第七章 柴油机工作循环

二、柴油机的理想循环
基于热力学基本理论建立起来的柴油机循 环称为理想循环。
1、基本假设
工质为理想气体，其分子量和比热与纯空气在 物理标准状态时相同。在整个循环中，比热和 化学成分不变。燃料的燃烧过程用外界热源向 工质加热过程代替，加热方式可以是定容、定 压或定容与定压混合。
循环为闭口体系，不更换工质，工质数量也不 变，故无进排气过程和气体的泄漏。
Gk与换气过程结束后留在气缸内的新鲜空 气量G0之比。
⑤扫气过量空气系数φk 定义：在一个循环中，通过扫气口的全部扫气量
Gk与在进气状态下充满气缸工作容积Vs的 理论空气量Gs之比。
二冲程柴油机换气过程进行得好坏，是结 合换气的干净程度和扫气空气的消耗量两方面 来衡量的。
扫气效率ηs是衡量扫气干净程度的指标。 ηs越大，扫气越干净，ηs的极限值是1。
②充气系数ηv 定义：换气结束时，充入 气缸的实际空气量G0
与在进气状态下充满气缸工作容积Vs的理 论空气量Gs之比。
不同柴油机的进气状态
四冲程非增压机，取大气状态p0，T0 二冲程柴油机，取扫气箱内状态ps，Ts 增压柴油机，取进气管状态pk，Tk
不同柴油机ηv的取值范围： 四冲程柴油机， ηv =0.75~0.90 二冲程直流扫气，ηv =0.80~0.90 二冲程回流扫气，ηv =0.75~0.80
1、柴油机的实际循环和理想循环的差别 实际循环是一个开口体系，而不是闭口体系。
且存在流动阻力。
关于加热和放热过程。
工质的数量和成分变化，工质的比热也随工质 的成分和温度变化。
各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。
柴油机的实际循环和过程都是不可逆的。 从能量转换角度来看，除了冷源损失外，还有 不可逆损失，即不完全燃烧、热交换、漏气和 流动阻力等其它损失。
标定工况下，进气终了时气缸中的压力：
四冲程非增压机，pa=(0.85~0.95)p0 四冲程增压机， pa=(0.92~1.0)pk 二冲程低速机， pa=(0.96~1.0)ps
③扫气效率ηs 定义：扫气过程结束后，气缸内的新鲜空气量G0
与气缸内全部气体量Ga之比。
④扫气系数φs 定义：在一个循环中，通过扫气口的全部扫气量
第七章 柴油机工作循环和主 要性能指标
●分析和研究工作循环和工作过程 ●了解影响柴油机性能的主要因素 ●掌握提高柴油机性能的基本途径
§7-1 柴油机的工作循环
一、柴油机的两种示功图
示功图——表示气缸内工质压力变化的曲线。
示功图
p-V示功图 p-φ 示功图
1、p-V示功图 定义：气缸内工质压力随气缸容积变化的曲线，
pmax的提高受柴油机机械负荷和材料水平 的限制。
⑤最高燃烧温度Tmax Tmax反映柴油机的热负荷，而且影响Nox
的生成。
一般，低速机， Tmax=1500~1700K； 高速机， Tmax=1600~2000K。
膨胀过程
实际膨胀过程与理想过程的区别
⊙开始和终止不是在活塞止点处； ⊙不是绝热过程，存在换热和漏气，另外还有后
2、柴油机实际循环的各过程 换气过程 压缩过程 燃烧过程 膨胀过程
换气过程
①残余废气系数γr 定义：换气结束时，缸内残存的废气量Gr与充入
气缸的新鲜空气量G0之比。 残余废气系数衡量换气过程结束后废气排除 的干净程度，它表示换气过程进行的完善程度。
在标定工况下，不同柴油机γr的取值范围： 四冲程非增压机， γr=0.03~0.06 四冲程增压机， γr=0.00~0.03 二冲程气口气门直流扫气， γr=0.06~0.08 二冲程回流扫气， γr=0.05~0.15 二冲程简单横流扫气， γr=0.25~0.40
pe—平均有效压力，MPa； Vs—气缸工作容积，L n—柴油机转速，r/min；
i—气缸数；
m—冲程数，四冲程为4，二冲程为2。
五、机械效率ηm 定义：柴油机有效功率与指示功率的比值。
m

