內(nèi)燃機(jī)與燃燒分析-上

1、內(nèi)燃機(jī)與燃燒分析北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)室李向榮 博士 副教授目 錄一、內(nèi)燃機(jī)原理11.1車用內(nèi)燃機(jī)分類與工作原理11.1.1 內(nèi)燃機(jī)分類11.1.2 內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)21.1.3 內(nèi)燃機(jī)常用術(shù)語(yǔ)31.1.4 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)組成71.1.5 內(nèi)燃機(jī)型號(hào)的編制81.1.6 內(nèi)燃機(jī)工作原理101.1.6.1 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理101.1.6.2 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理141.2內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)（詳細(xì)）161.2.1 示功圖161.2.2 內(nèi)燃機(jī)指示指標(biāo)181.2.3 內(nèi)燃機(jī)有效指標(biāo)201.2.4 內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)231.2.5 內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)261.2.6 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械損失的測(cè)量301.2.

2、7 內(nèi)燃機(jī)熱平衡321.3 內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程361.3.1 燃料及其性質(zhì)361.3.2 汽油機(jī)燃燒381.3.3 柴油機(jī)燃燒481.3.4 內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)計(jì)算561.4柴油機(jī)的燃油噴射過(guò)程(電控柴油機(jī)的供油和調(diào)節(jié))571.5汽車與內(nèi)燃機(jī)的匹配要求631.5.1 車用內(nèi)燃機(jī)的要求631.5.2 車用內(nèi)燃機(jī)指標(biāo)631.5.3 內(nèi)燃機(jī)特性64二、內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)技術(shù)682.1內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的組成682.2內(nèi)燃機(jī)專項(xiàng)試驗(yàn)692.3臺(tái)架燃燒分析的主要試驗(yàn)參數(shù)（詳細(xì)）692.4燃燒分析試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用692.5車載燃燒分析70一、內(nèi)燃機(jī)原理1.1車用內(nèi)燃機(jī)分類與工作原理1.1.1 內(nèi)燃機(jī)分類發(fā)動(dòng)機(jī)：將其它形式的能

3、量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 包括：熱力發(fā)動(dòng)機(jī)；電力發(fā)動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）；水力發(fā)動(dòng)機(jī)；風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)等。熱力發(fā)動(dòng)機(jī)：將燃料燃燒所釋放的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功熱力發(fā)動(dòng)機(jī)按其能量轉(zhuǎn)換型式的不同可以分成：內(nèi)燃機(jī)與外燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)：燃料燃燒后的產(chǎn)物直接推動(dòng)機(jī)械裝置作功的發(fā)動(dòng)機(jī)，如活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)；外燃機(jī)：利用燃料對(duì)某一中間物質(zhì)進(jìn)行加熱，再利用中間物質(zhì)所產(chǎn)生的氣體推動(dòng)機(jī)械裝置作功，如蒸汽機(jī)、汽輪機(jī)、熱氣機(jī)（斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，Stirling）等。通常所說(shuō)的內(nèi)燃機(jī)指往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。其它類型的內(nèi)燃機(jī)還有：燃?xì)廨啓C(jī)；自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)（氣墊式、液壓式）；轉(zhuǎn)子式發(fā)動(dòng)機(jī)（三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)：Wankel，汪克爾，德國(guó)）；其它特種發(fā)動(dòng)機(jī)。內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)

4、用范圍極其廣泛，交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山、石油、發(fā)電、船舶等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門與軍用領(lǐng)域所需動(dòng)力，絕大多數(shù)來(lái)自內(nèi)燃機(jī)。1.1.2 內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)內(nèi)燃機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是：1經(jīng)濟(jì)性好。它是熱效率最高的熱機(jī)，蒸汽機(jī) 48中型汽輪機(jī) 1420大型汽輪機(jī) 1838燃?xì)廨啓C(jī) 1832內(nèi)燃機(jī) 20462外形尺寸小、質(zhì)量輕，便于移動(dòng)。3功率范圍廣。單機(jī)功率可從零點(diǎn)幾干瓦到上萬(wàn)干瓦，適用范圍廣。其他熱機(jī)都達(dá)不到這種適應(yīng)性。4啟動(dòng)迅速。正常啟動(dòng)只需幾秒鐘，并能很快地達(dá)到全負(fù)荷。而蒸汽機(jī)從啟動(dòng)并轉(zhuǎn)變到全負(fù)荷往往需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。5水的消耗量少，待別是風(fēng)冷機(jī)根本不需要水，6維護(hù)簡(jiǎn)單，操作方便。內(nèi)燃機(jī)目前仍存在著如

5、下一些缺點(diǎn)；1燃料限制。在內(nèi)燃機(jī)中只能直接使用液體燃料或氣體燃料。2廢氣中的有害成分是大氣污染的主要來(lái)源。3運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲大。內(nèi)燃機(jī)噪聲是城市噪聲的重要來(lái)源。4低速時(shí)難以獲得大扭短。而且當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速低于標(biāo)定轉(zhuǎn)速1314時(shí)，就不能保證正常工作。因此以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的車輛，必須設(shè)置變速機(jī)構(gòu)才能滿足要求。1.1.3 內(nèi)燃機(jī)常用術(shù)語(yǔ)內(nèi)燃機(jī)常用的基本術(shù)語(yǔ)：1上止（死）點(diǎn)（TDC）活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)所達(dá)到的距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的位置稱上止點(diǎn)。2下止（死）點(diǎn)（BDC）活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)所達(dá)到的距離曲軸旋轉(zhuǎn)中心最近的位置稱下止點(diǎn)。曲軸轉(zhuǎn)角：ºCA；上止點(diǎn)后xº曲軸轉(zhuǎn)角：ºCA ATDC凸輪

6、軸轉(zhuǎn)角：對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，它為曲軸轉(zhuǎn)角的一半3活塞行程（沖程，Stroke）活塞上、下止點(diǎn)之間的距離稱活塞行程，以S表示。對(duì)應(yīng)一個(gè)活塞行程，曲軸旋轉(zhuǎn)180º4曲柄半徑R曲軸旋轉(zhuǎn)中心到曲柄銷中心之間的距離稱為曲柄半徑，活塞行程與曲柄半徑之間有如下的關(guān)系：S2R即活塞行程為曲柄半徑的兩倍。5燃燒室容積活塞在上止點(diǎn)時(shí)，其頂部以上與缸蓋底平面之間的空間容積稱燃燒室容積。燃燒室容積是活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的最小容積。6氣缸總?cè)莘e活塞在下止點(diǎn)時(shí)，其頂部以上與缸蓋底平面之間的空間容積稱氣缸總?cè)莘e。氣缸總?cè)莘e是活塞在氣缸中運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的最大容積。7氣缸工作容積活塞在上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)(或由下止點(diǎn)運(yùn)

