第三章內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)肖平

1、2022-5-61第三章第三章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán) 內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等熱力過程組成，存在著各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程氣等熱力過程組成，存在著各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程以及傳熱、流動(dòng)摩擦等一系列不可逆過程。以及傳熱、流動(dòng)摩擦等一系列不可逆過程。第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)第一節(jié)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)2022-5-62理論循環(huán)假設(shè)：用假想的加熱與放熱過程代替實(shí)際燃燒和排用假想的加熱與放熱過程代替實(shí)際燃燒和排氣過程氣過程?？赡娼^熱壓縮、膨脹過程，（等熵過程）；可逆絕熱壓縮、膨脹過程，（等熵過程）；工質(zhì)質(zhì)量不變，不計(jì)泄漏、流

2、動(dòng)損失等不工質(zhì)質(zhì)量不變，不計(jì)泄漏、流動(dòng)損失等不可逆過程；可逆過程；空氣為工質(zhì)，視為理想氣體，比熱容為常數(shù)；空氣為工質(zhì)，視為理想氣體，比熱容為常數(shù)；2022-5-63理論循環(huán)理論循環(huán)1、等容加熱循環(huán)等容加熱循環(huán) （汽油機(jī)汽油機(jī) ）3、混合加熱循環(huán)、混合加熱循環(huán) （ 高速柴油機(jī)）高速柴油機(jī)）2、等壓加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán) （高增壓或低速大型柴油機(jī)）高增壓或低速大型柴油機(jī)）2022-5-64一、三種理論循環(huán)（一、三種理論循環(huán)（Idealgasstandardcycles）b-a：等容放熱等容放熱z-b：絕熱膨脹絕熱膨脹c-z：等容或等壓加熱等容或等壓加熱a-c：絕熱壓縮絕熱壓縮2022-5-65研究

3、理論循環(huán)的目的：研究理論循環(huán)的目的：1.用簡單的公式來闡明內(nèi)燃機(jī)工作過程中各基本熱力參數(shù)用簡單的公式來闡明內(nèi)燃機(jī)工作過程中各基本熱力參數(shù)間的關(guān)系，明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和間的關(guān)系，明確提高以理論循環(huán)熱效率為代表的經(jīng)濟(jì)性和以循環(huán)平均壓力為代表的動(dòng)力性的基本途徑。以循環(huán)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)工作過確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實(shí)際內(nèi)燃機(jī)工作過程的經(jīng)濟(jì)性和循環(huán)進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。程的經(jīng)濟(jì)性和循環(huán)進(jìn)行的完善程度以及改進(jìn)潛力。3.有利于比較內(nèi)燃機(jī)各種熱力有利于比較內(nèi)燃機(jī)各種熱力循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

4、2022-5-66五、結(jié)論五、結(jié)論提高壓縮比提高壓縮比(va/vc)可以提高工質(zhì)的最高溫度，擴(kuò)大了可以提高工質(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，從而提高了熱提高了熱效率效率，但提高率隨著壓縮比的不斷增大而逐漸降低。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，因而可熱量，提高了熱量利用率，因而可使熱效率提高使熱效率提高。3)壓縮比以及壓力升高比的增加，將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力壓縮比以及壓力升高比的增加，將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力

5、的急劇上升。的急劇上升。2022-5-674)增大初始膨脹比增大初始膨脹比，可以提高循環(huán)平均壓力，但由于等可以提高循環(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)閴翰糠旨訜崃康脑黾?，?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，做功這部分熱量是在膨脹比不斷降低的情況下加入的，做功能力能力下降。下降。5)等熵指數(shù)增大，循環(huán)熱效率提高。等熵指數(shù)增大，循環(huán)熱效率提高。2022-5-68六、提高循環(huán)熱效率的約束和限制六、提高循環(huán)熱效率的約束和限制燃燒方面的限制：燃燒方面的限制：汽油機(jī)將會(huì)產(chǎn)生爆燃、表面汽油機(jī)將會(huì)產(chǎn)生爆燃、表面點(diǎn)火等不正常燃燒的現(xiàn)象。柴油機(jī)

