发动机原理第二章(第2次课)

理论循环与实际循环的主要差别
（一）工质不同带来的影响
1.工质成分的变化
理论循环 实际循环 工质是理想的双原子气体，并假定其物理化学 性质在整个循环过程中是不变的。
燃烧前
工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上 一循环残余废气等组成的混合气体。 工质的成分及数量不断发生着变化， 三原子气体占多数，其比热容比两原 子气体大，且随着温度的上升而增大， 在燃烧产物中还存在着一些成分的高
综上所述，工质成分的变化、工质比热的变化、工 质的高温分解、工质摩尔数的变化四项中，比热影 响最大，则做功面积减少，损失一部分面积，用虚 线表示。
图中可以看出工质对理 论循环的影响。由于比 热容随温度的增加而增 大，燃烧膨胀线和压缩 线(虚线所示)，分别低于 理论循环的燃烧膨胀线 和压缩线(点实线)，其中 燃烧膨胀线由于比热容 增加的幅度较大而导致 下降幅度也大一些。同 时，上述曲线所围成的
v2 pa p0 pa 2
为进气系统的流动阻力系数； 为进气密度， v 为 进气气流的平均流速
三、实际循环的四个环节
（一）进气行程
汽油机 柴油机 增压柴油机
pa （0.8 0.9）p0 pa （0.85 0.95 ）p0 pa （0.9 1.0）p0
Va 即 ，对不同类型的发动机有不同的要求。 Vc 理论上 则 t ，希望 越大越好。实际
上对 有一定的限制。
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程 ① 的上限
a. 对点燃式内燃机（如汽油机，煤气机），在缸内被压缩 的是空气与燃料的混合物，上限受到可燃混合气早燃或爆 燃的限制。因此，上限取值应考虑到燃料的性质，传热条 件及燃烧室结构等因素。 b.对压燃式发动机（如柴油机） ,上限受到机械负荷Pc、 Pz，噪声、排放（温度高,NOX上升；高温下CO2 分解形成CO） 的限制。当 上升到一定程度时， t上升的程度明显减少， 太高反而得不偿失。
第三节
内燃机实际循环及其评价指标
内燃机的实际循环分析目的 内燃机的实际循环与理论循环相比，存 在着许多不可逆损失，从而达不到理论循环 的热效率和循环平均有效压力。通过分析两 者的差别，可以找到提高内燃机工作过程完 善程度的方向。
第三节
内燃机实际循环及其评价指标
一、发动机的实际 循环
1、进气冲程 图a） 2、压缩冲程 图b） 3、做功冲程 图c） （燃烧和膨胀过程） 4、排气冲程 图d）
律，确定循 环方式
上次内容回顾 1.2 内燃机的理论循环
1. 三种理论循环 汽油机 ——定容加热循环
高增压和低速大型柴油机 ——定压加热循环
高速柴油机 ——混合加热循环
上次内容回顾 1.2 内燃机的理论循环
2. 理论循环的评价 理论循环是用循环热效率和循环平均压 力来评定。 三种影响因素：
压力升高率 预胀比 压缩比
Pz Pc
Vz Vz '
Va Vc
上次内容回顾 1.2 内燃机的理论循环
3. 理论循环的比较 a、压缩比及加热量分别相同时比较
tv tm tp
b、加热量及循环的最高压力分别相同时比较
tp tm tv
c、最高温度、最高压力分别相同时比较
tp tm tv
为提高热效率，必须使燃烧在上止点后不久结束，因 此需在上止点前提前喷入燃油或点火。这样实际燃烧 过程在上止点前就已开始，造成了压缩负功的增加。 由于燃烧速度的有限性，燃烧跟不上活塞运动，活塞 下移，增加传热损失，使压力升高率低于理论循环值， 实际循环的最高压力有所下降，做功能力减小。
理论循环假定全部热量是在某一点(zt点）前完全加热 (燃烧)完毕，压力达到最大，而后进入膨胀过程；而实 际的燃烧过程使初始膨胀比ρ0减小(z’z’1＜z’tzt）。
（四）燃烧损失 理论循环
外界热源向工质在一定条件下的加热过程；燃烧 (加热)速度在等容加热条件下，热源向工质的加 热速度极快，在容积不变条件下瞬时完成；在等 压加热条件下，加热的速度是与活塞的运动速度 相配合的，以保持缸内压力不变。 实际的燃烧过程需要经历着火准备、火焰传播与 扩散、后燃等环节，燃烧速度受到多种因素的制 约，与理论循环有很大的差异。 燃烧速度的有限性（时间损失） 后燃及不完全燃烧损失
例如，对于压缩比为18、过量空气系数为1.5、最 高压力为8MPa的混合循环，其理论热效率大致为 0.60；当考虑到工质的实际物性时，其热效率将 降低到0.51。
理论循环与实际循环的主要差别
（一）工质不同带来的影响
3.工质的高温分解
2CO2
2CO O2
（分解反应是吸热反应）
T
高温分解的程度与压力和温度有关，压力越低，温度越高， 越有利于反应向右 进行。
实际循环
燃烧损失
理论循环与实际循环的主要差别