7、動(dòng)到上止點(diǎn))所掃過(guò)的容積稱為氣缸工作容積。燃燒室容積Vc、氣缸總?cè)莘eVa和氣缸工作容積Vh之間存在著如下的關(guān)系： VcVaVh8內(nèi)燃機(jī)排量氣缸工作容積與氣缸數(shù)的乘積就是內(nèi)燃機(jī)排量。以Vh表示：式中 D氣缸直徑，mm； S活塞行程，mm， i氣缸數(shù)。9壓縮比氣缸總?cè)莘e與燃燒室容積的比值稱為壓縮比，壓縮比表示在進(jìn)氣沖程中進(jìn)入氣缸中的氣體到壓縮沖程終了時(shí)被壓縮的程度。壓縮比是一個(gè)重要的參數(shù)，它對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)有著舉足輕重的影響。一般車用內(nèi)燃機(jī)的壓縮比為：汽油機(jī)69，最高可達(dá)10；柴油機(jī)1320，最高可達(dá)22。10工作循環(huán)內(nèi)燃機(jī)氣缸中的氣體由進(jìn)氣開始，歷經(jīng)壓縮、燃燒、膨脹及排氣等一系列的連續(xù)過(guò)程，這

8、一系列連續(xù)過(guò)程統(tǒng)稱為一個(gè)工作循環(huán)。11過(guò)量空氣系數(shù)：燃料完全燃燒時(shí)的理論空燃比(A/F)，汽油為14.8(kg/kg)，柴油為14.3(kg/kg)。在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際燃料燃燒所供給的空氣量往往大于理論空氣量。燃燒1公斤燃料的實(shí)際空氣量與理論上所需空氣量之比，稱為過(guò)量空氣系數(shù)(Excess air coefficient)12充氣效率：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量m與進(jìn)氣狀態(tài)下氣缸工作容積充滿的空氣量之比，稱為充氣效率： 由上式可見，充氣效率越大，表示實(shí)際進(jìn)入氣缸中的氣體量越多，也就是進(jìn)氣過(guò)程進(jìn)行得越完善，氣缸工作容積利用得越充分。影響充氣效率的因素主要有：（1）進(jìn)氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力；（2）缸內(nèi)殘余廢氣量

9、；（3）進(jìn)氣系統(tǒng)和氣缸壁對(duì)充量的加熱；（4）配氣相位；（5）進(jìn)、排氣系統(tǒng)中的氣體波動(dòng)效應(yīng)。大致可以歸納為兩個(gè)方面，即：構(gòu)造方面的因素和使用方面的因素。構(gòu)造方面的因素：影響最大的是進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式與尺才，它包括進(jìn)氣管道截面的大小、管道內(nèi)表面光潔程度、管道彎曲的狀況、氣門尺寸與個(gè)數(shù)以及氣門升程的大小等。此外還有進(jìn)氣預(yù)熱機(jī)構(gòu)。進(jìn)氣預(yù)熱會(huì)降低充氣效率。使用方面的因素主要是內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)荷。內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)充氣系數(shù)的影響主要是通過(guò)對(duì)進(jìn)氣終點(diǎn)壓力的影響而起作用。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，進(jìn)氣氣流速度上升，使氣體壓力下降。內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷對(duì)充氣系數(shù)的影響，在柴油機(jī)和汽油機(jī)上是不一樣的。柴油機(jī)的負(fù)荷是依靠噴油泵上供油齒

10、桿的位置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，其進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力是不隨負(fù)荷而變化的，雖然氣缸中氣體溫度有所變化，但這種變化對(duì)充氣系數(shù)的影響是微乎其微的。但在汽油機(jī)上情況就不同了，汽油機(jī)的負(fù)荷是根據(jù)化油器上節(jié)氣門的開度來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。而節(jié)氣門開度的大小直接影響進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的大小，隨著汽油機(jī)負(fù)荷的加大，節(jié)氣門開度也加大，進(jìn)氣系統(tǒng)阻力減小，使充氣系數(shù)值上升。反之則充氣系數(shù)值下降。至于如何提高充氣系數(shù)，可以從以下兩個(gè)方面采取措施：一是減少道氣系統(tǒng)阻力；二是延長(zhǎng)進(jìn)氣時(shí)間。減少進(jìn)氣系統(tǒng)阻力，根據(jù)上面的分橋，不外乎是：加大進(jìn)氣通道面積，減少通道彎曲及提高進(jìn)氣道內(nèi)表面的粗糙度等措施。延長(zhǎng)進(jìn)氣時(shí)間就是將進(jìn)氣門開啟和關(guān)閉的時(shí)間不是選在上、下

11、止點(diǎn)時(shí)、而是選在上止點(diǎn)之前和下止點(diǎn)之后。使進(jìn)氣門開啟的延續(xù)時(shí)間不是占有180º曲軸轉(zhuǎn)角，而是大子180º曲軸轉(zhuǎn)角。車用內(nèi)燃機(jī)的充氣系數(shù)值：柴油機(jī)0.80.9，汽油機(jī)0.750.85。1.1.4 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)組成車用內(nèi)燃機(jī)必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)才能保證正常的工作：兩大機(jī)構(gòu)、六大系統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)“轉(zhuǎn)換”的主要部分。它的作用是將燃料的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功；將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到向車輛傳動(dòng)裝置輸出功率的目的。曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括固定件(機(jī)體)與運(yùn)動(dòng)件(活塞連桿、曲軸)兩大部分，它占據(jù)內(nèi)燃機(jī)零件數(shù)的大多數(shù)。配氣機(jī)構(gòu)其作用是按時(shí)開啟或關(guān)閉氣門或氣口，以保

12、證新鮮混合氣或空氣進(jìn)入氣缸或?qū)U氣排出氣缸外。燃料供給系汽油機(jī)燃料供給系是將汽油和空氣加以混合，井將組成的可燃混合氣供入氣缸；柴油機(jī)燃料供給系是將柴油按時(shí)噴入氣缸，與進(jìn)入氣缸的空氣組成可燃混合氣。另外，將燃燒以后的廢氣排出氣缸。潤(rùn)滑系其作用是保證不間斷地將機(jī)油輸送到內(nèi)燃機(jī)所有需要潤(rùn)滑的部位，以減少機(jī)件的磨損，降低摩擦功率的損耗，并對(duì)零件表面進(jìn)行清洗和冷卻。冷卻系具作用是將受熱機(jī)件的熱量散發(fā)到大氣中去，以保證內(nèi)燃機(jī)在最佳溫度狀況下工作。起動(dòng)系其作用是將內(nèi)燃機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)到自行運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。點(diǎn)火系其作用是按時(shí)將汽油機(jī)氣缸中的可燃混合氣點(diǎn)燃。1.1.5 內(nèi)燃機(jī)型號(hào)的編制內(nèi)燃機(jī)的名稱與型號(hào)：為了在生產(chǎn)