6、使壓縮終了點(diǎn)火等不正常燃燒的現(xiàn)象。柴油機(jī)使壓縮終了的氣缸容積變得很小，對制造工藝的要求極為的氣缸容積變得很小，對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。的高效進(jìn)行。結(jié)構(gòu)條件的限制：結(jié)構(gòu)條件的限制：提高壓縮比和壓力升高比導(dǎo)致最高循提高壓縮比和壓力升高比導(dǎo)致最高循環(huán)壓力的急劇升高，這勢必縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，降環(huán)壓力的急劇升高，這勢必縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性。低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性。機(jī)械效率的限制：機(jī)械效率的限制：最高循環(huán)壓力決定了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的最高循環(huán)壓力決定了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量、慣性力以及主要承壓面積的大小

7、等。質(zhì)量、慣性力以及主要承壓面積的大小等。2022-5-69第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué)第二節(jié)內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué)一、內(nèi)燃機(jī)的燃料一、內(nèi)燃機(jī)的燃料烴烴脂肪脂肪族烴，族烴，環(huán)烷環(huán)烷族烴，族烴，芳香芳香族烴。其中，族烴。其中，脂肪族烴脂肪族烴烷烴，烯烴烷烴，烯烴1、分類、分類（一）石油燃料（一）石油燃料2022-5-6102022-5-6112、石油的煉制方法、石油的煉制方法(OilRefining)直接蒸餾法直接蒸餾法在專用的煉油塔在專用的煉油塔(分餾塔分餾塔)中進(jìn)行加熱蒸中進(jìn)行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，獲得的燃餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，獲得的燃料約占原油的料

8、約占原油的2540。裂解法裂解法將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同將蒸餾后的重油等一些高分子成分通過不同的技術(shù)手段裂解為分子量較輕的成分。的技術(shù)手段裂解為分子量較輕的成分。熱裂解：加溫加壓熱裂解：加溫加壓催化裂解：使用催化劑催化裂解：使用催化劑(觸媒觸媒)油料：汽油油料：汽油柴油柴油2022-5-6122022-5-6133、柴油和汽油的理化性質(zhì)、柴油和汽油的理化性質(zhì)自燃自燃溫度：溫度： 柴油在無外源點(diǎn)火的情況下能夠自行著火柴油在無外源點(diǎn)火的情況下能夠自行著火的性質(zhì)稱之為自燃性，能夠使柴油自行著火的最低溫的性質(zhì)稱之為自燃性，能夠使柴油自行著火的最低溫度稱為自燃溫度。度稱為自燃溫度。(1)柴

9、油的理化性質(zhì)柴油的理化性質(zhì)低溫流動(dòng)性低溫流動(dòng)性(濁點(diǎn)與凝點(diǎn)濁點(diǎn)與凝點(diǎn))：溫度降低時(shí)，柴油中所含溫度降低時(shí)，柴油中所含的高分子烷族烴的高分子烷族烴(如石蠟如石蠟)和燃料中夾雜的水分開始析和燃料中夾雜的水分開始析出并結(jié)晶，使原來呈半透明狀的柴油變得渾濁，達(dá)到出并結(jié)晶，使原來呈半透明狀的柴油變得渾濁，達(dá)到這一狀態(tài)的溫度值就是柴油的這一狀態(tài)的溫度值就是柴油的渾濁點(diǎn)。渾濁點(diǎn)。此時(shí)盡管柴油此時(shí)盡管柴油仍然具有流動(dòng)性，但其析出的結(jié)晶會(huì)堵塞濾清器和油仍然具有流動(dòng)性，但其析出的結(jié)晶會(huì)堵塞濾清器和油管等；當(dāng)溫度再降低時(shí)，柴油即完全凝固，此時(shí)的溫管等；當(dāng)溫度再降低時(shí)，柴油即完全凝固，此時(shí)的溫度度稱為凝點(diǎn)稱為凝點(diǎn)。2