Ne Ni

pe pi
1
Nm Ni
1
pm pi
六、强化系数
强化系数—pe×Cm 强化系数中，不仅包括了循环的做功强 度，而且包括了做功频率。
扫气系数φs用来说明扫气空气消耗的相对 量。一般φs=1.2~2.0。
扫气过量空气系数φk说明扫气空气消耗的 绝对量。一般φk=1.0~1.3。
压缩过程
实际压缩过程与理想压缩过程的区别
⊙开始和终止不是在活塞止点处； ⊙不是绝热过程，气体与缸壁存在复杂的热交换； ⊙工质不是理想气体，是实际空气与残余废气的
可见， n1基本上小于1.4。说明压缩过程 中，从总效果来看，是气体向缸壁传热。
压缩多变指数可由 实测的p-V图，计 算获得。
②压缩终点的压力pc、温度Tc 可用压缩始点的压力和温度估算。
不同柴油机的pc、 Tc值
项目
Pc(MPa) Tc(K)
非增压机 3~5
7Biblioteka Baidu0~1000
增压机 4.5 ~9 850~1100
十、有效燃油消耗率ge 定义：为获得单位有效功（1kW·h）所消耗的
燃油数量。
ge

1000 GT Ne
(g/kW·h)
GT—柴油机每小时的燃油消耗量，kg/h
机型
四冲程、非 增压
⊙燃烧过程是在压力、容积都改变的情况下进行 的，放热规律很复杂；
⊙燃烧过程包括了极为复杂的物理—化学过程， 工质的成分、性质都在改变；
⊙工质因燃烧和漏气，数量发生变化； ⊙工质向缸壁存在散热。
①理论空气需要量
定义：按化学反应方程式计算得到的完全燃烧 1kg燃料时所需的空气量。用符号L0(kmol/kg 燃料)或L0’(kg/kg燃料)表示。
非增压、四冲程、小型高速、分隔式 非增压、四冲程、小型高速、直喷式 非增压、四冲程、中型中速 增压、四冲程、中型中速 增压、二冲程、中高速 增压、二冲程、大型低速
ε=17~22 ε=15~19 ε=14~16 ε=11.5~14.5 ε=12.5~15.5 ε=10.5~12.5
燃烧过程
实际燃烧过程与加热过程的区别
b—排气口开 a—排气口关 d—扫气口开 g—扫气口关 环形面积aczbfa—工质在一个循环 所做的功。
二冲程柴油机p-V示功图
2、p-φ示功图 定义：气缸内工质压力随曲轴转角变化的曲线。
又称展开示功图。
b’—排气门开 a—进气门关
四冲程柴油机的p- φ示功图
必须指出：
p- φ示功图曲线下的面积不能直接代表工 质在一个循环内对活塞做的功。
压缩和膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交 换，也没有摩擦。
废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源的 放热过程代替。
柴油机的理想循环是一个闭口体系的可逆
热力循环，在能量转换过程中只有冷源损失。 由于对工质所作的假设，有人称它为空气标准 循环。
2、柴油机的理想循环
混合加热循环(Sabathe循环) 一般柴油机按此循环工作
增压、二冲程、中、低速
α =1.9~2.3
④最高爆发压力pmax 最高爆发压力反映柴油机零件所承受机械
负荷的大小，同时对柴油机的经济性有重要影 响。
目前，提高pmax 已成为降低燃油消耗的主 要技术措施之一。
船舶低速二冲程机pmax 已达 12.0~12.5MPa；中速四冲程机普遍提高到 13.0~15.0MPa；高速机个别高达18.0MPa。
燃和低温复合现象；
⊙工质不是理想气体，而是燃烧产物，其成分、 比热和数量因后燃、低温复合、漏气和温度降 低而不断变化，缸内状态不均匀。
膨胀多变指数n2 为了衡量膨胀过程中缸内气体和缸壁之间
热交换的总效果，用一个指数不变的膨胀过程 代替实际的变指数的膨胀过程。
n2的大小与膨胀过程中的传热情况有关。 气体向缸壁传热多， n2值小； 缸壁向气体传热多， n2值大；
定义：柴油机单位气缸工作
容积每循环所做的指示功。
pi

