内燃机的工作循环

内燃机的工作循环
生物与农业工程学院孙舒畅45090120
一，内燃机的理论循环
通常根据内燃机所使用的燃料、混合气形成方式、缸内燃烧过程(加热方式)等特点，把火花点火发动机的实际循环简化为等容加热循环，把压燃式柴油机的实际循环简化为混合加热循环或等压加热循环，这些循环称为内燃机的理论循环。

根据不同的假设和研究目的，可以形成不同的理论循环，如图1，a、b和c所示为四冲程内燃机的理想气体理论循环的p-V示功图。

为建立这些内燃机的理论循环，需对内燃机的实际循环中大量存在的湍流耗散、温度压力和成分的不均匀性以及摩擦、传热、燃烧、节流和工质泄漏等一系列不可逆损失作必要的简化和假设，归纳起来有：
1)忽略发动机进排气过程，将实际的开口循环简化为闭口循环。

2)将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热过程，将排气过程简化为等容放热过程。

3)把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵可逆过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄漏等的影响。

4)以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环牛工质物理及化学性质保持不变，比热容为常数。

图1 四冲程内燃机典型的理论循环
a)等容加热循环b)等压加热循环c)混合加热循环
通过对理论循环的热力学研究，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，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以循环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，以判断实际内燃机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。

3)有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。

各种理论循环的热效率和循环平均压力可以依照热力学的方法进行推导[1-3]。

内燃机理论循环热效率和循环平均压力的表达式及特点见表1。

表1 内燃机理论循环的比较
注：V P c c k =
为等熵指数，c a c V =ε为压缩比，c z P P P =λ为压力升高比，c z V V =0ρ为初始膨胀比。

分析表1中三种理论循环的热效率和平均压力表达式，不难发现：
1)三种理论循环的热效率均与压缩比 有关，提高压缩比可以提高循环的热效率。

高压缩比c ε可以提高工质的最高燃烧温度，扩大了循环的温度阶梯，从而使热效率t η增加，但热效率t η增加率随着压缩比c ε的提高而逐渐减小。

2)增大压力升高比，可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，使循环的最高温度和压力增加，因而提高了燃料热量的利用率，即循环的热效率t η。

3)增大初期膨胀比，使等压部分加热量增加，将导致混合加热循环热效率t η的降低，因为这部分热量是在活塞下行的膨胀行程中加入的，做功能力较低。

4)所有提高内燃机理论循环热效率的措施，以及增加循环始点的进气压力，降低进气温度a T ，增加循环供油量(b g ，即循环加热量B Q )等措施，均有利于循环平均压力的t P 提高。

理论上能够提高内燃机理论循环热效率和平均压力的措施，往往受到内燃机实际工作条 件的限制：
1)结构强度的限制。

尽管从理论循环的分析可知，提高内燃机的压缩比c ε和压力升高比。

对提高循环热效率和平均压力t P 均起着有利的作用，但c ε和压力升高比的增加将导致最高燃烧压力z P 和压力升高率dp/d ϕ的升高，使发动机的负荷水平、振动和噪声大大增加，因而受到发动机结构及强度的限制。

为保证发动机的可靠性和使用寿命，考虑发动机的制造成本，在实际选择上述参数时，须根据具体情况权衡利弊而定。

2）机械效率的限制。

内燃机的机械效率m η与气缸中的最高燃烧压力z P 密切相关，而z P 决定曲柄连杆机构的设计。

相同转速下，z P 的增加不仅会使活塞与气缸套之间的摩擦损失增加，也使得活塞、连杆等运动件的质量及其惯性力增加，轴承的承压面积加大，从而进一步增加发动机的摩擦损失，因此不加限制地提高c ε或压力升高比，将导致机械效率m η的下降，从有效性能指标上看，使得由压缩比c ε和压力升高比提高而获得的收益得而复失。

这一点对于本来压缩比已经很高的柴油机来说更为明显。

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时的气缸容积变得很小，燃烧室的设计和制造难度增加，也不利于混合气的形成和燃烧的高效进行。

4）排放方面的限制。

循环供油量的增加取决于实际吸人气缸内的空气量，即有空燃比的限制，否则将导致燃烧不完全而出现冒烟、热效率下降和发动机的HC 、CO 排放激增。

另外，内燃机压缩比的上升，使最高燃烧温度和压力上升，发动机的NO x 的排放物增加，振动噪声增加。

一般地，柴油机的压缩比在12—22之间，最高爆发压力不超过14MPa ；汽油机的压缩 比在6-12之间，最高爆发压力不超过8.5MPa 。

二，内燃机的实际循环
与内燃机的理论循环相比，内燃机的实际循环存在着许多不可逆损失，因而不可能达到理论循环的热效率和循环平均压力。

分析这些损失，有助于掌握两者之间的差异及成因，为提高内燃机工作过程的热效率指明方向。

图2所示为以混合加热循环自然吸气压燃式发动机为例的理论循环与实际循环示功图，以下将两者之间的差别分别阐述如下。

一、工质的影响
理论循环的工质是理想的双原子气体，其物理化学性质在整个循环过程中是不变的。

在内燃机的实际循环过程中，燃烧前的工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残留废气等组成的混合气体。