（四）燃烧损失 1.燃烧速度的有限性（时间损失）
由于实际上燃料的燃烧速度是有限的，燃烧的进行需要足够 的时间，这就造成了内燃机实际循环中的一个由燃烧速度的 有限性所形成的损失。 减小做功能力减少，影响有效功。 不利影响： (1)压缩负功增加 (2)最高压力下降 (3)初始膨胀比
Ta 340 380K Ta 300 340K Ta 320 380K
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
理想循环中，压缩过程始于下止点，止于上止点，是一 个等熵过程，在整个过程工质数量与比热无变化，与周壁无 热交换。 实际循环中，压缩过程始于下止点后一定角度（进气门 完全关闭，为使多进气），结束于上止点前燃油着火时止 （提前喷油，因为燃烧有一定滞后），存在失效行程，它是 一个多变过程，有泄露，比热有变化，与周壁有热交换。
示功图面积也小于理论 循环的示功图面积。
理论循环与实际循环的主要差别
（二）换气损失
理论循环 闭式循环，没有工质的更换，也没有 任何形式的流动阻力损失。 吸入新鲜空气与燃料，然后在合适的时 候排出燃烧废气，这是循环过程得以周 而复始进行所必不可少的。有流动损失。
实际循环
理论循环与实际循环的主要差别
上次内容回顾
第1章 绪论
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1.1 发动机的发展
从内燃机草图蒸汽机发明
蒸汽机改进内燃机
1.2 发动机在汽车上的应用
从蒸汽三轮蒸汽机赛车 汽油机汽车柴油机汽车
上次内容回顾
第2章 内燃机循环及性能评价指标
1.1 概述 三大环节
影响燃烧效 率和动力性
1. 混合气形成并导入气缸的过程 2. 燃烧放热过程 控制放热规 3. 能量传递过程
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
m-e 绝热压缩 a-n 绝热压缩 a-b-e-c 实际压缩多变过程
压缩曲线图
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程 理论循环中压缩过程是绝热的，实际上，内燃机的压 缩过程是一个复杂的多变过程，常用平均多变系数 n1 表示 。
（二）换气损失
实际循环 1.为尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开启，燃 气在膨胀到下止点前从气缸内排出(沿b1d1线)，这将 使示功图上的有用功面积减少(图中阴影区)； 2.在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、进排 气道以及进排气门时，不可避免地存在着流动阻力损 失，也需要消耗一部分有用功。 3.由于进气压力(压缩始点压力)pa低于大气压力，使 整个压缩线ac位于理论压缩线atct的下方。
燃烧过程中及燃烧后
温分解以及在膨胀过程中的复合放热 现象。
理论循环与实际循环的主要差别
（一）工质不同带来的影响
2.工质比热的变化
C f (T ), T C
比容增大，意味着同样的加热量 在实际循环中所引起的压力和温 度的升高比理论循环低，循环所 作的功减少了，循环热效率低。
C理 C实，则t
（二）换气损失
理论循环与实际循环的主要差别
（三）传热损失 理论循环
假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者 间不存在热量的交换，因而没有传热损失。
实际循环 缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等(统称壁
面)与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发 生着热量交换。
压缩初期 压缩后期
由于壁面温度高于工质温度，工质从气缸壁吸热； 工质的温度在压缩后期将超过壁面温度，工质向 气缸壁放热；
燃料化学能的损失
（四）燃烧损失
三、实际循环的四个环节
（一）进气行程
进气过程开始时，进气门打开，排气门关闭，活塞由上 止点向下止点移动。 对于非增压发动机： ①由于进气系统的阻力，进气终了压力 pa p0 ②因为气流受到内燃机高温零件及残余废气的 加热，进气终了的温度 Ta T0 进气流动损失
理论循环与实际循环的主要差别
（四）燃烧损失 2．后燃以及不完全燃烧损失
后燃
热功转换 效率降低
在实际过程中，经常由于供油系统供油不及时、混 合气准备不充分、燃烧后期氧气不足等原因而导致 燃烧速度减缓，仍有部分燃油在气缸压力达到最高 点后继续进行燃烧。
不完全燃烧损失 有少量燃油由于没有燃烧或没有完全
燃烧，而直接排出机外，
膨胀和排气过程 工质始终向外放热，因此有大量的热量损失.
