现代汽车发动机原理第1章发动机实际循环与性能指标
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实际循环与性能指标
❖ 在发动机理论循环讨论中的简化假定是：
❖ 工质为理想气体，在整个循环中保持物理及化 学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体 状态方程 。
❖ 缸内系统为闭口系统，不考虑实际存在的工 质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循 环是在定量工质下进行的。
❖ 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。
❖ ⑶ 和的增长，将伴随着最高循环压力pz 的急剧上升；
❖ ⑷ 增大 ，pt可以提高 ，但由于等压部分加热量增加了，而这
部分热量是在膨胀比逐渐降低的情况下加入的，因而 t亦随之而
降低了；
现代汽车发动机原理第1章发动机
实际循环与性能指标
❖ ⑸ 绝热指数k愈大，则 t 愈高。
1.2 发动机燃烧热化学 1.2.1 燃烧所必需的空气量 1．1千克燃料完全燃烧所需的理论空气量
❖ 用假想的定容或现代定汽车压发动加机原理热第1和章发动定机 容放热来代替实 际的燃烧和换气过实程际循环。与性能指标
❖ 发动机的理论循环有三种形式，分别是等容 加热循环、等压加热循环和等容等压(混合)加 热循环。示功图如下图所示。
a﹞等容加热循环
b﹞等压加热循环 c﹞混合加热循环
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
❖ 式中：W ——循环所做的功（J）； V s ——气缸工作容积（L）。
混合加热循环的循环平均压力为：
p tm k1kp a1[( 1 )k( 1 )]tm
等容加热循环的循环平均压力为：
ptVk1现k代p 汽a1 实车际发(循动 环机1与原)性理tV 能第指1章标发动机
❖ 等压加热循环的循环平均压力为：
V aV c(V s V c)V c
❖ V a ——气缸总容积；
❖ V c ——气缸压缩容积；
❖ V s ——气缸工作容积；
❖ ——压力升高比，pz pc ；
——预膨胀比， ,其中 为后膨胀比， ❖
Vz Vz
Vb Vz
； k
k1.4
❖ ——绝热指数，空气的 。
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
上图为四冲程单缸发动机实际循环的 pV 图
和 p 图。图中V a 为气缸总容积，V s 为气缸工
作容积，V c 为气缸剩余容积，p0 为大气压力，pd
为缸内进气压力现代汽，车发p e 动为机原缸理第内1章发排动机气压力。
实际循环与性能指标
❖ 示功图是研究实际循环的依据，一般是由专 门示功器在发动机运转条件下直接测出。从 示功图上可以观察到发动机工作循环的各个 不同阶段——压缩、燃烧、膨胀以及进气、 排气等过程中的压力变化情况。然后运用热 力学知识和所积累的实验数据来予以分析比 较，的判断。因此， 示功图是研究发动机工作过程的重要实验依 据。
❖ 等容加热循环（ 1）的热效率tV 为：
tV
1
1
k1
❖ 等压加热循环(1)的热效率 为： tp
tp
11k1
k 1 k(1)
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
❖ 理论循环的做功能力可用单位气缸工作容积 所做的循环功来表示，称为循环平均压力， 用符号pt 来表示。 W
pt Vs
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
1.1.2 发动机理论循环
❖ 理论循环：为了了解发动机热能利用的完善程 度，能量相互转换的效率，寻求提高热量利用 率的途径，在不失其基本物理、化学过程特征 的前提下，将发动机的实际循环进行若干简化， 使其既近似于所讨论的实际循环，而又简化了 实际上变化纷繁的物理、化学过程，从而提出 一种便于作定量分析的假想循环。事实证明这 种简化处理是可行的，假想循环是实用的，为 讨论实际循环提供了理论依据。这种假想循环 就称为“发动机现代理汽车发论动机循原理环第1章”发动。机
