内燃机原理第三章 工作循环与能量利用..

存在摩擦、散热、燃烧、节流等（不可逆）。
对ICE工作过程的研究只能建立模型，进行定性分析！ 三种循环模式： 理论循环（Theoretical Cycle） 循环—理想循环 工质—实际气体 工质—理想气体
理想循环（Ideal Cycle） 循环—理想循环
工质—实际气体 真实循环（Real cycle） 循环—真实循环
循环效率 Otto循环循环效率:
t 1
1
k 1
Diesel循环循环效率:
k 1 t 1 k 1 k 1
1
Sabathe循环循环效率:
k 1 t 1 k 1 1 k 1
Pm Pmf Pme Ppl
pmm
一、机械损失的组成 （一）机械摩擦损失 Wmf 50 ~ 80%

2 i n Vs
Pm
活塞组件摩擦 轴承摩擦
配气机构摩擦
正时齿轮、链轮、带轮的传动损失 连杆大头搅油损失
其它损失
曲轴箱内空气压缩和通风损失
运动件的空气动力损失
活塞连杆组件和曲轴轴承摩擦损失高，转速、负荷增大， 该损失也增大。
r
p0
TDC BDC
a
Vc Va
V
Vs
T-S图
T
Q1V
Q1 p
z’
z
c
b
a
Q2
S
TC-ICE的Sabathe循环
p
Q1
z，
Q1
z
c b
Q2
r
pb
pk
r,
TDC BDC
a a,
Vc Va
V
Vs
pz 压力升高比：等容加热过程中工质压力的升高比值。 pc Vz 预膨胀比：等压加热过程中工质的体积增大比值。 Vz
能量转换“质”问题 混合气总量
be
1
ct m H u
本章的研究目标： 如何得到高的循环效率？ 如何得到高的机械效率？
ICE工作过程研究内容： 工质成分变化； 热能的转化过程。 目标：
工质 高的循环效率 循环模式
低的污染物排放
工作过程研究难度：
工质的质和量是时间的函数；
物理、化学过程一直在进行；
作功行程压力线下降幅度远大于压缩线—动力过程功减小 时间损失 实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成
点火(喷油)提前，使有用功面积下降，循环效率下降；
pz出现在TDC后10～15CA，非等容加热，有用功面积减小。
换气损失 排气门早开，造成膨胀功损失； 泵气损失功（W2＋W3）。 不完全燃烧损失 正常燃烧时，也有c≠100%； 不正常燃烧、a ＜1等， t 下降较大。 缸内流动损失
绝热指数下降越多，循环效率偏离理论循环效率越远。
工质的高温裂解 高温时，原子间的结合力减弱，产生热裂解——吸热
2CO2 2H2O+O2 O2 2O 2CO+O2 4OH 2H2O H2 N2+O2
2H2+O2
2H2 2NO
膨胀过程温度、压力下降，进行逆向反应——放热
高温裂解吸热 放热时间延长
Q1
一、理论循环（ Theoretical Cycle ）
热力循环构成
工质——理想气体（空气），物性参数不变 循环——理想循环构成封闭热力系统
Q1
Q2
等熵压缩
等容/等压加热
等熵膨胀
定容放热
封闭热力循环： 绝热压缩 等容等压吸热（燃烧放热）
等容放热（进排气换气过程）
绝热膨胀
循环类型
等容（isochoric）加热循环 等压（isobaric）加热循环 等容等压混合加热循环
泵气功损失 SI CI SI CI
SI
CI
曲柄、连杆、活塞损失 其它附件损失 高压油泵损失
配气机构损失
转速 平均有效压力
1800
200
1800 600
3600
400
机械效率：
m
We W Wm 1 m 1 Wi Wi We Wm
Pe Pm Pm m 1 1 Pi Pi Pe Pm
rg rd
小负荷时
tg td
tg td
tg
SI-ICE加浓 ag 很小，CI-ICE的 ad 很 大
Tmax g Tmaxd
tg td tg td
rg rd
在小负荷、大负荷工况下，SI-ICE的经济性低30%～50%
三、真实循环 （Real Cycle）
多原子分子数
燃烧温度 T
k
浓度增大
T/K
a 1
单双原子数
空气量
k
燃烧温度 T
t
采用稀薄燃烧可
循环效率
以得到高循环效率
CI-ICE比EF具有
更高的循环效率
燃空当量比

