第二章内燃机的工作循环解析

c-y，定容加热过程；
y-z，定压加热过程； z-b，绝热膨胀过程； b-a，定容放热过程； a-f，定压加热过程； f-g，涡轮中的绝热膨胀过程；
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g-a’，涡轮中的定压放热过程。
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具有空气中间冷却的定压涡轮增压内燃机 理想循环的热效率：
k 1 k k 1 k c 1 1 k (2 5) t 1 0k 1 1 k 1
1
k 1
k 1 (2 2) k 1
12
说明：
•加热过程在定压条件下缓慢完成，负荷的增加 使热效率下降； •热效率随压缩比的增大而提高，随初始膨胀比 的增大而降低； •初始膨胀比的大小标志着内燃机负荷的大小， ρ增大，q1增大，ηt减小； •按照定压加热循环方式工作的有低速柴油机和 燃气轮机。
k
•热效率ηt随压缩比ε和压力升高比λ的增大而提 高； •ηt随ρ的增大而降低；
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•在极端情况下， 当λ＝1时，内燃机即以定压循环方式工作 当ρ＝1时，内燃机即以定容循环方式工作
•混合加热理想循环是高速柴油机理想循环的模 型。
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三、涡轮增压内燃机理想循环
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2、理想循环和实际循环压缩过程比 较
• • • • 开始和结束时刻不同； 工质数量和比热容变化不同； 热力学过程不同； 传热过程不同。
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3、压缩比的选择
1）具有外部混合气形成及外源点火式的内燃机
在工质成分均匀的条件下，为了提高内燃 机的性能，应该力求高的压缩比。 压缩比上限的取值应考虑燃料的性质、可 燃混合气的成分、传热的条件以及燃烧室的结 构等因素。 原因：可燃混合气早燃或爆燃的限制。
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返回
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3、结论
涡轮增压器与内燃机联合工作是：
内燃机理想循环的最佳方案； 改善内燃机性能的有效途径。 （1）预压缩空气，提高进气密度，强化内燃机 的作功能力。 （2）使内燃机理想循环进行的更加完善。
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§2－2内燃机理想循环热效率
从循环热效率出发 分析各种内燃机理想循环； 探讨选择内燃机循环方式和提高循环热效率 的途径。
高温分解使循环热效率下降。
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2、气体流动阻力 •理想循环是闭式循环，没有任何流动阻力损失。 •实际循环是开式循环，有一定的流动阻力损失。 3、传热损失 •理想循环，无传热损失。
•在实际循环，存在传热损失。
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4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失 •理想循环，示功图上方呈方角形，无燃烧损失。
t 1
k
0k 1
c 1
c (2 4) 1 k 1
k 1 k k
1 k
ηc－空气在中冷器内的温降比， εk－增压器的压缩比，
' a
c Tk / Ta
k
' a
k V / Vk
0
ε0－增压内燃机的总压缩比， πk－增压器的增压比，
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a’-a，绝热压缩（压气机） 过程； 返回
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2、有中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环
•为了提高进气密度，加大进气量，通常冷却增 压器后的进缸空气；
•与无中间冷却循环之间，差别仅多一个在等 压条件下向冷却器的放热过程ka。
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具有空气中间冷却的脉冲涡轮增压内燃机 理想循环的热效率：
k
k 1 k
1 k
•热效率、影响因素
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1、空气冷却的影响
• 有空气冷却比无空气冷却的循环总效率低， 但是影响很小。
在实际内燃机中，对循环效率的影响更小。
• 对空气进行中间冷却，是强化内燃机的有效 措施。
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2、废气能量利用的影响
在一定的ε0和循环加热量的情况下，废气能 量的利用可能出现三种情况： （1）当(πT/πk)max=pb/pa=λρk时，循环热效率 最高，即式（2-4）。 （2）当πT/πk＝1，即pf/pg≈pk/pa’时，即式 （2-5）。
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§2－3内燃机实际循环
内燃机的实际循环是工质在气缸中实际所经 历的物理、化学过程，可实测得到内燃机示功图：
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返回换气过程1、2
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实际循环有较多的损失，热效率较低，作功 也较少，具体表现在以下五个方面：
1、工质不同 •理想循环的工质，性质不变，比热容不变。 •实际循环的工质，燃烧前燃烧过程中及燃烧后 不同； 比热容随温度升高而上升；
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（3）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理 想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换， 工质比热容为常数。
（4）用假想的定容放热和定容或定压加热来代 替实际的换气和燃烧过程。
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二、非增压内燃机理想循环
1、定容加热理想循环 2、定压加热理想循环
3、混合加热理想循环
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1、定容加热理想循环
a-c绝热压缩过程；
c-z定容加热过程；
z-b绝热膨胀过程； b-a定容放热过程；
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工质沿zb线膨胀至b点，容积的变化用后膨 胀比δ表示，即