（三）传热损失
与理论循环相比， 示功图上减少的有 用功面积将大于压 缩线下所增加的面 积，其差值即为实 际循环的传热损失。 传热损失的存在， 使循环的热效率和 循环的指示功都有 所下降，同时增加 了内燃机受热零件 的热负荷。
理论循环与实际循环的主要差别
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程 （1） 压缩过程的作用： ① 扩大了工作循环的温度范围 t ② 使循环的工质得到更大的膨胀比，可对活塞多 作功。 ③ 提高了工质的温度压力，为冷起动及着火创造 了条件。
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程 （2） 压缩比 压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度 的参数，定义为压缩始点容积比上压缩终点容积。
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
（3）多变压缩指数 实际循环中，压缩过程是一个多变过程，其压缩多变指 数在整个压缩过程中是变化的。
工质受热 dQ 0 ，n1>k1，工质放热 dQ 0 ，n1<k1 在压缩初期，工质的温度低于周围表面的温度，工质从这 些表面吸热，此时 dQ 0 ，n1按大于绝热指数k1变化。实际压缩 曲线ab比绝热压缩曲线 an要陡。当继续压缩，工质温度与周壁 温度相等，这时无换热， dQ 0 , n1=k1。压缩继续进行，工质 dQ 0 ， n1 按小于 温度进一步增高，这时工质向周壁传递热量， 绝热指数k1变化，实际压缩曲线ec比绝热压缩曲线em平坦。
第三节
内燃机实际循环及其评价指标
一、发动机的实际 循环
1、进气冲程 图a） 2、压缩冲程 图b） 3、做功冲程 图c） （燃烧和膨胀过程） 4、排气冲程 图d）
二、实际循环与理论循环的比较
P z c b p0
Vc
P z` c b p0
V
Vc Vs
z
r a
Vs
a V
理论循环与实际循环的主要差别
（一）、工质不同带来的影响 （二）、换气损失 （三）、传热损失 （四）、燃烧损失
三、实际循环的四个环节
（二）压缩过程
②
的下限 a. 对点燃式内燃机 ,在满足上限的限制下,尽量使 高些。
b. 对压燃式发动机（如柴油机），应保证压缩终点的 温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。 化油器式汽油机 6.5～11.0 煤气机 6～10 非增压柴油机 16～22（直喷式16～18，间喷式18～23 ） 增压柴油机 11～17
但在膨胀中后期，由于温度降低，则反应反向进行，复合反 应是放热反应。 高温分解的损失与循环压缩比有关，压缩比越高，工质压力
越高，高温分解越少，而膨胀比大，释放的能量利用率可以 较大，故影响较小，可以忽略不计。
理论循环与实际循环的主要差别
（一）工质不同带来的影响
4.工质摩尔数的变化
燃烧后，一般摩尔数是增大的，摩尔数增大，即体 积增大，做功能力增大，即输出的指示功率和指示 热效率都增大。
第三节
内燃机实际循环及其评价指标
一、发动机的实际 循环
1、进气冲程 图a） 2、压缩冲程 图b） 3、做功冲程 图c） （燃烧和膨胀过程） 4、排气冲程 图d）
第三节
内燃机实际循环及其评价指标
一、发动机的实际 循环
1、进气冲程 图a） 2、压缩冲程 图b） 3、做功冲程 图c） （燃烧和膨胀过程） 4、排气冲程 图d）