❖ 循环热效率和循环平均压力是评定发动机理 论循环经济性和动力性的两个重要指标。因 此，借助于这两个衡量指标进行三种理论循 环的计算和分析。
❖ 在工程热力学中已知，混合加热循环的热效 率 如下式所示：
tm11 k1(1)kk(11)
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
式中：——压缩比， ； ❖
第1章 发动机实际循环与性能指标
❖ 教学要求：本章要求学生熟悉四冲程发动机 的实际循环与理论循环的差别及其原因；掌 握发动机的性能指标及其影响因素；了解发 动机的热平衡和发动机循环的热力学模型。
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
1.1 发动机理论循环概述
1.1.1 发动机示功图 ❖ 概念：发动机气缸内部实际进行的工作循环 是非常复杂的，要评定它们进行的完善程度 必须借助于不同形式的示功器或发动机数据 采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置 或不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化， 所得结果即所谓 示功图或 示功图。
ptpk1kpa1(1)ktp
❖ 对上述三种理论循环的 t 和 pt 所进行的热力学分析，可以得出 以下结论：
❖ ⑴ 增加,可以提高工质的最高温度，扩大了循环的温度梯度， 达到了发动机的最大膨胀比，因而提离了 t ，但其提高率随着 的不断增大而逐渐降低；
❖ ⑵ 增大 ，可以增加混合循环中等容部分加热量，提高了热量 的利用率，因而也提高了 t ；
❖ 发动机的燃料主要是石油系列液体燃料，是 烷径、烯烃、环烷烃和芳烃的混合物，其化 学分子式可写成 CnHm ，其主要成分是碳( C）、 氢（ H）和少量氧（O）元素。
❖ 设1千克燃料中所含C 、H 、O 的质量成分分别
为 、 和 ，则： gC
gH
gO
gCgHgO1
❖ 燃料中的C、H完全燃烧，其化学反应方程式
现代汽车发动机原理第1章发动机
分别是：
实际循环与性能指标
CO2 CO 2
H2 12O2 H2O
❖ 燃料中的碳、氢元素在燃烧时化学反应前后
的数量关系见下表.
C（完全燃烧）
H（完全燃烧）
C ＋ O2 ＝CO2
H2 ＋ O2 ＝ H2O
12(kg)C＋32(kg)O2 ＝44(kg)CO2
2(kg)H2 ＋16(kg)O2 ＝18(kg) H2O
❖ 在发动机理论循环讨论中的简化假定是：
❖ 工质为理想气体，在整个循环中保持物理及化 学性质不变，其状态参量的变化完全遵守气体 状态方程 。
❖ 缸内系统为闭口系统，不考虑实际存在的工 质更换以及漏气损失，工质数量保持不变，循 环是在定量工质下进行的。
❖ 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。
❖ ⑶ 和的增长，将伴随着最高循环压力pz 的急剧上升；
❖ ⑷ 增大 ，pt可以提高 ，但由于等压部分加热量增加了，而这
部分热量是在膨胀比逐渐降低的情况下加入的，因而 t亦随之而
降低了；
现代汽车发动机原理第1章发动机
实际循环与性能指标
❖ ⑸ 绝热指数k愈大，则 t 愈高。
1.2 发动机燃烧热化学 1.2.1 燃烧所必需的空气量 1．1千克燃料完全燃烧所需的理论空气量
❖ 用假想的定容或现代定汽车压发动加机原理热第1和章发动定机 容放热来代替实 际的燃烧和换气过实程际循环。与性能指标
❖ 发动机的理论循环有三种形式，分别是等容 加热循环、等压加热循环和等容等压(混合)加 热循环。示功图如下图所示。
a﹞等容加热循环
b﹞等压加热循环 c﹞混合加热循环
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
❖ 式中：W ——循环所做的功（J）； V s ——气缸工作容积（L）。
混合加热循环的循环平均压力为：
p tm k1kp a1[( 1 )k( 1 )]tm
等容加热循环的循环平均压力为：
ptVk1现k代p 汽a1 实车际发(循动 环机1与原)性理tV 能第指1章标发动机
❖ 等压加热循环的循环平均压力为：
V aV c(V s V c)V c
❖ V a ——气缸总容积；
❖ V c ——气缸压缩容积；
❖ V s ——气缸工作容积；
❖ ——压力升高比，pz pc ；
