3.0~6.5 4.5~9. 0 9.0～13.0
Tz (K )
2200～2800 1800~2200
4.膨胀过程
四冲程发动机的实际循环
汽油机 柴油机
n2=1.23~1.28 n2=1.15~1.28
工质温度低，被加热，多 变指数大于绝热指数，工质温 度高，放热，多变指数小于绝 热指数.
混合动力氢燃料电池 汽油燃料电池 汽油燃料电池 混合动力
说明 先进汽油机、自动离合器、变速器 先进汽油机连续变速器，并联电池和电动机 先进柴油机、自动离合器、变速器 先进柴油机连续变速器，并联电池和电动机 100％燃料电池，压缩氢气和电驱动链 氢燃料电池加蓄电池 与氢燃料电池同，氢气是由车上加工汽油产生 同上加蓄电池
我国发动机发展主要存在问题： 自主开发能力差， 核心技术主要是掌握在国外。 企业数量众多，规模小，重复投资引进。
2.我国汽车发动机发展现状
汽车发动机发展
2008年汽车发动机产量前5名的企业
3.汽车发动机发展面临问题
汽车发动机发展
发动机有很多性能与使用条件有关，如经济性、动力性、 安全性、耐久性、使用维修性能、排放噪声、以及加工工艺 等。
4.汽车动力装置发展预测
汽车发动机发展
内燃机技术主要体现在以下几个方面 （1）缸内直喷电控汽油机性能的进一步改善 （2）使用共轨式高压电控直喷柴油机 （3）汽柴油品质的提高 （4）各种高效排放后处理装置的开发和使用
4.汽车动力装置发展预测
汽车发动机发展
动力装置 汽油机
混合动力汽油机 柴油机
混合动力柴油机 氢燃料电池
c
Tz

Tz
(Vz Vz
)

Ta
k 1
为预膨胀比
b
Q2 a
Tb

Tz
( Vz Vb
)k 1

Tz
( Vz Vz
)k 1(Vz Vb
)k 1


kTa
Vc
Va V
Q1v mC v (Tz Tc ) Q1P mC p (Tz Tz ) Q2 mC v (Tb Ta )
一个实际循环工质对活塞所做的有用功称为指示功，单 位气缸工作容积的指示功为平均指示压力。可根据测量示功 图面积计算求得。
为了比较不同大小气缸的做功能力，需要排除尺寸的影响。
Pmi

Wi Vs
(MPa)
Pmi的一般范围是： 汽油机 柴油机 增压柴油机
0.8~1.5MPa 0.7~1.1MPa 1~2.5MPa
慢，不均匀混合气的扩散燃烧速度很慢。燃烧持续 时间长，接近定压加热。
P c
Q1
Z
T
Z
Q1
示功图
b Q2
a
V
c
b
Q2
a
S
温熵图
2. 三种理论循环
发动机的理论循环过程
c)混合加热循环
高速柴油机在燃烧初期，由于部分混合气已与空气混合， 之后由于边喷油、边混合、边燃烧，燃烧速度受到制约，因此 燃烧过程兼有逐渐爆炸燃烧和扩散燃烧的特征，对应于气缸内 的容积变化情况，可以将燃烧过程简化为定容定压加热。
汽车发动机发展
排放 汽车排出的污染物质主要包括在气缸内燃烧后从排气
管排出的废气，以及曲轴箱窜气、机油蒸气排放、燃料箱 和化油器的蒸发排放等。有害物质包括CO、 CO2、NOX、 HC、碳烟等。
噪声污染
噪声污染已经成为四大公害之一。而城市噪声污染主 要来自城市交通噪声，其中汽车噪声占据很大部分。在我 国城市噪声源中，交通噪声占46.8%，社会生活噪声占 28.9%，工业噪声占8.3%，施工噪声占5.1%，其它噪声占 10.9%。而且，交通噪声所占比例有逐年上升的趋势。
从1993年起成为石油净进口国，我国进口石油的三分之一用于汽车 消耗。据海关统计，2006年我国进口原油1.45亿吨，创历史新高，成品 油进口3638万吨，总价值819.62亿美元。据预测到2020年，我国石油需 求量将超过4亿吨，对外依存度将超过60％，将严重影响国家能源安全。
3.汽车发动机发展面临问题
3）预膨胀比
在等压加热循环中，随着加热量q1的增加, 值加大。若
保持不变，因平均膨胀比减小，放出的热量q2增加，效率 下降。

