第二章 发动机实际循环

实际膨胀过程也是多变指数变化的多变过程： 在膨胀开始时，由于存在继续燃烧现象，工 质被加热，多变指数n小于k； 到某一瞬时，工质的加热量与工质向缸壁的 放热量相等，多变指数n等于k； 随后工质向缸壁散热，则多变指数n大于k。

四、膨胀过程
为简便起见，通常在计算中，用一个
不变的平均多变指数来代替变化的多 变指数：

式中：Ttq—有效转矩，N· m； n—曲轴转速，r/min。
2.机械效率

定义：有效功率与指示功率之比。
Pe Pm m 1 Pi Pi

式中
Pm ——机械损失功率。
3.有效转矩
定义：发动机对外输出的转矩称为有效转 矩，记作 Ttq，单位为 N· m。 有效转矩与曲轴角位移的乘积即为发动机 对外输出的有效功。
（五） 补燃损失（后燃损失） •理论上: 加热瞬间停 止，膨胀过程无加热。 •实际上: 虽然大部分 （80%以上）燃料在燃 烧过程中燃烧掉，但仍 有小部分燃料会拖到膨 胀线上才燃烧，做功效 果变差，热效率下降。
（六） 泄漏损失
理论上: 闭口系统，无泄漏。 实际上: 活塞气环不会100% 严密密封，总会有些气体窜 到曲轴箱中，造 成损失。
i ,柴 0.25～0.40 i ,汽 0.40～0.50
bi ,柴 =205～320 [ g/kw· h] bi ,汽 =170～205 [ g/kw· h]
第三节 发动机的性能指标
二、发动机的有效指标

有效指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代 表发动机的整体性能。
机械效率
有效转矩 有效功率
汽、柴油机相同加热量Q1时的对比 pmax及Q1相同： 等压循环ηt>混合循环ηt>等容循环ηt

第二节 四冲程发动机的实际循环与热损失
四冲程发动机的实际循环包括进气、压缩、燃烧、做功和排气
一、进气过程

新充量进入气缸的过程 由于残余废气pr高于 po，随着活塞下行，残 余废气膨胀，压力由pr 下降到低于大气压力的 pr’ 。在压力差的作用 下，新鲜气体被吸入气 缸，直到活塞达下止点 后，进气门关闭为止。
bi [ g/kw· h]
定义：单位指示功的耗油量。
B 3 bi 10 Pi
B－每小时耗油量 [ kg/h ]
（五） 指示热效率 i
定义：实际循环指示功与所消耗的燃料热量 的比值。 Wi 3.6 i 106 Q1 bi h
Q1 －做 Wi 指示功所消耗的热量。
h －燃料的低热值。
（三） 换气损失
理论上: 忽略进、排气过程。 实际上: 进、排气门提前开启， 迟后关闭。而且有流动阻力。 换气损失中逆向循环所包 围的面积为泵气损失。泵气损 失包含在换气损失之中。
（四） 时间损失

理论上: 定容加热瞬间 完成，定压加热速 度与活塞运行速度 密切配合。
实际上: 燃烧需要时间。


9550Pe Ttq n

四、膨胀过程
膨胀过程是燃烧后的 高温、高压气体在 气缸内膨胀，推动 活塞由上止点向下 止点移动而作功的 过程。 图2-1中zb线为膨 胀曲线。随着气缸 容积增大，气体的 压力、温度迅速下 降。
四、膨胀过程

膨胀过程中，与压缩过程中情况相似，并非 绝热过程，不仅有散热损失、漏气损失，还 有补燃和高温热分解。
二、压缩过程
复杂的多变过程

压缩开始：工质温度较低，受缸壁加热， 多变指数n大于定熵指数k
随着工质温度升高，到某一瞬时与缸壁 温度相等，多变指数n等于定熵指数 k(热交换为零) 随着工质温度升高，向缸壁散热，多变 指数n小于定熵指数k
三、燃烧过程

汽油机 (图2-2b)，由电火花点 燃混合气，火焰迅速传遍整个燃 烧室，使工质的压力及温度急剧 上升，在极短的时间内达到最高 值——接近定容加热。
（二） 传热、流动损失
（1） 传热损失 理论上: 压缩、膨胀过程为绝热过程。 实际上: 大量热量通过汽缸壁传给冷却水或空气。传 热损失是发动机中的最大损失，占总损失量的30%以上。 因此，许多研究者致力于开发绝热发动机。 （2） 流动损失 理论上: 闭口系统，没有气体流动损失。 实际上: 进、排气节流沿程损失，缸内进气、挤压、 燃烧涡流损失。
1.混合加热循环 循环特点：
将燃烧过程假想为由定 容加热和定压加热过程两部 分组成： a-c 绝热压缩过程
Q1 c-z’ 定容加热，加热量为 Q1 z’-z 定压加热，加热量为
z-b 绝热膨胀过程
b-a 定容放热，放热量为
Q2
2.定容加热循环 循环特点：
将燃烧过程假想为定容 加热过程 a-c 绝热压缩过程 c-z 定容加热，加热量为 Q1 z-b 绝热膨胀过程
有效指标
有效热效率
平均有效压力
有效燃油消耗率
1.有效功率
定义：发动机在单位时间对外输出的有效功称 为有效功率，记作 pe 单位为 KW。它等于有效 转矩与曲轴角速度的乘积。 发动机的有效功率可以用台架试验方法测定， 也可用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然 后用公式计算出发动机的有效功率 pe： Ttq n Pe 9550
1
发动机压缩比 va vc来自预膨胀比压力升高比

