第2讲四、二冲程工作原理

工质比热的变化
工质的高温分解
工质分子数的变化
－－ 理论循环中工质是理想气体，而实际循环 中的工质是空气和燃烧产物的混合物 。
工质成分的变化 工 质 变 化
－－空气和燃气的比热都 随温度上升而增大，而多 原子气体(C02、H20、 SO2）的比热值又比双原 子气体（ 02、H2 、空气 ） 大，实际循环中，三原子 气体增加，再加上最高燃 烧温度很高，实际循环中 工质的比热必然随温度升 高而增大。这意味着在同 样的加热量下，实际循环 所引起的压力和温度的增 长要比理论循环时低得多， 其结果是实际循环的热效 率低，作功能力下降，工 质比热的变化对循环的热 效率影响显著。
1）横流换气（cross scavenging）
横流换气式二冲程柴油机的结构特点是
气缸盖上没有排气阀机构，进、排气都 是经过气缸下部的扫、排气口进行的。 扫、排气口相对地布置在气缸下部圆周 的两侧，排气口高于扫气口。
横 流 换 气
1）横流换气
这种换气型式结构简单，管理方便。但因
气体在气缸内流动路线长且需要转向，所 以换气质量较差；气缸下部扫排口侧受热 不均匀，容易变形；气口的相对且高低的 布置，造成换气时损失部分新鲜空气，并 对采用废气涡轮增压时使增压系统布置困 难。
为了使柴油机作功更完善，必须在进气
过程尽可能多吸入新鲜空气。进气阀开 启始点至上上点的曲柄转角叫做进气提 前角。下止点到进气阀关闭位置的曲柄 转角叫做进气延迟角（利用惯性进气）。 整个进气过程所占的总角度约为220～ 250°CA。
第二冲程──压缩冲程 （compression stroke）
工质比热的变化
工质的高温分解
工质分子数的变化
－实际循环中工质与缸壁之间始终 存在热交换，并非绝热。
传 热 损 失
在压缩过程初期，气缸壁温度较高使空气被加热；而在后期， 由于气体温度超过缸壁温度，便发生从气体到缸壁相反的热量传 递。实际压缩过程是一个多变过程，平均压缩多变指数n1约为 1．32—1．37(低速增压柴油机)。实际压缩过程总趋势是工质向 缸壁散热，因此压缩终点压力必然低于绝热压缩终点压力。 膨胀过程是一个更复杂的多变膨胀过程。膨胀初期由于后燃 以及原来高温时已分解的燃烧产物的重新复合反应，使工质为加 热膨胀；膨胀后期，由于后燃结束及复合反应的减弱使工质为散 热膨胀。整个膨胀过程是一个以平均膨胀多变指数n2为代表的多 变膨胀过程，通常n2约为1．15-1．30，即整个膨胀过程是一个 工质被加热的多变过程。膨胀终点缸内压力高于绝热膨胀压力。
3.内燃机理论循环的三种基本形式
--定容加热循环Otto，图a，适用于汽油机。 --定压加热循环Diesel，图b，适用于现代高增 压柴油机。 --混合加热循环Sabathe，图c，适用于一般柴油 机。
4、混合加热理想循环的热效率
T5 源自文库1 k 1 1 1 k 1 T3 T2 k T4 T3 ( 1) k 1
v1 v2

p3 p2
称为压缩比； 称为压力升高比， 定容加热量越大，λ就越大； ， v 称为预胀比，表示绝热膨胀过程前气 v 体的膨胀系数。 结论：热效率随压缩比ε、压力升高比 λ、工质绝热指数k的增加而提高,随初 期膨胀比ρ的增加而降低。
4 3
结论
k
↑ t t

三种理论循环热效率比较:
活塞上行，气缸容积减少，缸内气体压
力和温度随之升高，到达压缩终点时， 压力增高到 3～6MPa，温度升至 600～ 700℃（柴油的自燃温度为270℃左右）， 通常压缩终点的气体压力和温度分别用 Pc和tc表示。 四冲程机压缩过程所占的总角度约为 140～160°CA。
第三冲程──燃烧和膨胀冲程 （combustion and expansion stroke）
--若最高爆发压力和吸热量相同,则定 压加热循环热效率最高,混合次之; --若压缩比和吸热量相同,则定容加热 循环热效率最高,混合次之.
