内燃机学-周龙保-课件第三章_内燃机的工作循环

第一节　内燃机的理论循环

第二节　内燃机的燃料及燃烧热化学第三节　内燃机的实际循环

第四节　内燃机的热平衡

第五节　内燃机工作过程的热力学模型

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

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) 忽略发动机进排气过程，从而将循环简化为一个闭口循环。

4)以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质物理及化学性质保持不变，比热

图3-1　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

第二节　内燃机的燃料及燃烧热化学

一、内燃机的燃料

二、燃烧热化学

一、内燃机的燃料

1.石油基燃料

2. 柴油的理化性质

3.汽油的理化性质

1.石油基燃料

内燃机所使用的石油基液体燃料主要是由碳、氢两种元素所组成，此外还有少量的氧、氮、硫等元素。从化学结构上看，石油基燃料主要是由烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃等烃类组成。汽油中烃类的碳原子数一般在5～12之间，平均相对分子质量在110左右；轻柴油的碳原子数在10～22之间，平均相对分子质量在190左右。

2. 柴油的理化性质

(1) 自燃性　在无外源点火的情况下，柴油能自行着火的性质叫自燃性，柴油能自行着火的最低温度叫做自燃温度。

(2) 低温流动性　在规定条件下，冷却柴油至开始出现混浊的温度称为柴油的浊点。

(1) 自燃性

　在无外源点火的情况下，柴油能自行着火的性质叫自燃性，柴油能自行着火的最低温度叫做自燃温度。

(2) 低温流动性　

在规定条件下，冷却柴油至开始出现混浊的温度称为柴油的浊点。

3.汽油的理化性质

(1) 挥发性　汽油是轻烃类的混合物，没有固定的沸点，在进行蒸馏时，随温度的上升，按照馏分由轻到重，逐渐沸腾。

(2) 抗爆性　燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力叫做燃料的抗爆性。

　汽油是轻烃类的混合物，没有固定的沸点，在进行蒸馏时，随温度的上升，按照馏分由轻到重，逐渐沸腾。

　燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力叫做燃料的抗爆性。

二、燃烧热化学

(一) 化学计量空燃比

(二) 燃料的热值

(三) 燃烧前后物质的量变化系数

(四) 残余废气系数与排气再循环(EGR)率

(一) 化学计量空燃比

当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料完全燃烧，将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧化成二氧化碳和水，则此时的空气与燃料的质量比称为该燃料燃烧的化学计量空燃比，有时称为理论空燃比。

(二) 燃料的热值

燃料在空气中燃烧，以热量的形式释放出其中的化学能。在标准状态(101.3kPa，298.15K)下，每千克燃料完全燃

烧所放出的热量称为燃料的热值［2、9］。燃料的热值可以用量热计测量，一般气体燃料常在等压稳态连续流动标准状态下测量燃料燃烧的热值，液体和固体燃料常用定容燃烧弹法测量。等压和等容条件下测量热值的方法不同，但结果相差不大，所以通常所说的热值是指等压条件下的热值。

(三) 燃烧前后物质的量变化系数

有些化学反应中，反应物和生成物的物质的量相等(如C H4在空气中燃烧)，但大部分的并不相等(如丙烷、辛烷等在空气中燃烧)。燃料与空气形成的混合气在内燃机缸内燃烧后，燃烧产物的物质的量与反应物的物质的量之比用μ0表示。

(四) 残余废气系数与排气再循环(EGR)率

1.残余废气系数

2.排气再循环率

1.残余废气系数

发动机进气门关闭后，缸内气体的总质量为ma，由本循环吸入的新鲜充量m和上一循环残留在缸内的废气mr组成，内燃机缸内的残余废气系数与其压缩比、进气压力、配气正时等有关。汽油机的压缩比低，进气有节流，气门叠开角较小，所以残余废气系数较高，通常在7%～20%之间。柴油机由于压缩比高，气门叠开角大，没有进气节流，所以残余废气系数较小，增压柴油机的更低。

2.排气再循环率

在每个循环吸入的新鲜充量m1中，若其中一部分是来自发动机的排气，用来稀释可燃混合气和降低发动机最高燃烧温度，减少NOx的生成与排放，称为排气再循环(EGR)。排气再循环率的定义为参与再循环的排气的质量m占新鲜充量m1的百分比，即ϕEGR=m EGR m1(3-6) 借助发动机的残余废气系数和EGR率，还可

以计算出发动机缸内已燃废气占总混合气量的比例

第三节　内燃机的实际循环

一、工质的影响

二、传热损失

三、换气损失

四、燃烧损失

一、工质的影响图3-2　自然吸气压燃式内燃机理论和实际循环p-V图的比较

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，工质的组分及其质量不断地变化。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。

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，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。