残余废气系数
燃烧速度

k
t t
残余废气量
三原子分子数 SI-ICE残余废气系数
rg CI-ICE残余废气系数 rd
Q2 Q2
t t
压力升高比和预膨胀比的影响 T 等容度：循环吸热过程中
Q1
Q1
z’
z’
z z
等容吸热量占总吸热量的
比率。
Q1V Q1
等容度提高
吸热量相同
c b b a
V Q1V Q1
Q2 Q2
Q2
Q2
t2 t 2
提高等容度，可以提高ICE的循环效率
掌握理论循环模型及影响循环效率的因素； 掌握工质属性对循环效率的影响； 掌握从理论循环到实际循环的能量损失情况； 掌握ICE机械损失的构成及机械效率的测量方法； 了解现代ICE的能量利用状况； 掌握提高ICE热效率的技术措施。
Hu ps 2in Pe ct m l cVs RT a0 s s
cV、cp/(kJ/kg.k)
真实工质对循环效率的影响 最高燃烧温度 比热容 cv , c p f T , 分子结构 Qv cv T Qp c p T
cp R
cV k k
T
cv , c p
k
T
多原子分子数
t
cv , c p
T/K
k
T
t
在相同加热量下，燃烧温度越高，工质比热容升高越多，
c
Q1
z
机（船舶）
喷油压力低，
持续时间长， 柴油机接近 定压加热循环
r
p0
TDC BDC
可简化为等
b
压加热循环
Q2
a
Vc Va
V
Vs
T-S图
T
Q1
z
c
b
a
Q2
S
混合加热循环（Sabathe Cycle） p Q1
z， z
现代ICE活塞
Q1
运动速度高，
喷油压力高， 均为混合加 热循环
c b
Q2
T
Q1m
Q1v Q1 p
zv zm zp
Q1 p Q1m Q1v
c
Q2 p Q2m Q2v
bv
bp
bm
tp tm tv
a Q Q2 v 2m
Q2 p
S
更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率
Q1 p
不同机型比较 最高爆发压力相同， 吸热量相同，压缩比不同
T
Q1m
等容加热循环——奥托循环（Otto Cycle)
p
Q1
z
早期ICE活塞
运动速度低，
汽油机接近 等容加热循环
c b
Q2
r
p0
TDC BDC
a
Vc Va
V
Vs
T-S图
T
Q1
z
Q2 t 1 Q1
c
b
a
Q2
S
等压加热循环——狄赛尔循环（Diesel Cycle）
p
现代的低速 大功率柴油
早期ICE活塞 运动速度低，
Q1v
zp zm
等pmax线
zvቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
cp cm cv a
Q2 v
Q2 p
S
Q1 p Q1m Q1v
Q2 p Q2m Q2v
bp
Q2 m
bm
bv
tp tm tv
更高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率
理论循环下SI-ICE和CI-ICE比较 CI-ICE压缩比远高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循环效率， 表现出更好的动力性和经济性； CI-ICE的 be min 比SI-ICE低15% ～ 25%； 中、小负荷CI-ICE的 be 比SI-ICE低30% ～ 50% CI-ICE负荷质调节，负荷减小，喷油量减少 负荷

t
燃烧温度越高、压力越小，热裂解越严重 SI-ICE高温裂解程度>CI-ICE高温裂解程度
工质分子变化数 液体燃料ICE，分子量大，不计燃料分子数 p t
气体燃料ICE，分子量小，计入燃料分子