vz vz'
pz pc
1、循环热效率
当
1
时为定容加热
v 1
1
1

k 1

k 1 当 1 时为定压加热 1 tp k 1 k 1
影响循环热效率的因素
（1）压缩比
随着压缩比的增大，三 种循环的t
因为: F2 不容易测量, 实际将 F2 归到机械损失中考虑。 所以: 其中
Fi F1
Wi Fi a b
a , b —— 横、纵座标比例
（一） 指示功
汽缸工作容积大 指示功大
热功转换有效程度大
为突出后者，比较不同大小发动机的热 功转换有效程度，引入平均指示压力的概 念。
（二） 平均指示压力 pmi
由于进气系统阻力，进气终了的压力pca，仍低于大气压力 po 。进气终了气体因受到高温零件和残余废气的加热，其 温度Tca总是高于大气温度To。
二、压缩过程
（图2—1a中ac‘c线）
压缩过程中，进、排气门均关闭，活塞从下止 点向上止点移动，缸内工质受压后温度和压力不断 上升。 目的：提高工作过程的温度，使工质获得最大限度 的膨胀比，提高循环热效率，为点火燃烧创造有利 条件。
k 1 tm 1 k 1 1 k 1
1
t
Q W Q1 Q2 1 2 Q1 Q1 Q1
影响循环热效率的因素
在压缩比很小 时，随着压缩比 的提高，t增长很 快；在较大时， 再增加效果很小。
当 = 20 左右时， t 不大 柴油机 = 12～22

柴油机(图2-2a)，上止点前开始 喷油、燃烧。初始时，燃烧速度 很快，气缸容积变化很小，工质 温度、压力剧增，接近定容加热 中。随后是边喷油边燃烧，燃烧 速度慢，且随着活塞下移，气缸 内容积增大，气压力升高不大， 温度继续升高，接近等压加热。
三、燃烧过程
上止点前点火或自燃。 混合气着火燃烧(图2-2中 c—‘z线)。 燃烧放热量越多，越靠近 上止点，则热效率越高。 实际燃烧过程中，有散热 损失，燃烧需要时间，因 此存在非瞬时燃烧损失。
第二章 发动机实际循环 与性能指标
第二章 发动机实际循环与性能指 标
主要内容：发动机实际循环的简化与评价； 对理想循环的修正；
发动机实际循环影响因素；
发动机热平衡；
发动机性能指标；
机械损失机械效率； 热平衡。
第一节 发动机的理论循环
一、三种基本循环 发动机的理论循环简化条件： 1）假设工质为理想气体，其物理常数与标 准状态下的空气物理常数相同 2）假设工质在闭口系统中作封闭循环 3）假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程 4）假设工质燃烧为定容或定压加热，工质 放热为定容放热(热源加热) 5）假设循环过程为可逆循环
2、循环平均压力
循环平均压力是单位工作容积的循环功，用以评定发动机 的做功能力。
pt W Vh
根据工程热力学公式，混合加热循环平均压力为
k pa p tm ( 1) k ( 1)t -1 k-1
式中 pa ---压缩始点的压力
定容
定压
1
k pa p tv ( 1)t -1 k-1
六、理论循环与实际循环的比较 （对理想循环的修正）
研究实际循环与理论循环的差异，就可找出实际循环的 热量损失所在。分析差异的原因，可探求提高热量的有效 利用途径。比较示功图。
（一） 工质改变损失
（1） 工质性质 理论上: 理想气体，双原子气体。 实际上: 燃烧前: 燃料+空气； 燃烧后: 燃烧产物。 （2） 比热容 理论上: 定比热容 实际上: 温度T 比热容C （3） 高温分解 例 C + O CO + 热量 + O CO2 + 热量 其中 CO 为中间产物，CO2 为最终产物。若遇高温，则会发 生复分解反应，即高温分解: CO2 +热量 CO + O H2O+ 热量H2+O2 这部分热量虽然在膨胀过程中还可能会释放出来，但由于活 塞已接近下止点，做功效果变差，热效率下降。
b-a 定容放热，放热量为 Q2
3.定压加热循环
循环特点：
将燃烧过程假想为定压 加热过程 a-c 绝热压缩过程 c-z 定压加热，加热量为 Q1
z-b 绝热膨胀过程
b-a 定容放热，放热量为 Q2
二、循环评定指标
发动机 的性能