13、、使用與維修中便于識(shí)別各種機(jī)型，國(guó)家標(biāo)喉(GB72582)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品名稱和型號(hào)編制規(guī)則中對(duì)內(nèi)燃機(jī)的名稱和型號(hào)作了統(tǒng)一規(guī)定。它適用于各種類型的活塞式內(nèi)燃機(jī)。特殊用途的內(nèi)燃機(jī)需經(jīng)主管部門批準(zhǔn)后方可另行編號(hào)。該規(guī)定的主要內(nèi)容如下：1內(nèi)燃機(jī)名稱按其所使用的主要燃料命名，例如汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等。2內(nèi)燃機(jī)型號(hào)由阿拉伯?dāng)?shù)碼與漢語(yǔ)拼音字母組成。3內(nèi)燃機(jī)型號(hào)應(yīng)能反映它的主要結(jié)構(gòu)，由以下四項(xiàng)內(nèi)容組成；(1)首部：產(chǎn)品系列符號(hào)和換代標(biāo)志符號(hào)，由制造廠根據(jù)需要自選相應(yīng)字母表示經(jīng)主管部門核準(zhǔn)。 (2)中部：由缸數(shù)符號(hào)、沖程符號(hào)、氣缸排列形式符號(hào)及缸徑符號(hào)組成。 (3)后部：結(jié)構(gòu)特征和用途特征符號(hào)，以字母表示。(4

14、)尾部：區(qū)分符號(hào)。同一系列產(chǎn)品因改進(jìn)需要區(qū)分時(shí)，由制造廠選用適當(dāng)符號(hào)表示內(nèi)燃機(jī)型號(hào)的排列順序及符號(hào)所代表的意義規(guī)定如下：型號(hào)編制舉例如下：195柴油機(jī)表示單缸、四沖程、缸徑95mm、水冷、通用型。lE56F汽油機(jī)單缸、二沖程、缸徑56mm、風(fēng)冷。6135Z柴油機(jī)6缸、四沖程、缸徑135mm、水冷、增壓。12V135Q柴油機(jī)12缸、V型、四沖程、缸徑135mm、水冷、車用。4l00Q4汽油機(jī)四缸、四沖程、缸徑100 mm、水冷、汽車用、第四種變型產(chǎn)品。由于歷史或地域上的原因，有些內(nèi)燃機(jī)型號(hào)的編制與上述規(guī)定不符。例如：CA10B汽油機(jī)一CA為長(zhǎng)春第一汽車廠的企業(yè)代號(hào)，10代表貨車用(車型的種類代號(hào)

15、)，B表示第二種變型車。NJ70汽油機(jī)NJ為南京汽車廠的企業(yè)代號(hào)，70表示作車用時(shí)其標(biāo)定功率為70馬力。CA72汽油機(jī)CA表示第一汽車廠，7代表轎車用(車型種類代號(hào))，2表示排量范圍的汽車參數(shù)代號(hào)。S195柴油機(jī)S表示雙軸平衡系統(tǒng)，單缸、缸徑為95mm。X2105柴油機(jī)X表示“新”(區(qū)別于老l05系列)，2缸、四沖程、缸徑105mm。25Y6l00Q汽油機(jī)25表示載重量為2500kg，Y表示越野車用，6缸、四沖程、缸徑100mm、汽車用。1.1.6 內(nèi)燃機(jī)工作原理1.1.6.1 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理四沖程內(nèi)燃機(jī)的工作原理：四沖程內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的順序：進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹作功及排氣1進(jìn)氣過(guò)程（

16、第一沖程）：進(jìn)氣過(guò)程是向氣缸內(nèi)充填新鮮氣體的過(guò)程。在此過(guò)程中，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動(dòng)。此時(shí)進(jìn)氣門打開，排氣門關(guān)閉。新鮮氣體通過(guò)進(jìn)氣通道進(jìn)入氣缸。當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，進(jìn)氣過(guò)程終了。在自然進(jìn)氣的內(nèi)燃機(jī)中，進(jìn)氣過(guò)程終了時(shí)氣缸中的氣體壓力總是低于外界大氣壓力。這是由于以下兩個(gè)因素所造成的：(1) 進(jìn)氣過(guò)程有阻力?？諝鉃V清器、進(jìn)氣管等對(duì)進(jìn)氣氣流產(chǎn)生阻力。(2) 氣體進(jìn)入氣缸的時(shí)間極短，速度極快。以492Q發(fā)動(dòng)機(jī)為例：最大轉(zhuǎn)速4000 rmin，沖程92mm，則進(jìn)氣所占時(shí)間僅為0.0075s，其活塞平均速度為12.3ms，氣流在這樣短的時(shí)間內(nèi)，以這樣高的速度進(jìn)入氣缸，是來(lái)不及將氣缸“充滿”的

17、。進(jìn)氣過(guò)程終了時(shí)，氣缸中氣體的溫度高于外界大氣溫度，這是因?yàn)椋?1) 在進(jìn)氣過(guò)程中，進(jìn)入氣缸的氣體要與進(jìn)氣管、氣缸壁、氣缸蓋和氣門等高溫零件接觸，在接觸中吸收這些高溫零件的部分熱量。(2) 在排氣過(guò)程中，由于有燃燒室容積的存在，不可能將全部廢氣排除干凈(這部分剽余下的廢氣稱為余氣)。因此新鮮氣體不可避免地要與余氣相混合，使新鮮氣體溫度升高。進(jìn)氣終了時(shí)氣缸中的壓力相溫度值如下；一般汽油機(jī) 75kPa90kPa，360K400 K。一般柴油機(jī) 78kPa93kPa，320K350 K進(jìn)、排氣門開啟和關(guān)閉的時(shí)刻，及其開啟的延續(xù)時(shí)間以曲軸轉(zhuǎn)角來(lái)表示的稱為配氣相位。首先，由于氣門的開度對(duì)進(jìn)氣來(lái)說(shuō)是逐步加

18、大的，氣門提前開啟可以使氣門在活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)已經(jīng)有了一定的開度，當(dāng)活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流進(jìn)入氣缸的通道面積加大，進(jìn)氣阻力減??；氣門延遲關(guān)閉是當(dāng)活塞到達(dá)下止點(diǎn)后再往上運(yùn)動(dòng)時(shí)利用高速氣流的慣性，補(bǔ)充向氣缸內(nèi)充填一部分氣體，以此來(lái)達(dá)到增大進(jìn)氣量的目的。從排氣來(lái)看，在膨脹沖程接近下止點(diǎn)時(shí)，氣體的膨脹功已經(jīng)微乎其微了，而此時(shí)氣缸中氣體的壓力仍大于外界大氣壓力，提前開啟排氣門有利于利用氣缸內(nèi)、外壓力差，排出一部分廢氣。當(dāng)活塞達(dá)到上止點(diǎn)時(shí)，排氣門仍不關(guān)閉，這是利用廢氣高速流動(dòng)的慣性，增大排出的廢氣量。這樣不僅可以增加廢氣的排出，減小余氣量，而且可以減少排氣所消耗的功。必須注意，在進(jìn)氣上止點(diǎn)，前一