定容 混合 定压 混合 定压 定容
二、柴油机的理论循环和实际循 环的差别
实际循环比理想循环热效率低、平均压力 低,是因为它存在许多不可避免的损失:
传 热 损 失 时 间 损 失 换 气 损 失 燃 烧 损 失 漏 泄 损 失 工 质 变 化 其 他 损 失
第四冲程──排气冲程 （exhaust stroke）
这一阶段，要求废气排得越干净越好，
所以与进气阀启闭一样，排气阀也是提 前开启，延迟关闭。排气阀开启时，活 塞尚在下行，废气靠气缸内外压力差进 行自由排气。从排气阀开启到下止点的 曲柄转角叫做排气提前角。 四冲程机排气冲程所占的总角度约为 210～240°CA。
高理论循环热效率和平均压力的有效途 径。 ⑵确定循环热效率的理论极限，以判断 实际循环的完善程度。 ⑶比较各种热力循环的经济性和动力性。
2．对内燃机的理想循环作了如 下的简化假定
工质为一理想气体(标准状态的纯空气)。在整
个循环中工质的物理、化学性质保持不变。 在整个循环中，工质数量保持不变，不更换， 故无进、排气过程及漏气损失。 压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交 换，也不存在摩擦。 不考虑燃烧过程，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。
在活塞到达上止点前，燃油经喷油器以
雾状喷入气缸的高温高压空气中，并与 其混合，在上止点附近自燃，由于燃油 强烈燃烧，使气缸内气体温度迅速上升 到1400～1800℃或更高些，压力增加至 5～8MPa，甚至15MPa以上。燃烧产生的 最高压力称最高爆发压力，用Pz表示， 最高温度tz表示。 四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度约 为130～160°CA。
2）回流换气（loop scavenging）
回流换气的二冲程柴油机气缸盖上也没有
排气阀机构。进气和排气也是经过气缸下 部的扫、排气口进行的。扫气口和排气口 均处于气缸下部的同一侧、排气口在扫气 口的上方。
回 流 换 气
弯流换气
弯流换气的优点是结构简单、管理方便。缺
点是扫气空气流动路线长且弯曲，流动损失 大，新气和废气容易掺混，缸内存有扫气死 角，残留废气较多，换气质量较差，近年来 已被直流换气所取代。
四、二冲程柴油机与四冲程 柴油机的比较
1、二冲程柴油机的优点： ⑴功率较大（1.6-1.7倍） ⑵回转较均匀 ⑶结构较简单 2、二冲程柴油机的缺点： ⑴换气质量差、热效率低 ⑵热负荷较高
四、二冲程柴油机与四冲程 柴油机的比较
3、二冲程柴油机特点： ⑴二冲程柴油机凸轮轴转速与曲轴转速相 同；而四冲程柴油机凸轮轴转速是曲轴 转速的一半，即1:2。 ⑵一个工作循环中，二冲程柴油机下行对 外作功，上行则靠外力驱动，而四冲程 机除燃烧膨胀冲程对外作功外，其它三 个冲程都是耗功冲程。
直流换气（uniflow scavenging）
在气缸盖上装有排气阀（一阀或多阀），
由气阀机构控制其动作。在气缸套下部 均匀布置着一圈扫气口，扫气口的启闭 由气缸内的活塞控制。
直 流 换 气
气口—气口直流换气
2、直流换气
直流扫气的主要优点是：排气干净，换
气质量好；缸套下部受热均匀不易变形； 可通过调整排气阀定时使排气阀及时关 闭，避免扫气口关闭后的过后排气损失， 相反可以实现排气阀关闭后的少量充气 （称为“过后充气”）。这种换气型式 的主要缺点是排气阀机构比较复杂，管 理维修麻烦，但该种型式应用较多。
Vc (1 s ) Vh Vh e 1 (1 s ) Vc Vc
第二节 柴油机的热力循环
一、内燃机理论循环的基本形式及其特点 二、柴油机的理论循环和实际循环的差别
一、内燃机理论循环的基本形式及其 特点 1、研究理论循环的目的
⑴用公式说明各参数的关系，以明确提
四冲程柴油机的定时
四冲程柴油机的气阀重叠角
气阀重叠角（valve overlap angle） 由图可以看出，在进气上止点前后进排 气阀同时开启着，这段重叠的曲柄转角 称为气阀重叠角。适当的气阀重叠角不 仅不会使废气倒灌入进气管，而且还有 利于废气的清除和新空气的充入。新鲜 的空气对燃烧室壁面能起到冷却作用。 增压柴油机的气阀重叠角大于非增压柴 油机。