Vb Vz
即
沿定容线cz的压力升高用压力升高比λ表示，
pz pc
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•实际循环，示功图上方呈圆弧形，存在燃烧不 及时损失。 •在内燃机中，后燃延续上止点后才能结束。 •少量燃油来不及燃烧即随排气排出，引起不完 全燃烧损失。
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5、漏气损失
•理想循环，无漏气损失。
•实际循环，活塞环与气缸壁之间常有微量工质 漏出，存在漏气损失。
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（3）当πT/πk最小，即πT＝1时，废气能量利用 率为零，即机械增压。
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机械增压内燃机理想循环热效率的公式：
t 1 0
1 k c 1 k 1
k 1 k k
k 1 k c k 1 k 1
第二章 内燃机的工作循环
§2－1内燃机理想循环 §2－2内燃机理想循环热效率 §2－3内燃机实际循环
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§2－1内燃机理想循环
内燃机的实际热力循环——
一系列非常复杂的物理、化学过程组成。 工质存在质和量的变化， 物理、化学过程， 存在不可逆损失， 准确地描述内燃机的工作过程十分困难。
典型的理想循环要损失一部分蕴藏于排气 中的能量。 假若使工质由pz一直膨胀到进气压力 pa，——继续膨胀循环。
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分析： • 继续膨胀循环更完善，它在相同的加热量下能 多得一部分功，使ηt提高。 •实际上，利用排气涡轮，使工质在涡轮中继续 膨胀作功来实现继续膨胀循环； •压缩过程并不全在气缸内进行，先在增压器中 进行预压缩，从而提高循环的平均压力pt； 所以，继续膨胀循环是对各种废气涡轮增 压内燃机进行热力学分析的基础。
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k pk / p
返回
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2、定压涡轮增压内燃机的理想循环
定压涡轮增压——
在涡轮中不能利用废气的动能
注意：涡轮前的压力一般与pa相近。 原因：防止气门重叠时，排气总管中的废气倒 流入进气管。
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a’-a，压气机中的绝热压缩过程；
a-c，气缸中的绝热压缩过程；
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一、压缩过程
压缩过程是为膨胀作功作准备的过程；也是 为燃烧创造条件的过程；是“欲取之，必先于 之”；是“为了更远的一跃而后退”。
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1、压缩过程的作用
1）压缩过程扩大了工作循环的温度范围； 2）压缩过程使循环的工质得到更大的膨胀比， 对活塞作更多的功； 3）压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷机 启动及着火创造了条件。
定容加热理想循环的热效率：
t 1
说明：
1

k 1
(2 1)
•加热过程在定容条件下很快完成，热效率仅与 压缩比有关； •绝热指数k在实际循环中变化不大，ηt主要随 ε增大而提高；
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•压缩比的提高在实际情况下有一定限制，不宜 大于10～13；
•按照定容加热循环方式工作的有汽油机、煤气 机等点燃式内燃机。
1
•在极端情况下，
当λ＝1时，内燃机即以定压循环方式工作 当ρ＝1时，内燃机即以定容循环方式工作
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•比较上述三种理想循环的热效率可以看出：
当压缩比相同，吸热量相同时：
ηtv＞ηtm＞ηtp
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当最高压力相同，最高温度相同，压缩比不同时：
ηtp＞ηtm＞ηtv
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根据循环热效率的定义，导出内燃机理想 循环热效率的通用表达式：
t 1
1 k c 1
k 1 k k

k 1 0
T k k 1 c k T k ( 2 7) 1 k 1
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2、等压加热理想循环
a-c，绝热压缩过程；
c-z，定压加热过程；
z-b，绝热膨胀过程； a-b，定容放热过程；
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工质以等压方式吸热Q1，容积的变化用初 始膨胀比ρ表示，即