19、循環(huán)的排氣門和后一循環(huán)的進(jìn)氣門是在同一時(shí)刻同時(shí)開啟的，這樣可以改善換氣質(zhì)量。此進(jìn)、排氣門同時(shí)打開所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為氣門重疊角。氣門重疊角必須根據(jù)內(nèi)燃機(jī)具體情況通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。重疊角過(guò)小，達(dá)不到預(yù)期的改善換氣質(zhì)量的目的，過(guò)大則可能產(chǎn)生廢氣倒流現(xiàn)象，降低了內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)。配氣相位要根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的使用工況和常用轉(zhuǎn)速來(lái)確定。車用內(nèi)燃機(jī)的配氣相位通常是按中等轉(zhuǎn)速來(lái)確定的，即保證在此轉(zhuǎn)速下充氣系數(shù)達(dá)到最大值，稱為低速調(diào)整。前面所述充氣系數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系中，充氣系數(shù)在某一中等轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值就是這個(gè)道理。內(nèi)燃機(jī)的配氣相位常用配氣相位圖來(lái)表示。2壓縮過(guò)程（第二沖程）?；钊上轮裹c(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)、排氣門都關(guān)閉。

20、隨著活塞上行，氣缸中氣體被壓縮，氣體的壓力和溫度不斷上升。當(dāng)活塞到達(dá)上止點(diǎn)，氣缸中氣體的壓力和溫度達(dá)到了壓縮過(guò)程中的最大值。3燃燒與膨脹作功過(guò)程（第三沖程）。在壓縮過(guò)程終了時(shí)，氣體在燃燒室中被點(diǎn)燃，快速的燃燒使燃燒室中的氣體壓力與溫度急劇上升，從而推動(dòng)活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿而推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)作功，直到活塞到達(dá)下止點(diǎn)，膨脹作功過(guò)程結(jié)束。4排氣過(guò)程（第四沖程）。由于曲軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)而推動(dòng)活塞繼續(xù)上移，此時(shí)排氣門打開，開始了排氣過(guò)程?；钊竭_(dá)上止點(diǎn)，排氣門關(guān)閉排氣過(guò)程終了。隨著曲軸旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)下一次工作循環(huán)。汽油機(jī)與柴油機(jī)工作原理上的差別：汽油機(jī)與柴油機(jī)的工作循環(huán)都是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹與排氣等過(guò)

21、程組成。但由于它們所使用的燃料(汽油與柴油)的物理、化學(xué)性質(zhì)(如粘度、蒸發(fā)性、燃點(diǎn)等)的差別，在促使燃料蒸發(fā)、組織燃料蒸氣與空氣的混合方法上，在使混合氣著火的方式上，都有著重大的區(qū)別。首先，在使燃料霧化并與空氣形成混合氣的方式上，汽油機(jī)為預(yù)混燃燒（汽油直噴除外），因此送入氣缸里的混合氣是非常均勻的。柴油機(jī)在壓縮過(guò)程終了時(shí)，氣缸中空氣的壓力和溫度達(dá)到了較大值(壓力3.5MPa4.5MPa、溫度750 K1000 K)，此時(shí)由燃科供給系通過(guò)噴油器將燃料噴入氣缸，由于噴射壓力很高(10 MPa以上)，噴孔直徑很小，噴入的油珠極細(xì)，在空氣的高溫下很快蒸發(fā)成燃料蒸氣，并迅速與空氣混合成混合氣。由于柴油與

22、空氣形成混合氣的時(shí)間很短(在壓縮上止點(diǎn)附近很小的曲袖轉(zhuǎn)角范圍內(nèi))混合空間很小(在燃燒室容積內(nèi))，因此柴油機(jī)混合氣的混合質(zhì)量比汽油機(jī)的要差，是很不均勻的。稱為擴(kuò)散燃燒其次，在點(diǎn)火方法上，汽油機(jī)有專門的點(diǎn)火系。由火花塞點(diǎn)燃可燃混合氣。而柴油機(jī)沒有專門的點(diǎn)火裝置。在壓縮終了時(shí)，邊噴油、邊混合。由于柴油機(jī)壓縮比大，壓縮終點(diǎn)氣缸里氣體溫度比汽油機(jī)高出許多，它已超出了柴油的自燃溫度，在氣缸中某些區(qū)域(在此區(qū)域內(nèi)燃料與空氣的混合比最適合著火)就自行著火燃燒。由于柴油機(jī)是壓縮后自行著火的，因此柴油機(jī)又稱壓燃式內(nèi)燃機(jī)。1.1.6.2 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理二沖程內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)與四沖程內(nèi)燃機(jī)相同，也是由進(jìn)氣、壓縮

23、、燃燒、膨脹作功與排氣等過(guò)程組成。但是二沖程內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)是在曲軸旋轉(zhuǎn)360度，活塞進(jìn)行兩個(gè)行程的期間內(nèi)完成的。如圖12所示，氣缸上有三個(gè)氣孔，左側(cè)為換氣孔，右側(cè)下面的孔為進(jìn)氣孔，右側(cè)上面的孔為排氣孔。此三個(gè)孔的開、閉由活塞控制。在第一行程，活塞由下止點(diǎn)開始向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞在下止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣孔被關(guān)閉，排氣孔與換氣孔被打開，上一循環(huán)的廢氣通過(guò)排氣排出，氣缸壓力降至最低，此時(shí)曲軸箱容積最小，曲軸箱內(nèi)壓力上升，在壓差作用下，新鮮混合氣經(jīng)換氣孔由曲軸箱流入氣缸，開始了換氣過(guò)程(圖12d所示)。隨著活塞上行，換氣孔與排氣孔相繼關(guān)閉，混合氣在氣缸中被壓縮(圖12a所示)。壓縮過(guò)程一直延續(xù)到活塞到達(dá)上止點(diǎn)為

24、止，此時(shí)火花塞跳火點(diǎn)燃混合氣，開始了燃燒過(guò)程(圖12c所示)。在第一行程中，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，活塞下端讓開了進(jìn)氣孔(圖12b所示)。由于曲油箱容積增大，壓力下降，新鮮混合氣便由進(jìn)氣孔進(jìn)入曲軸箱。在第二行程，活塞由上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。在混合氣被點(diǎn)燃后，開始了燃燒過(guò)程，氣缸中壓力迅速上升，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入了膨脹作功過(guò)程。在活塞下行到一定位置時(shí)，活塞上端讓開了排氣孔(圖l2d)，燃燒后的廢氣由此孔排出氣缸外，緊接著換氣孔打開，新鮮混合氣由曲軸箱經(jīng)換氣孔進(jìn)入氣缸。此時(shí)，向氣缸填充新鮮混合氣和向氣缸外排除廢氣同時(shí)進(jìn)行，這就是換氣過(guò)程。換氣過(guò)程可以利用新鮮混合氣充入氣缸來(lái)進(jìn)一步驅(qū)除廢氣。由上述分