混合气浓度 未燃燃料量
p
t
分子变化数对ICE循环效率影响不大
a 1
Q1
k
t t
（二）驱动附件损失 Wme 10%
发电机、水泵、机油泵、高压油泵、调速器、点火装置。 内燃机台架试验中必须拆除的四大附件： 空压机、空滤器、风扇和消声器。 转速、负荷增大，驱动附件损失也增大。 （三）泵气功损失 WPl 5% ~ 40% 进排气过程中工质流动时的节流和摩擦损失。 SI-ICE小负荷和高速，泵气损失大 负荷对CI-ICE泵气损失影响小
时间损失
p
理论循环 理想循环 k k
z c
后燃损失 传热、流动、不完全燃烧 工质泄漏等
c’
换气损失
p0
TDC
b’ b a
Vs Va
BDC
r
Vc
V
工质和循环的变化，使实际循环效率和理论循环效率相差
10% ～20%。
传热、流动、不完全燃烧和泄漏损失
四大损失
换气损失 时间损失
后燃损失
传热损失(总加热量的6％) 真实循环并非绝热过程, 通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面
gb
ma gb
c，
t
be
SI-ICE负荷量调节，负荷减小，混合气量减少 负荷 火焰传播速度
c，
t
be
二、理想循环（Ideal Cycle） 热力循环构成 工质——实际工质 循环——理想循环 工质热力参数与温度、成分、分子结构等有关 研究理想循环的目的 工质特性参数对循环效率的影响程度； ICE提高循环效率最高限度。 相对热效率：真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。 rel t it 压缩过程：空气+燃料蒸气+废气 膨胀过程：废气+空气

理论循环研究的意义 提供了改善ICE性能的原则和方向 在允许的条件下, 尽可能提高压缩比 , 尤其是汽油机； 合理组织燃烧, 提高循环加热等容度（减少预膨胀比、
合理选择燃烧始点、压燃同时着火 ）；
保证工质具有较高的等熵指数（稀燃 ）。
提供ICE之间性能比较的理论依据
同一机型不同加热模式比较 压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同
1
影响循环效率的因素 压缩比的影响 增大压缩比可以 提高ICE的循环 效率； 压缩比由8增加 t 为12，热效率 提高10～15％， 压缩比>20，热 效率提高不明显。
t f , k , ,

T
Q1 Q1
z’ z
c’
c
b b’
a
Q2
Q2
S
同等吸热量时：

Q1V Q1V
S
在预膨胀比一定时，压力升
高比对循环效率影响不大。
等 容 过 程

在压力升高比一定时，减小
预膨胀比，会显著提高循环 效率。
等压过程

分析： ICE接近等容燃烧（高等容度），可以得到高循环效率； CI-ICE负荷增大，循环喷油量加大，燃烧时间加长，
预膨胀比加大，等容度下降，循环效率降低；
高转速时泵气损失高
SI-ICE的试验结果
水泵与发电机
向外散热。 散热量：
QW FW (T T )d
式中： α—传热系数；
Fw —散热面积， Fw =f（）；
T—缸内工质温度， T= f（）； Tw —燃烧室壁面温度。
压缩行程：前期吸热， 后期散热， 使压缩线略下降—有利
作功行程：温差大， 散热强烈， 使pz和膨胀线下降—不利
CI-ICE高压喷射技术会提高循环效率； CI-ICE多次喷射技术会降低循环效率。 EFI的SI-ICE把按照化学计量比混合气进行控制，火焰传播 速度快，等容度高，可得到较高的循环效率。
绝热指数 提高绝热指数，
可以提高循环效率。
t
吸热量相同
k
cV 减小、 cp 、 增大，
工质温升增大，放热 量减小，循环效率提高
SI-ICE循环效率较低
ICE的EGR率越大，等容度下降越多，三原子气体 含量越多，循环效率越低。 EGR降低排放以性能损失为代价
理想循环下SI-ICE和CI-ICE比较 大负荷时
ag 0.8 ~ 1.2 ad 1.3 ~ 7.0 tg td Tmax g Tmaxd
流动增强以及提高涡流与湍流程度， t 下降 原因：流动造成能量损失、散热损失 流动损失，非直喷式柴油机＞直喷式柴油机
工质泄漏损失 曲轴箱窜气造成的工质泄露，损失相对较小。 工质和循环方面的差异，使得： 理论循环效率—实际循环效率 =10~20百分点 该差别是改善ICE循环效率的基本原则
机械损失各 部分所占份额