10、022-5-614十六烷值高的柴油，其自燃溫度低，滯燃期短，有利十六烷值高的柴油，其自燃溫度低，滯燃期短，有利于于發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)，適合于高速柴油機(jī)使用，但過高十發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)，適合于高速柴油機(jī)使用，但過高十六六烷值的柴油在燃燒過程中容易裂解，造成排氣過程中烷值的柴油在燃燒過程中容易裂解，造成排氣過程中的的碳煙。碳煙。我國的國標(biāo)中對輕柴油的標(biāo)號，即是按照柴油的凝點(diǎn)我國的國標(biāo)中對輕柴油的標(biāo)號，即是按照柴油的凝點(diǎn)來規(guī)定的。來規(guī)定的。p36十六烷值（十六烷值（CN,cetanenumber）在標(biāo)準(zhǔn)的專用試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)的專用試驗(yàn)機(jī)上，分別對待試柴油和一定混合比例的正十六烷機(jī)上，分別對待試柴油和一定混合比例的

11、正十六烷（CN=100）與與甲基萘（甲基萘（CN=0）混合液進(jìn)行自燃性混合液進(jìn)行自燃性比較。比較。2022-5-6152022-5-616（2）汽油的理化性質(zhì)）汽油的理化性質(zhì)汽油餾出的溫度范圍稱為餾程。汽油餾出的溫度范圍稱為餾程。10餾出溫度越低，則汽油機(jī)在低溫下越容易起動(dòng)，但餾出溫度越低，則汽油機(jī)在低溫下越容易起動(dòng)，但過低的餾出溫度，在高溫下容易發(fā)生氣阻；過低的餾出溫度，在高溫下容易發(fā)生氣阻；50餾出溫度表示汽油的平均揮發(fā)性，保證汽車加速性餾出溫度表示汽油的平均揮發(fā)性，保證汽車加速性和平穩(wěn)性；和平穩(wěn)性；90餾出溫度和終餾溫度過高，易產(chǎn)生積碳并稀釋曲軸餾出溫度和終餾溫度過高，易產(chǎn)生積碳并稀釋曲

12、軸箱潤滑油。箱潤滑油。一般初餾點(diǎn)為一般初餾點(diǎn)為4080，終餾點(diǎn)為，終餾點(diǎn)為180210。2022-5-617抗爆性抗爆性p37： 在專用的試驗(yàn)機(jī)上，將所試油料的爆燃強(qiáng)度同標(biāo)準(zhǔn)混在專用的試驗(yàn)機(jī)上，將所試油料的爆燃強(qiáng)度同標(biāo)準(zhǔn)混合液合液(異辛烷（異辛烷（ON=100）與正庚烷（與正庚烷（ON=0）按一定比按一定比例混合的混合液例混合的混合液)的爆燃強(qiáng)度相比較，當(dāng)兩者相同時(shí)，的爆燃強(qiáng)度相比較，當(dāng)兩者相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)混合液中所含異辛烷的體積分?jǐn)?shù)，即為所試油料標(biāo)準(zhǔn)混合液中所含異辛烷的體積分?jǐn)?shù)，即為所試油料的辛烷值。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范的不同，辛烷值分為馬達(dá)法的辛烷值。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范的不同，辛烷值分為馬達(dá)法MON或研究法

13、或研究法RON辛烷值。我國生產(chǎn)的汽油是按研究辛烷值。我國生產(chǎn)的汽油是按研究法辛烷值法辛烷值RON分級的。分級的。燃料對于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力稱為燃料的抗爆性。燃料對于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆燃的抵抗能力稱為燃料的抗爆性。2022-5-6182022-5-619（二）氣體燃料（二）氣體燃料 液化石油氣：是天然石油氣或石油煉制過程中生產(chǎn)的石油氣，主要成分是丙烷C3H8 、丙烯C3H6 、丁烷C4H10 、丁烯C4H8及其異構(gòu)物，在常溫下加壓，可以變成液體燃料。內(nèi)燃機(jī)所用的氣體燃料主要有天然氣、液化石油氣、氫氣、煤氣、沼氣等。天然氣：甲烷CH4(容積比可達(dá)95%以上)，乙烷C2H6及丙烷C3H8等。2022