25、析可見，在排氣孔與換氣孔同時(shí)開啟的換氣過(guò)程中，既有利于驅(qū)除廢氣，同時(shí)也不可避免地造成一部分新鮮混合氣在換氣過(guò)程中隨同廢氣一同被徘出氣缸外。二沖程內(nèi)燃機(jī)與四沖程內(nèi)燃機(jī)相比較，具有如下的優(yōu)、缺點(diǎn)：1升功率高。當(dāng)氣缸數(shù)i、氣缸直徑D、活塞行程S與轉(zhuǎn)速n相同時(shí)，二沖程內(nèi)燃機(jī)所發(fā)出的功率理論上是四沖程內(nèi)燃機(jī)的兩倍(實(shí)際上由于行程損失，約為四沖程內(nèi)燃機(jī)的1.51.7倍)。2由于作功頻率是四沖程內(nèi)燃機(jī)的兩倍；工作平穩(wěn)性較好，可以采用較小的飛輪。3全部或部分采用氣口換氣，使配氣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維修方便。4熱損失較小，冷啟動(dòng)比較容易。但是，二沖程內(nèi)燃機(jī)也存在著一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)：1由于換氣質(zhì)量差，燃燒條

26、件變壞，使燃油消耗率偏高。特別是二沖程汽油機(jī)有一部分新鮮混合氣在換氣過(guò)程就隨廢氣排出氣缸外。排氣污染嚴(yán)重。2由于作功頻率高，熱負(fù)荷較高，機(jī)體與活塞工作溫度高(活塞頂?shù)钠骄鶞囟纫人臎_程內(nèi)燃機(jī)的高出5060)。3由于作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力總是朝向一個(gè)方向，這對(duì)于清除積碳及潤(rùn)滑都是極其不利的。由于2、3兩點(diǎn)原因，二沖程內(nèi)燃機(jī)的工作壽命和工作可靠性都不如四沖程內(nèi)燃機(jī)。由于存在著上述的缺點(diǎn)，二沖程內(nèi)燃機(jī)在車輛上的使用遠(yuǎn)不如四沖程內(nèi)燃機(jī)那樣普遍。但由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、維修方便而較廣泛用于摩托車上。1.2內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)（詳細(xì)）1.2.1 示功圖氣缸內(nèi)壓力隨工作容積或曲軸轉(zhuǎn)角變化曲坐標(biāo)因稱為示功圖(

27、Indicator diagram)。發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖有兩種基本形式以氣缸工作容積為獨(dú)立變量的稱為PV示功圖。以曲軸轉(zhuǎn)角為獨(dú)立變量的稱為P示功圖。示功圖是借助于專門的儀器從氣缸內(nèi)部測(cè)得的。示功圖是了解氣缸內(nèi)部工作過(guò)程，探索各種因素對(duì)工作過(guò)程影響的重要資料。示功圖的形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況、工作過(guò)程的特點(diǎn)及燃燒室結(jié)構(gòu)型式有關(guān)并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)。四沖程廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的PV示功圖(圖13)和非增壓的基本相似。不同方面有兩點(diǎn)：(1)工質(zhì)參數(shù)高。增壓時(shí)，進(jìn)入氣缸的新鮮氣體是由壓氣機(jī)供給的壓縮氣體，其壓力和溫度都高于外界大氣的壓力和溫度。另一方面，由于每循環(huán)進(jìn)氣量增加，可使參加燃燒的燃料量相應(yīng)增加，

28、而這又相當(dāng)于給每循環(huán)的熱量增加，使氣體的溫度、壓力都隨之上升。(2)進(jìn)氣壓力線高于排氣壓力線。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的PV示功圖(圖14)與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，只有換氣過(guò)程(進(jìn)氣和排氣)有所不同。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)沒有單獨(dú)的進(jìn)、排氣沖程。1.2.2 內(nèi)燃機(jī)指示指標(biāo)根據(jù)示功圖求得的動(dòng)力性指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)稱為指示指標(biāo)。它們反映氣缸內(nèi)工質(zhì)的(示功圖的)作功能力和熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ男省?1)指示功每循環(huán)的指示功(indicated work)由pV示功圖的壓力閉合曲線包圍的面積來(lái)確定。圖15表示四沖程和二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖的作功面積。由圖可見，四沖程非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖(圖15(a)由兩部分面積組成，其中F1代表有用功(

29、十)，是由壓縮和膨脹沖程獲得的功，F(xiàn)2代表?yè)p失功()，是進(jìn)氣沖程和排氣沖程消耗的功，它也稱泵氣損失功。為了試驗(yàn)測(cè)量的方便，常將泵氣損失功歸屬于機(jī)械損失功中。因此，每循環(huán)的指示功相當(dāng)于面積F1代表的功，即 四沖程增壓發(fā)動(dòng)機(jī)(圖15(b)由于進(jìn)氣沖程的壓力高于排氣沖程的壓力，則泵氣功(相當(dāng)于F2)為正功。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖的整個(gè)面積F，代表指示功。(2)平均指示壓力氣缸尺寸一定時(shí)，指示功和平均指示壓力(indiated mean effective pressure簡(jiǎn)寫I.M.E.P.)成正比，即 (N.m)式中 pi平均指示壓力(Pa)； Vh氣缸工作容積(m3)。(3)指示功率每循環(huán)占用的時(shí)間

30、：每缸的指示功率為：(4)指示熱效率和指示燃油消耗率指示熱效率： Qi氣缸內(nèi)工質(zhì)的加熱量指示燃油消耗率： 1.2.3 內(nèi)燃機(jī)有效指標(biāo)(1) 有效功率發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于內(nèi)部有機(jī)械損失，所以，曲軸輸出的功率總是小于氣缸內(nèi)發(fā)出的指示功率，即有效功率：式中 Ne有效功率(brake output)，即從曲鈾輸出的功率 Nm機(jī)械損失功率(Mechanical losses)，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械損失功率為： 其中，NT-發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)零件的摩擦功率，如活塞和活塞環(huán)對(duì)氣缸壁的摩擦，等等； Na-帶動(dòng)輔件消耗的功率，如水泵、機(jī)油泵、噴油泵、風(fēng)扇及電機(jī)等； Np-泵氣損失功率； Nc-驅(qū)動(dòng)機(jī)械增壓器或換氣泵消耗的功率；