——预膨胀比， ,其中 为后膨胀比， ❖
Vz Vz
Vb Vz
； k
k1.4
❖ ——绝热指数，空气的 。
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
上图为四冲程单缸发动机实际循环的 pV 图
和 p 图。图中V a 为气缸总容积，V s 为气缸工
作容积，V c 为气缸剩余容积，p0 为大气压力，pd
为缸内进气压力现代汽，车发p e 动为机原缸理第内1章发排动机气压力。
实际循环与性能指标
❖ 示功图是研究实际循环的依据，一般是由专 门示功器在发动机运转条件下直接测出。从 示功图上可以观察到发动机工作循环的各个 不同阶段——压缩、燃烧、膨胀以及进气、 排气等过程中的压力变化情况。然后运用热 力学知识和所积累的实验数据来予以分析比 较，的判断。因此， 示功图是研究发动机工作过程的重要实验依 据。
❖ 等容加热循环（ 1）的热效率tV 为：
tV
1
1
k1
❖ 等压加热循环(1)的热效率 为： tp
tp
11k1
k 1 k(1)
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
❖ 理论循环的做功能力可用单位气缸工作容积 所做的循环功来表示，称为循环平均压力， 用符号pt 来表示。 W
pt Vs
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
1.1.2 发动机理论循环
❖ 理论循环：为了了解发动机热能利用的完善程 度，能量相互转换的效率，寻求提高热量利用 率的途径，在不失其基本物理、化学过程特征 的前提下，将发动机的实际循环进行若干简化， 使其既近似于所讨论的实际循环，而又简化了 实际上变化纷繁的物理、化学过程，从而提出 一种便于作定量分析的假想循环。事实证明这 种简化处理是可行的，假想循环是实用的，为 讨论实际循环提供了理论依据。这种假想循环 就称为“发动机现代理汽车发论动机循原理环第1章”发动。机
❖ 循环热效率和循环平均压力是评定发动机理 论循环经济性和动力性的两个重要指标。因 此，借助于这两个衡量指标进行三种理论循 环的计算和分析。
❖ 在工程热力学中已知，混合加热循环的热效 率 如下式所示：
tm11 k1(1)kk(11)
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
式中：——压缩比， ； ❖
第1章 发动机实际循环与性能指标
❖ 教学要求：本章要求学生熟悉四冲程发动机 的实际循环与理论循环的差别及其原因；掌 握发动机的性能指标及其影响因素；了解发 动机的热平衡和发动机循环的热力学模型。
现代汽车发动机原理第1章发动机 实际循环与性能指标
1.1 发动机理论循环概述
1.1.1 发动机示功图 ❖ 概念：发动机气缸内部实际进行的工作循环 是非常复杂的，要评定它们进行的完善程度 必须借助于不同形式的示功器或发动机数据 采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置 或不同曲轴转角时气缸内工质压力的变化， 所得结果即所谓 示功图或 示功图。
ptpk1kpa1(1)ktp
❖ 对上述三种理论循环的 t 和 pt 所进行的热力学分析，可以得出 以下结论：
❖ ⑴ 增加,可以提高工质的最高温度，扩大了循环的温度梯度， 达到了发动机的最大膨胀比，因而提离了 t ，但其提高率随着 的不断增大而逐渐降低；
❖ ⑵ 增大 ，可以增加混合循环中等容部分加热量，提高了热量 的利用率，因而也提高了 t ；
❖ 发动机的燃料主要是石油系列液体燃料，是 烷径、烯烃、环烷烃和芳烃的混合物，其化 学分子式可写成 CnHm ，其主要成分是碳( C）、 氢（ H）和少量氧（O）元素。
❖ 设1千克燃料中所含C 、H 、O 的质量成分分别
为 、 和 ，则： gC
gH
gO
gCgHgO1
❖ 燃料中的C、H完全燃烧，其化学反应方程式
现代汽车发动机原理第1章发动机
分别是：
实际循环与性能指标
CO2 CO 2
H2 12O2 H2O
❖ 燃料中的碳、氢元素在燃烧时化学反应前后
的数量关系见下表.
C（完全燃烧）
H（完全燃烧）
C ＋ O2 ＝CO2
H2 ＋ O2 ＝ H2O
12(kg)C＋32(kg)O2 ＝44(kg)CO2
2(kg)H2 ＋16(kg)O2 ＝18(kg) H2O