内燃机理论讲解

内燃机的工作循环

第一节内燃机的理论循环

内燃机的实际热力循环:是燃料的热能转变为机械能的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。在这些过程中，伴随着各种复杂的物理、化学过程，同时，机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在。

内燃机的理论循环:将实际循环进行若干简化，忽略一些次要的影响因素，并对其中变化复杂、难于进行细致分析的物理、化学过程〔如可燃混合气的准备与燃烧过程等〕进行简化处理，从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环。

对理论循环进行研究可以达到以下目的：

1)用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，以明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均压力为代表的动力性的基本途径。

2)确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力。

3)有利于分析比较内燃机不同热力循环方式的经济性和动力性。

建立理论循环的简化假设：

1)以空气作为工作循环的工质，并视其为理想气体，在整个循环中的物理及化学性质保持不变，工质比热容为常数。

2)不考虑实际存在的工质更换以及泄漏损失，工质的总质量保持不变，循环是在定量工质下进行的，忽略进、排气流动损失及其影响。

3)把气缸内的压缩和膨胀过程看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热量交换。

4)分别用假想的加热与放热过程来代替实际的燃烧过程与排气过程，并将排气过程即工质的放热视为等容放热过程。

内燃机理论循环的三种形式：等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环。

三种理论循环的热效率分析：

当初始状态一致且加热量及压缩比相同时，等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率介于两者之间；

当最高循环压力pz(或称为最高燃烧压力)相同、加热量相同而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的热效率最低，混合加热循环的热效率仍介于两者之间。

由热效率表达式，还可以得到如下结论：

1.提高压缩比εc可以提高热效率ηt，但提高率随着压缩比εc的不断增大而逐渐降

低。

2.增大压力升高比λp可使热效率ηt提高。

3.压缩比εc以及压力升高比λp的增加，将导致最高循环压力pz的急剧上升。

4.增大初始膨胀比ρ0，可以提高循环平均压力，但循环热效率ηt随之降低。

5.等熵指数k增大，循环热效率ηt提高。

内燃机实际工作条件的约束和限制：

1)结构条件的限制

从理论循环的分析可知，提高压缩比εc和压力升高比λp时提高循环热效率ηt起着有利的作用，但将导致最高循环压力pz的急剧升高，从而对承载零件的强度要求更高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性，为此只好增加发动机的质量，结果造成发动机体积与制造成本的增加。

2)机械效率的限制

内燃机的机械效率ηm是与气缸中的最高循环压力pz密切相关的。不加限制地提高εc以及λp，将引起ηm的下降。从有效指标上看，将直接导致压缩比εc，以及压力升高比λp提高而带来的收益得而复失。

3)燃烧方面的限制

若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面点火等不正常燃烧的现象。对于柴油机而言，过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。

柴油机的压缩比εc一般在12～22之间，最高循环压力pz＝7～14 MPa，压力升高比λp在1．3～2．2左右。

汽油机的压缩比εc＝6～12，pz＝3～8.5 MPa，λp在2.0～4.0左右。

第二节内燃机的燃料及其热化学

一、内燃机的燃料

（一）石油燃料

（二）天然气燃料

（三）代用燃料

(一)石油燃料

1、石油中烃的分类

2、石油的炼制方法与燃料

3、柴油和汽油的理化性质

1、石油中烃的分类

从化学结构上看，石油基本上是由脂肪族烃、环烷族烃和芳香族烃等各种烃类组成的混合物。

脂肪族烃包括烷烃和烯烃，烷烃是一种饱和链状分子结构，其中直链式排列的正构烷热稳定性低，在高温下易分裂，滞燃期短，适合作柴油机的燃料；非直链排列的异构烷抗爆性强，自行着火的倾向比正构烷小得多，适合作汽油机的燃料，并且常用异构烷来作为评价汽油燃料抗爆性的标准。烯烃是种不饱和的链状烃，其热值较低，着火性能差，只适合作汽油机的燃料。

环烷族烃的碳原子不是链状而是环状排列，属饱和烃，其热稳定性比脂肪族高，自燃温度较脂肪族高，适合作汽油机的燃料。

芳香族烃具有较高的化学和热稳定性，在高温下分子不易分裂，抗爆燃性能极强，自燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高，也适合作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。其中，属于芳香烃的α－甲基萘与正十六烷还用作评定柴油机自燃性能(十六烷值)的标准燃料。

2. 石油的炼制方法与燃料

直接蒸馏法：将原油在专用的炼油塔(分馏塔)中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25％一40％；

裂解法：将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。其中，通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法，使用催化剂(触媒)进行裂解的称为催化裂解法。

表3—2给出了在从原油提炼液体燃料过程中，不同炼制工艺对油料性质的影响。热裂解法虽然工艺简单，但由于所得到的燃油稳定性较差，一般还需要进行催化裂解等炼制过程，以保证质量。值得强调的是，每一种商品燃料都是多种烃类的混合物，而且是各种炼制工艺所得油料的调和产物；近年来，为了提高汽油燃料的辛烷值，大量采用催化重整工艺，即将低辛院值的汽油在铂、镍等催化剂的接触催化下进行重整，使其辛烷值水平得到进一步提高。

3. 柴油和汽油的理化性质

(1)柴油的理化性质与柴油机性能有关的燃料特性是自燃温度、馏程、粘度、含硫