31、Nh-發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件和空氣的摩擦損失功率，如連桿、飛輪等。上表數(shù)據(jù)中，汽油機(jī)偏低限，柴油機(jī)偏高限。另外，影響機(jī)械損失的因素還有：壓縮比；轉(zhuǎn)速；負(fù)荷；機(jī)油粘度（發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)）。(2) 機(jī)械效率指示功率轉(zhuǎn)換為有效功率的百分比以機(jī)械效率(mechanical efficiency)表示，即 (3) 平均有效壓力平均有效壓力(brake mean effective pressure， BMEP)與有效功率同樣有如下關(guān)系： （每缸）(4) 有效扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出有效扭矩與有效功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系： (kW)(5) 有效熱效率和有效燃油消耗率評(píng)價(jià)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)是有效熱效率(brake therma

32、l efficiency)和有效燃油消耗率be(ge)(effective specific fuel consumption)。有效熱效率表示加入發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量中，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ陌俜直取?(6) 性能參數(shù)之間的關(guān)系 因此，提高內(nèi)燃機(jī)功率的主要途徑為：提高指示熱效率；提高機(jī)械效率；提高每循環(huán)進(jìn)氣量；提高轉(zhuǎn)速；在有效燃燒條件下降低。1.2.4 內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán)是燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過(guò)程，在進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等過(guò)程中，由燃料與空氣組成的工質(zhì)，無(wú)論在質(zhì)或量上都時(shí)刻發(fā)生著變化，伴隨著各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，同時(shí)，機(jī)械摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等引起的一系列不可逆損失也大量存

33、在，要準(zhǔn)確地從理論上描述內(nèi)燃饑的實(shí)際過(guò)程，在目前條件下還是十分困難的。為了分析內(nèi)燃機(jī)中燃料熱能利用的完善程度及其主要影響因索進(jìn)而為提高能量利用率指明方向，通常將實(shí)際循環(huán)進(jìn)行若干簡(jiǎn)化，忽略些次要的影響因素。并對(duì)其中變化復(fù)雜、難于進(jìn)行細(xì)致分析的物理、化學(xué)過(guò)程如可燃混合氣的準(zhǔn)備與燃燒過(guò)程等)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，從而得到便于進(jìn)行定量分析的假想循環(huán)或簡(jiǎn)化循環(huán)，通常稱之為內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)。通過(guò)對(duì)理論循環(huán)進(jìn)行研究可以達(dá)到以下目的：1)用簡(jiǎn)單的公式來(lái)闡明內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中各基本熱力參數(shù)間的關(guān)系，以明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和以平均壓力為代表的動(dòng)力性的基本途徑。2)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實(shí)際內(nèi)燃機(jī)

34、經(jīng)濟(jì)性和工作過(guò)程進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。3)有利于分析比較內(nèi)燃機(jī)不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。在進(jìn)行理論循環(huán)研究之前，首先必須對(duì)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際過(guò)程進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化假設(shè)：1)以空氣作為工作循環(huán)的工質(zhì)，為理想氣體，在整個(gè)循環(huán)中的物理及化學(xué)性質(zhì)保持不變，工質(zhì)比熱容為常數(shù)。2)不考慮實(shí)際存在的工質(zhì)更換以及泄漏損失，工質(zhì)的總質(zhì)量保持不變，循環(huán)是在定量工質(zhì)下進(jìn)行的，忽略進(jìn)、排氣流動(dòng)損失及其影響。3)把氣缸內(nèi)的壓縮和膨脹過(guò)程看成是完全理想的絕熱等熵過(guò)程，工質(zhì)與外界不進(jìn)行熱量交換。4)分別用假想的加熱與放熱過(guò)程來(lái)代替實(shí)際的燃燒過(guò)程與排氣過(guò)程，并將排氣過(guò)程即工質(zhì)的放熱視為等容放熱過(guò)程。根據(jù)對(duì)燃燒過(guò)程即加熱方

35、式的不同假設(shè)，可以得到不同的理論循環(huán)。理論循環(huán)的假設(shè)越符合實(shí)際情況，則分析得到的結(jié)論也越接近于實(shí)際。內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)有三種形式，分別是等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)。圖3l是三種理論循環(huán)的示功圖，其中，圖31a為等容加熱循環(huán)，圖31b為等壓加熱循環(huán)，圖3lc為混合加熱循環(huán)。表31給出了上述各種理論循環(huán)的熱效率分析表達(dá)式以及有關(guān)特點(diǎn)。根據(jù)上述三種理論循環(huán)的熱效率表達(dá)式不難得出：當(dāng)初始狀態(tài)一致且加熱量及壓縮比相同時(shí)，等容加熱循環(huán)的熱效率最高，等壓加熱循環(huán)的熱效率最低，混合加熱循環(huán)的熱效率介于兩者之間；當(dāng)最高循環(huán)壓力Pz(或稱為最高燃燒壓力，爆發(fā)壓力，爆壓)相同、加熱量相同而壓縮比不同時(shí)，

36、等壓加熱循環(huán)的熱效率最高，等容加熱循環(huán)的熱效率最低，混合加熱循環(huán)的熱效率仍介于兩者之間。同時(shí)，分析上述熱效率表達(dá)式，還可以得到如下結(jié)論：1)提高壓縮比可以提高工質(zhì)的最高溫度，擴(kuò)大了循環(huán)的溫度階梯，增加了內(nèi)燃機(jī)的膨脹比，從而提高了熱效率，但提高率隨著壓縮比的不斷增大而逐漸降低。2)增大壓力升高比可以增加混合加熱循環(huán)中等容部分的加熱量，提高了熱量利用率，因而可使熱效率提高。3)壓縮比以及壓力升高比的增加，將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力的急劇上升。4)增大初始膨脹比，可以提高循環(huán)平均壓力，但由于等壓部分加熱量的增加，導(dǎo)致循環(huán)熱效率隨之降低，因?yàn)檫@部分熱量是在膨脹比不斷降低的情況下加入的，做功能力下降。5)等熵指

37、數(shù)增大，循環(huán)熱效率提高。以上從理論循環(huán)中所得到的結(jié)論，在用于指導(dǎo)實(shí)踐時(shí)，必須考慮到內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作條件的約束和限制：1)結(jié)構(gòu)條件的限制 盡管從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比和壓力升高比時(shí)提高循環(huán)熱效率起著有利的作用，但將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力的急劇升高，從而對(duì)承載零件的強(qiáng)度要求更高，這勢(shì)必縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性，對(duì)于上述參數(shù)的選擇必須根據(jù)具體情況權(quán)衡利弊而定。2)機(jī)械效率的限制 內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械效率是與氣缸中的最高循環(huán)壓力Pz密切相關(guān)的，因?yàn)樵撝禌Q定了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、慣性力以及主要承壓面積的大小等。不加限制地提高壓縮比以及壓力升高比將引起的下降。從有效指標(biāo)上看，將直接導(dǎo)致壓縮比以