Li Vs
(MPa)
二、平均有效压力pe
定义：柴油机单位气缸工作容积每循环所做的
有效功。
pe

Le Vs
(MPa)
如果Lm表示每循环每缸的机械损失功，
pm为平均机pe械损失pi压力p，m则
三、指示功率Ni 定义：柴油机单位时间内所做的指示功。
各类柴油机的α值：
非增压、四冲程、小型高速、直喷式 α =1.3~1.7
非增压、四冲程、小型高速、分隔式 α =1.2~1.6
非增压、四冲程、小型高速、油膜式 α =1.1~1.5
增压、四冲程、高速、直喷式
α =1.6~2.0
增压、四冲程、高速、预燃室式
α =1.4~1.6
增压、四冲程、中速
α =1.7~2.1
又称压力—容积图。 图上，曲线包围的面积相当于工质在一个循 环内对活塞做的功，故习惯上称为示功图。
dra’a—进气过程 ac—压缩过程 cze—燃烧过程 eb’—膨胀过程 b’brr’—排气过程 环形面积faczeb’bf 环形面积fdrr’f
四冲程增压柴油机p-V示功图
四冲程非增压柴油机p-V示功图
混合物，其性质和数量也在变化。
①多变指数n1 为了衡量压缩过程中缸内气体和缸壁之间
热交换的总效果，用一个指数不变的压缩过程 代替实际的变指数的压缩过程。
n1的大小与压缩过程中的传热情况有关。 气体向缸壁传热多， n1值小； 缸壁向气体传热多， n1值大；
各类柴油机的 n1值： 非增压、活塞不冷却的高速机，n1=1.38~1.42； 增压、活塞冷却的高速机，n1=1.28~1.37； 增压、活塞冷却的中速机，n1=1.35~1.37； 增压、活塞冷却的低速机，n1=1.30~1.37。
L0=0.495kmol/kg燃料 L0’=14.3kg/kg燃料
②实际供给空气量
定义：在实际柴油机中，燃烧1kg燃料时实际 供给的空气量。用符号L(kmol/kg燃料)或 L’(kg/kg燃料)表示。
通常：L＞L0 L’ ＞ L0’
③燃烧过量空气系数
定义：燃烧1kg燃料时，实际供给的空气量与 理论空气需要量的比值。用符号α表示。
整台柴油机的指示功率为：
Ni

pi
Vs n i 30m
pi—平均指示压力，MPa； Vs—气缸工作容积，L n—柴油机转速，r/min；
i—气缸数；
m—冲程数，四冲程为4，二冲程为2。
四、有效功率Ne 定义：柴油机单位时间内输出的有效功。
整台柴油机的有效功率为：
Ne

pe Vs n i 30m
七、指示热效率ηi
i

Li Q1
Q1—获得指示功Li所消耗燃油的总发热量，kJ
八、指示燃油消耗率gi 定义：为获得单位指示功（1kW·h）所消耗的
燃油数量。
gi

1000 GT Ni
(g/kW·h)
GT—柴油机每小时的燃油消耗量，kg/h
九、有效热效率ηe
e

Le Q1
Q1—获得有效功Le所消耗燃油的总发热量，kJ
各类柴油机的 n2值： 活塞不冷却的高速机，n2=1.20~1.24； 活塞不冷却的中速机，n2=1.20~1.28； 活塞冷却的中速机， n2=1.25~1.30； 活塞冷却的低速机， n2=1.27~1.30。
膨胀多变指数可由 实测的p-V图，计 算获得。
§7-2 柴油机的主要性能指标
一、平均指示压力pi
定容加热循环(Otto循环) 高速强载柴油机或柴油机在低负 荷工作时，近似按此循环工作
定压加热循环(Diesel循环) 现代高增压柴油机为防止pz过高采用 等压燃烧方式时，近似按此循环工作。
继续膨胀混合加热循环(修正的Atkinson循环) 柴油机与燃气涡轮联合装置， 近似按此循环工作。
三、柴油机的实际循环
③压缩比ε
压缩比是对柴油机性能有很大影响的重要 结构参数。
对经济性的影响：在实际柴油机中，ε在一定 范围内提高有利于经济性。
对机械负荷的影响：提高ε ，使柴油机承受的 机械负荷增大。
对燃烧和起动的影响：从燃油的可靠自燃、良 好燃烧和保证冷起动来看， ε不能太低。
各类柴油机ε的范围：
α=L/L0 或α=L’/L0’ 柴油机在正常工况时， α＞1。
α是一个很重要的燃烧过程参数，它对性 能的影响表现为：
反映气缸容积的利用程度和燃油与空气的混合 质量。
对经济性的影响。
与柴油机的热负荷和排放成分有关。
α与柴油机的型号、尺寸、增压程度、转 速和燃烧室形式有关。
从提高柴油机强化程度出发，希望α值能 够较小，但非增压小型柴油机α的减小，受燃 烧完善程度的限制；增压中、低速柴油机α的 减小，受热负荷的限制。