在燃烧过程中，工质的成分及质量不断地变化。

二氧化碳、水蒸气等三原子气体成分增加，使工质的比热容增大，且随着温度的升高而增大，导致实际气体温度下降。

同时，燃烧产物还存在着高温分解及在膨胀过程中的复合放热现象。

上述因素中，以工质比热容的影。

向为最大，其他各项的影。

向相对较小。

这就意味着，由于工质比热容随温度增加而增大，对于相同的加热量(燃料燃烧的放热量)，实际循环所能够达到的最高燃烧温度和气缸压力均小于理论循环的，其结果是使循环的有用功减少，热效率下降。

例如，对于一个压缩比为18、过量空气系数为1．5、最高压力为8MPa的自然吸气混合加热循环，其理论热效率为0．63，当考虑到工质的影响时，其热效率降为0．51。

图2所示的内燃机P-V示功图显示了工质热物性对理论循环的影响。

由于比热容随温度的升高而增大，使燃烧膨胀过程线(虚线)低于理论循环的燃烧膨胀线(点实线)。

工质对压缩过程的影响较小。

上述虚线所围成的示功图面积小于理论循环点实线所围成的示功图面积。

二、传热损失
理论循环假设，与工质相接触的燃烧室壁面是绝热的，两者间不存在热量的交换，因而没有传热损失。

实际上，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等(统称壁面)与缸内工质直接接触的表面，始终与工质发生着热量交换。

在压缩行程初期，由于壁面温度高于工质温度，工质受到加热，随着压缩过程的进行，工质温度在压缩后期将超过壁面温度，热量由工质流向壁面。

特别是在燃烧和膨胀期，工质大量向壁面传热。

传热损失造成循环的热效率和循环的指示功有所下降，同时增加了内燃机受热零部件的热负荷。

图2 自然吸气压燃式内燃机
理论和实际循环p-V图的比较
三、换气损失
内燃机的理论循环不考虑换气过程中气体流动的阻力损失，而实际循环中，在吸人新
鲜充量、排出废气的过程中，不可避免地造成多种损失，主要有膨胀损失、活塞推出功损失和吸气功损失。

为了保证内燃机有一个较好的性能，排气门需要在膨胀行程接近下止点前提前开启，以排出更多废气，降低缸内压力，减少活塞强制排气的推出功损失。

燃气在膨胀下止点前开始从气缸内排出，循环沿^，d，线进行，造成了示功图上有用功面积的减少(图中阴影区面积6，d：^)，称为膨胀损失。

在强制排气和自然吸气行程中，气体在流经进排气管、进排气道以及进排气门时，由于各种流动阻力损失，形成活塞推出功和吸气功损失(自然吸气)。

上述排气门提前开启造成的膨胀损失、强制排气的推出功和吸气损失功，统称为换气损失。

由于进气节流造成压力损失，压缩始点压力降低。

低于进气管压力，使整个压缩线oc 处于理论压缩线IZtC，的下方，从而影响到整个循环的平均压力。

四、燃烧损失
根据理论循环对燃烧过程的处理，燃烧是外界热源向工质在等容和等压条件下的加热过程。

燃烧(加热)速度根据加热方式的不同而有差异：在等容条件下加热，热源向工质的加热速度极快，可以在活塞上止点瞬时完成；在等压条件下加热，加热的速度是与活塞的运动速度相配合的，以保证缸内压力不变。

实际的燃烧过程{柴油机)要经历着火准备、预混燃烧、扩散燃烧、后燃等阶段，燃烧速度受到多种因素的影响，与理论循环有较大的差异，这种差异所造成的燃烧损失体现在以下两个方面。

(一)燃烧速度的有限性
实际的燃料燃烧速度是有限的，燃烧需要足够的时间来完成，这就造成了内燃机实际循环中一个由燃烧速度的有限性所造成的损失，也称为时间损失。

归纳起来，它给整个循环带来了以下几方面的不利影响：
(1)压缩负功增加为了使燃烧能够在上止点附近完成，燃料的燃烧在上止点前就已经
开始了，由此造成了压缩负功的增加(图中面积
c
c
c 1)。

(2)最高压力下降由于燃烧速度的有限性，等容加热部分达不到瞬时完成加热的要求，再加上活塞在上止点后的下行运动使工质体积膨胀，使得实际循环的最高压力有所下降，循环的平均压力和做功能力下降。

(3)膨胀功减少由于理论循环假设等容加热是瞬时完成的，其余热量是在等压的条件下于某一点(z点)前完全加入，而后进入绝热膨胀过程，而实际循环的燃烧持续期长(至e点)，部分热量是在膨胀行程的z点后加入，这部分热量的做功能力低，循环获得的膨胀功减少。

(二)不完全燃烧损失
理论上在空气充分的条件下，燃料能够完全燃烧，释放出所有化学能，但实际上仍会有很少一部分燃油由于附着到燃烧室壁面、熄火等原因，没有燃烧或没有完全燃烧，以未燃HC、CO和碳烟颗粒等形式排出机外，此外还存在一定的高温分解等，所有这一切造成了燃料的不完全燃烧损失。