38、及壓力升高比提高而帶來(lái)的收益得而復(fù)失。這一點(diǎn)，對(duì)于本來(lái)壓縮比已經(jīng)很高的柴油機(jī)來(lái)說(shuō)更為明顯。3)燃燒方面的限制 若壓縮比定得過(guò)高，汽油機(jī)將會(huì)產(chǎn)生爆燃、表面點(diǎn)火等不正常燃燒現(xiàn)象。對(duì)于柴油機(jī)而言，過(guò)高的壓縮比將使壓縮終了的氣缸容積變得很小，對(duì)制造工藝的要求極為苛刻，燃燒室設(shè)計(jì)的難度增加，也不利于燃燒的高效進(jìn)行。目前，柴油機(jī)的壓縮比一般在1222之間，最高循環(huán)壓力在714MPa，壓力升高比在1.32.2左右。汽油機(jī)的壓縮比在612，最高循環(huán)壓力38.5MPa，壓力升高比在24。1.2.5 內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)相比，存在著許多不可逆損失，往往達(dá)不到理論循環(huán)的熱效率和循環(huán)平均壓力值。分

39、析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)之間的不可逆損失，有助于攀捏兩者之間的差異，從而為提高內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的完善程度指明努力的方向。這些損失有：一、工質(zhì)不同的影響；二、換氣損失；三、傳熱損失；四、燃燒損失；五、流動(dòng)損失；六、工質(zhì)泄露損失為了說(shuō)明這些差異和各種損失情況，圖32給出了以混合循環(huán)自然吸氣式柴油機(jī)為例的理論循環(huán)與實(shí)際循環(huán)示功圖，其差別分別闡述如下。一、工質(zhì)不同帶來(lái)的影響理論循環(huán)的工質(zhì)是理想的雙原子氣體，并假定其物理化學(xué)性質(zhì)在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中是不變的在實(shí)際內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中，燃燒前的工質(zhì)是由新鮮空氣、燃料蒸氣和上一循環(huán)殘余廢氣等組成的混合氣體，燃燒過(guò)程中及燃燒后，工質(zhì)的成分及數(shù)量不斷發(fā)生著變化，三原子氣體占多數(shù)，

40、其比熱容比兩原子氣體大，且隨著溫度的上升而增大，在燃燒產(chǎn)物中還存在著一些成分的高溫分解以及在膨脹過(guò)程中的復(fù)合放熱現(xiàn)象。上述因素中，以工質(zhì)對(duì)比熱容的影響為最大，其他各項(xiàng)的影響較小一些。這就意味著由于比熱容隨溫度上升而增大，對(duì)于相同的加熱量(燃料燃燒放熱量)，實(shí)際循環(huán)所能夠達(dá)到的最高燃燒溫度小于理論循環(huán)，其最終的結(jié)果是使循環(huán)熱效率下降，循環(huán)所做的有用功減少：例如，對(duì)于壓縮比為18、過(guò)量空氣系數(shù)為1.5、最高壓力為8MPa的混合循環(huán)，其理論熱效率大致為060；當(dāng)考慮到工質(zhì)的實(shí)際物性時(shí)，其熱效率將降低到0.51。從圖32的內(nèi)燃機(jī)pV圖中可以看出工質(zhì)對(duì)理論循環(huán)的影響。由于比熱容隨溫度的增加而增大，燃燒膨

41、脹線和壓縮線(虛線所示)分別低于理論循環(huán)的燃燒膨脹線和壓縮線(點(diǎn)實(shí)線)，其中燃燒膨脹線由于比熱容增加的幅度較大而導(dǎo)致下降幅度也大一些。同時(shí)，上述曲線所圍成的示功圖面積也小于理論循環(huán)的示功圖面積。二、換氣損失理論循環(huán)是閉式循環(huán)，沒有工質(zhì)的更換也沒有任何形式的流動(dòng)阻力損失。在實(shí)際循環(huán)中，吸入新鮮空氣與燃料，排氣時(shí)排出燃燒廢氣，這是循環(huán)過(guò)程得以周而復(fù)始進(jìn)行所必不可少的。為盡可能降低排氣阻力，排氣門需要提前開啟，燃?xì)庠谂蛎浀较轮裹c(diǎn)前從氣缸內(nèi)排出(沿b1d1線)，這將使示功圖上的有用功面積減少(因中陰影區(qū))；在掃氣和吸氣行程中，氣體在流經(jīng)進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣道以及進(jìn)排氣門時(shí)，不可避免地存在著流動(dòng)阻力損失，也

42、需要消耗一部分有用功。上述兩項(xiàng)之和稱為實(shí)際循環(huán)的換氣損失。此外，由于進(jìn)氣壓力(壓縮始點(diǎn)壓力)pa低于大氣壓力，使整個(gè)壓縮線ac位于理論壓縮線atct的下方。三、傳熱損失理論循環(huán)假設(shè)與工質(zhì)相接觸的氣缸壁面是絕熱的，兩者間不存在熱量的交換，因而沒有傳熱損失。實(shí)際上，缸套內(nèi)壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等(統(tǒng)稱壁面)與缸內(nèi)工質(zhì)直接相接觸的表面，始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。在壓縮初期，由于壁面溫度高于工質(zhì)溫度，工質(zhì)受到加熱；隨著壓縮過(guò)程的進(jìn)行，工質(zhì)的溫度在壓縮后期將超過(guò)壁面溫度，熱量將由工質(zhì)流向壁面；隨后，進(jìn)入燃燒以及膨脹期，工質(zhì)連續(xù)不斷地向壁面?zhèn)鞒鰺崃俊＿@樣，與理論循環(huán)相比，示功圖上減少的有用功面積將大

43、于壓縮線下所增加的面積，其差值即為實(shí)際循環(huán)的傳熱損失。傳熱損失的存在，使循環(huán)的熱效率和循環(huán)的指示功都有所下降，同時(shí)增加了內(nèi)燃機(jī)受熱零件的熱負(fù)荷。在圖32中，傳熱與流動(dòng)損失的存在，使示功圖形狀如實(shí)線所示。四、燃燒損失根據(jù)理論循環(huán)對(duì)燃燒過(guò)程的處理，燃燒是外界熱源向工質(zhì)在一定條件下的加熱過(guò)程。燃燒(加熱)速度根據(jù)加熱方式的不同而有差異，如在等容加熱條件下，熱源向工質(zhì)的加熱速度極快，可以在容積不變條件下瞬時(shí)完成；在等壓加熱條件下，加熱的速度是與活塞的運(yùn)動(dòng)速度相配合的，以保持缸內(nèi)壓力不變。實(shí)際的燃燒過(guò)程需要經(jīng)歷著火準(zhǔn)備、火焰?zhèn)鞑ヅc擴(kuò)散、后燃等環(huán)節(jié)，燃燒速度受到多種因素的制約，與理論循環(huán)有很大的差異，這種