工质比热的变化
工质的高温分解
工质分子数的变化
－－ 理论循环中工质是理想气体，而实际循环 中的工质是空气和燃烧产物的混合物 。
工质成分的变化 工 质 变 化
－－ 温度超过1000℃，燃烧产 物将 以一定的数量发生高温分 解，同时吸收相当热量保持化 学平衡，即在高温下易引起如 下的可逆反应。 －－ 高温分解与压力和温 度有关。高温低压时反应向右 进行，并吸收热量；在膨胀行 程中由于温度降低，反应向左 进行而放出热量。 －－高温分解需要吸收热量， 使燃烧阶段的压力、温度增加 较少，也使实际循环的热效率 和作功能力下降
第一冲程──扫气及压缩冲程
排气口关闭时，气缸中的空气就开始被
压缩。当压缩至上止点前点时，喷油器 将燃油喷入气缸，与高温高压的空气相 混合，自行着火燃烧。
第二冲程──燃烧膨胀及排气冲程 （combustion expansion and exhaust stroke）
活塞在高温高压燃气的推动下，由上
－－ 理论循环中工质是理想气体，而实际循环 中的工质是空气和燃烧产物的混合物 。
工质成分的变化 工 质 变 化
工质比热的变化
工质的高温分解
工质分子数的变化
－－ 理论循环中工质是理想气体，而实际循环 中的工质是空气和燃烧产物的混合物 。
工质成分的变化 工 质 变 化 燃烧前的工质是 新鲜空气和上以循环 残留在压缩容积里的 燃烧气体的混合物； 燃烧后工质为燃烧产 物， 其各个时期的 成分是变化的，不仅 于燃油成分有关，还 与过量空气系数和燃 烧温度有关。
四、二冲程柴油机与四冲程柴 油机的比较
3、二冲程柴油机特点： ⑶ 二 冲 程 柴 油 机 进 排 气 重 叠 角 大 约 为 80° ～ 100°，四冲程柴油机的气阀重叠角较小，约 为25°～60°。 ⑷一般四冲程柴油机用ε表示缸内空气被压缩程 度，而绝大多数二冲程柴油机则用有效压缩 比εe表示。
止点向下运动，对外膨胀作功，活塞 下行直至排气口打开，膨胀作功结束。
第二冲程──燃烧膨胀及排气冲程
活塞下行直至排气口打开，膨胀作功结
束，气缸内大量废气靠自身压力从排气 口排入到排气管。当气缸内的压力降至 接近扫气压力时，下行活塞把扫气口打 开，扫气空气进入气缸，同时把气缸内 的废气经排气口赶出气缸。活塞运行到 下止点，本冲程结束。
三、二冲程柴油机的工 作原理
1、二冲程柴油机工作原理 2、二冲程柴油机的定时 3、二冲程柴油机的换气型式
二冲程柴油机工作原理
第一冲程──扫气及压缩冲程 （scavenging and compression stroke）
活塞由下止点向上移动，活塞在遮住扫
气口之前，由扫气泵供给储存在扫气箱 内的空气，通过扫气口进入气缸，气缸 中的残存废气被进入气缸的空气通过排 气口扫出气缸。活塞继续上行，逐渐遮 住扫气口，当扫气口完全关闭后，空气 停止充入，排气还在进行，这阶段称为 “过后排气阶段”。
二冲程柴油机的定时
二冲程的基本换气型式
在二冲程柴油机中，借助于扫、排气口
（阀）之间的压力差，用新鲜空气将废 气驱赶出气缸的过程称为扫气过程。按 扫气过程中新鲜空气流动路线特点，二 冲程柴油机的换气型式分为弯流换气和 直流换气两大类。弯流式分为横流和回 流两种。 直流式分为气口一气阀式和气 口一气口式，目前多用前者。
工质比热的变化
工质的高温分解
工质分子数的变化
－－ 理论循环中工质是理想气体，而实际循环 中的工质是空气和燃烧产物的混合物 。
工质成分的变化 工 质 变 化 －－燃油燃烧后使工 质的分子数增加，不 同柴油机在全负荷时 的过量空气系数 α 在1．2—2．0之间， 分子变更系数(工质 燃烧后与燃烧前摩尔 数的比值)约为 1．03- 1．005，这 对提高柴油机的效率 有利，但影响极小。
第一节 柴油机的工作原理
一、柴油机的基本概念 二、四冲程柴油机的工作原理 三、二冲程柴油机的工作原理 四、二、四冲程柴油机的比较 五、增压柴油机
二、四冲程柴油机的工 作原理
1、四冲程柴油机工作过程 2、四冲程柴油机的定时 3、四冲程柴油机的气阀重叠角
四冲程柴油机工作原理
第一冲程──进气冲程 （suction stroke）