在混合加热循环中，当循环总加热量q1和 保持不变， 值增大，意味着等压加热部分增大，同样效率下降。
5.循环平均压力
发动机的理论循环过程
pt (kPa)
是单位气缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力
增压柴油机
5.0～8.0
900~1100
压缩比范围 汽油机： 7~10
柴油机： 14~22
增压柴油机： 12~15
压缩比很重要，常用测量压缩压力来检查，当气缸密封不良时，
会出现压缩终点温度、压力下降，起动困难，功率减小等。
3.燃烧过程
四冲程发动机的实际循环
燃烧放出热量越多，放热时越靠近上止点，热效率越高。

B Pi
103
i

3.6 bi h
1 06
五、发动机经济性和动力性的评价
发动机经济性和动力性指标是以曲轴对外输出的功率为 基础，代表了发动机整机的性能，通常称它们为有效指标。 1.发动机动力性能 1） 有效功率 Pi
ptp

K 1
pa K (
K 1
1)t
5.循环平均压力
发动机的理论循环过程
三、 四冲程发动机的实际循环
四冲程发动机的实际工作过程是由连 续的循环组成。
1.进气过程
四冲程发动机的实际循环
活塞在上止点前打开进气门，气缸内的残余废 气膨胀，过了上止点后，气缸真空度不断吸入新鲜 空气与燃料的混合气。
发动机实际工作循环由上述五个过程组成，由于存 在各种损失与理论循环相比存在一定偏差。
四、实际循环的评定—指示指标
指示指标用来评定实际循环质量的好坏，它以工质在气 缸内对活塞做功为基础。用平均指示压力及指示功率评定循 环的动力系—做功能力；用循环热效率及燃料消耗率评定循 环的经济性。
1.平均指示压力
1.汽车发动机发展史的回顾
汽车发动机发展
1860年，奥拓研制了第一台四冲程煤气发动机。 1876年，德国发明家奥托，研制成功第一台往复活塞式、 单缸、卧式、3.2千瓦(4.4马力)的四冲程内燃机。 1886年，戴姆勒.奔茨等人研制了汽油发动机。 1892年，狄塞尔发明了柴油发动机。 1897年，德国工程师狄塞尔首创的压缩点火式内燃机 (柴油机)研制成功；1898年，柴油机首先用于固定式发电机 组；1903年用作商船动力；1904年装于舰艇；1913年第一台 以柴油机为动力的内燃机车制成；1920年左右开始用于汽车 和农业机械。 经过100多年的发展，汽油机和柴油机技术发生了巨大变 化。集各门学科、高科技于一身，无论是自身性能还是与工 作机械的匹配，都达到登峰造极的地步。重量大约减轻100倍， 油耗下降5倍。
2.我国汽车发动机发展现状
汽车发动机发展
1953年第一汽车制造厂在长春奠基，1956年7月13日，12辆国产 “解放”牌汽车驶下总装线，开创了我国汽车工业的新纪元。 1989年确定了三大三小的格局。 1994年汽车工业被列为国家支柱产业。 1998年我国汽车产量超过160万辆，进入世界十强。 2003年成为世界第四大汽车生产国和第三大消费国。 2005年我国汽车产量达到570.7万辆，销售汽车575.82万辆。 2006年汽车保有量4985万辆。我国已成为世界汽车第四大生产 国和第二大消费国 2008年我国汽车销量938.05万辆，保有量6467万辆。 我国摩托车工业，自1993年连续产量居世界第一，2007年生产 2485.3万辆。
式中
pt

W Vs
W 循环所做的功（J）
Vs 气缸工作容积（L）
根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为：
ptm

K 1
pa (
K 1
1)
K(
1)t
式中 pa 压缩始点的压力（KPa）
定容加热循环的平均压力为：
ptV

K 1
pa K
1
(

1)t
定压加热循环的平均压力为：
四、实际循环的评定—指示指标
2.指示功率
发动机单位时间所做的指示功，称为指示功率Pi 。
Pi
Wi
n 60
2 i


PmiVsin
30
行程数；i-气缸数
3.指示热效率和指示燃油消耗率
指示热效率是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比。
i

Wi Q1
指示燃油消耗率是指单位指示功的耗油率。
bi

1

k1 (
k 1 1) k(
1)

1

k 1 k1k ( 1)

1
1
k 1
发动机示功图制取方法
示功图的制取
4. 热效率的影响因素
发动机的理论循环过程
1）压缩比
随着压缩比的增大，三种循环的效率都提高。压缩比的
提高，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，
2. 三种理论循环
发动机的理论循环过程
a)定容加热循环 由于汽油机的均匀混合气为爆炸燃烧，燃烧速度
很快，而在上止点附近容积变化又较小，因此燃烧过 程相当于定容燃烧。
P
Z
Q1 c
示功图
b Q2
a
V
T
Z
Q1
b c
Q2
a
S
温熵图
பைடு நூலகம்
2. 三种理论循环
发动机的理论循环过程
b)定压加热循环 低速柴油机燃油质量差，形成可燃混合气的速度