44、差異所造成的與燃燒有關(guān)的損失，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。1燃燒速度的有限性由于實(shí)際上燃料的燃燒速度是有限的，燃燒的進(jìn)行需要足夠的時(shí)間，這就造成了內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)中的一個(gè)重要的損失燃燒速度的有限性所形成的損失，它帶來(lái)了以下幾方面的不利影響：(1)壓縮負(fù)功增加 為了提高熱效率，必須使燃燒能夠在上止點(diǎn)后不久即告結(jié)束，為此就需要在上止點(diǎn)前提前噴入燃油或進(jìn)行點(diǎn)火。這樣，實(shí)際的燃燒過(guò)程在上止點(diǎn)前就已經(jīng)開始，從而造成了壓縮負(fù)功的增加。(2)最高壓力下降 由于傳熱損失的存在、燃燒速度的有限性以及活塞在上止點(diǎn)后由上行變?yōu)橄滦羞\(yùn)動(dòng)而使氣缸體積增大，使得壓力升高率明顯低于理論循環(huán)值，于是實(shí)際循環(huán)的最高壓力有所下降。(3

45、)初始膨脹比減小 理論循環(huán)假定全部熱量是在某一點(diǎn)(zt點(diǎn)，見圖32)前完全加熱(燃燒)完畢，壓力達(dá)到最大，而后進(jìn)入膨脹過(guò)程；而實(shí)際的燃燒過(guò)程則由于傳熱損失、不完全燃燒、后燃以及活塞運(yùn)動(dòng)等因素，使初始膨脹比減小(z'z'1z'tzt)。以上種種影響因素，使得實(shí)際的燃燒過(guò)程偏離理論循環(huán)的等容和等壓過(guò)程，增加了壓縮耗功，減少了膨脹有用功，最終使指示熱效率和平均指示壓力與理論循環(huán)相比均有明顯的降低。2后燃以及不完全燃燒損失理論循環(huán)中認(rèn)為，加熱過(guò)程結(jié)束之后即轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過(guò)程。在實(shí)際過(guò)程中，經(jīng)常由于供油系統(tǒng)供油不及時(shí)、混合氣準(zhǔn)備不充分、燃燒后期氧氣不足等原因而導(dǎo)致燃燒速度減緩，仍有

46、部分燃油在氣缸壓力達(dá)到最高點(diǎn)后繼續(xù)進(jìn)行燃燒，稱之為后燃。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及混合氣的不同情況，后燃可能持續(xù)到上止點(diǎn)后40。一80。(CA)才結(jié)束，但也有可能一直拖延到排氣門打開之時(shí)。除此之外，還有少量燃油由于未來(lái)得及燃燒而直接排出機(jī)外，從而引起不完全燃燒損失。后燃期間，熱功轉(zhuǎn)換效率由于膨脹比小而大大降低，不完全燃燒更直接導(dǎo)致了燃料化學(xué)能的損失。燃燒損失是一個(gè)不容忽略的損失。為了計(jì)及該損失的大小，有必要引入燃燒效率的概念。為此，將內(nèi)燃機(jī)視為一個(gè)開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)與周圍環(huán)境(大氣)交換熱量和機(jī)械功；由燃料和空氣組成的反應(yīng)物流入系統(tǒng)，流出系統(tǒng)的是燃燒產(chǎn)物(廢氣)。燃燒效率的定義為：燃料在該系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)燃燒反

47、應(yīng)所釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總能量之比。具體的計(jì)算式建立在化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)上。圖33是不同型式內(nèi)燃機(jī)的燃燒效率隨當(dāng)量燃空比的變化情況當(dāng)量燃空比定義為混合氣的實(shí)際燃空比與該燃料化學(xué)計(jì)量燃空比之比，它是過(guò)量空氣系數(shù)的倒數(shù)?？梢?，汽油機(jī)采用稀混合氣時(shí)，其燃燒效率通常在9598的范圍內(nèi)；而當(dāng)混合氣加濃后，由于空氣中缺氧使燃料燃燒不完全，燃燒效率下降，且下降幅度隨混合氣的變濃而增大。相對(duì)而言，柴油機(jī)由于一直運(yùn)行在混合氣較稀的狀態(tài)，其燃燒效率相對(duì)較高，大約為98。1.2.6 內(nèi)燃機(jī)機(jī)械損失的測(cè)量機(jī)械損失的測(cè)定方法有好幾種，但要借以獲得較精確的數(shù)值還是困難的。1示功圖法運(yùn)用傳感器測(cè)取示功圖，從中算出指示

48、功Pi值，然后用測(cè)功機(jī)測(cè)出有效功率，從而可以算出機(jī)械損失功Pm，值，這種直接測(cè)定方法是在真實(shí)的試驗(yàn)工況下進(jìn)行的，從理論上講也完全符合機(jī)械損失的定義，但試驗(yàn)結(jié)果的正確程度住往決定于示功圖測(cè)錄的正確程度，其中最大的誤差來(lái)源于p圖或pV圖上活塞上止點(diǎn)位置不易正確地確定。2倒拖法這種方法在具有電力測(cè)功器的試驗(yàn)條件下方可進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電力測(cè)功器相連，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以給定工況穩(wěn)定運(yùn)行，冷卻水、機(jī)油溫度到達(dá)正常數(shù)值時(shí)，切斷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的供油，將電力測(cè)功器轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，以給定轉(zhuǎn)速倒拖發(fā)功機(jī)，并且維持冷卻水和機(jī)油溫度不變，這樣測(cè)得的倒拖功率即為發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下的機(jī)械損失功率。與實(shí)際運(yùn)行情況相比，首先，氣缸內(nèi)不進(jìn)行

49、燃燒過(guò)程，氣缸內(nèi)不進(jìn)行燃燒過(guò)程，作用在活塞上的氣體壓力在膨張行程中大幅度下降，使活塞、連桿、曲軸的摩擦損失有所減少；其次，按這種方法求出的摩擦功率中含有不應(yīng)該有的泵氣功這一項(xiàng)，且由于排氣過(guò)程中溫度低、密度大，使泵氣功比實(shí)際的還大；再次，倒拖在膨脹、壓縮行程中，由于充量向氣缸壁的傳熱損失，以致于pV圖上膨脹線和壓縮線不重合而處于它的下方，出現(xiàn)了圖26上所示的負(fù)功面積。實(shí)際上，在測(cè)量該工況的有效功率時(shí)，這部分傳熱損失已被考慮在內(nèi)。這三種因素的綜合結(jié)果是：倒拖時(shí)所消耗的功率要超過(guò)柴袖機(jī)在給定工況工作時(shí)的實(shí)際機(jī)械損失，在低壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)中，誤差大約為5，在高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)中，誤差有時(shí)可高達(dá)(1520)因而此方法在測(cè)定汽油機(jī)機(jī)械損失時(shí)得到較廣泛的應(yīng)用。3滅缸法此法僅適用于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)調(diào)整到給定工況穩(wěn)定工作后，