14、-5-620（三（三）代用燃料代用燃料 醇類燃料：醇類燃料：甲醇和乙醇。甲醇和乙醇。 甲醇可以從天然氣、煤、生物質(zhì)等原甲醇可以從天然氣、煤、生物質(zhì)等原料中提?。灰掖贾饕菍⒑刑呛偷矸鄣霓r(nóng)作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。料中提取；乙醇主要是將含有糖和淀粉的農(nóng)作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。經(jīng)過酯化處理：經(jīng)過酯化處理：生物柴油；生物柴油；生物柴油生物柴油:從植物油和動(dòng)物脂肪中通過化學(xué)反應(yīng)所得的單酯化合物從植物油和動(dòng)物脂肪中通過化學(xué)反應(yīng)所得的單酯化合物植物油燃料：植物油燃料：分為可食用與非食用兩大類。大多數(shù)植物油的主要化分為可食用與非食用兩大類。大多數(shù)植物油的主要化學(xué)成分是甘油三酸酯，即由一個(gè)分子甘油學(xué)成分是甘油三酸酯，

15、即由一個(gè)分子甘油(丙三醇丙三醇)和三個(gè)脂肪酸分子和三個(gè)脂肪酸分子以酯鍵連接組成的復(fù)合物。植物油加熱時(shí)易產(chǎn)生分解，少量輕成分以酯鍵連接組成的復(fù)合物。植物油加熱時(shí)易產(chǎn)生分解，少量輕成分揮發(fā)，大部分則變成膠狀物，因此很難獲得蒸餾特性。另外，由于揮發(fā)，大部分則變成膠狀物，因此很難獲得蒸餾特性。另外，由于植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以霧化特性差，燃燒不植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以霧化特性差，燃燒不充分，積碳嚴(yán)重。植物油的十六烷值也較低，其著火性能差。充分，積碳嚴(yán)重。植物油的十六烷值也較低，其著火性能差。2022-5-6212022-5-622二、燃燒熱化學(xué)二、燃燒熱化學(xué)完全燃燒完全

16、燃燒：空氣（按容積計(jì)）：氧占空氣（按容積計(jì)）：氧占2095，氮占，氮占7890，其余其余093為其他氣體。為其他氣體。燃料：燃料：CcHhOo(下角分別表示相應(yīng)元素的原子數(shù)下角分別表示相應(yīng)元素的原子數(shù))2022-5-623C+O2 CO2H2+（1/2）O2 H2O 柴油： 化學(xué)計(jì)量空燃比，l0=14.117kg/kg 汽油：化學(xué)計(jì)量空燃比， l0= 14.796kg/kgCHO=1 kgggg化學(xué)反應(yīng)式：化學(xué)反應(yīng)式：2022-5-624第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)第三節(jié)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)理論循環(huán)的工質(zhì)是理想的雙原子氣體；實(shí)際循環(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，燃燒過程

17、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)，比熱容比兩原子氣體大，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。一、工質(zhì)不同帶來的影響：2022-5-625理論循環(huán)是閉式循環(huán)，沒有工質(zhì)的更換，也理論循環(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。實(shí)際循環(huán)沒有任何形式的流動(dòng)阻力損失。實(shí)際循環(huán)是通過換氣過程進(jìn)行的。為盡可能降低排是通過換氣過程進(jìn)行的。為盡可能降低排氣阻力，排氣門需要提前開啟，燃?xì)庠谂驓庾枇?，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，這將使有用脹到下止點(diǎn)前從氣缸內(nèi)排出，這將使有用功面積減

18、少。進(jìn)排氣過程，不可避免存在功面積減少。進(jìn)排氣過程，不可避免存在流動(dòng)損失，消耗部分有用功。流動(dòng)損失，消耗部分有用功。二、換氣損失二、換氣損失：2022-5-626理論循環(huán)假設(shè)與工質(zhì)相接觸的氣缸壁面是絕熱理論循環(huán)假設(shè)與工質(zhì)相接觸的氣缸壁面是絕熱的；實(shí)際上，缸套內(nèi)壁面、活塞頂面以及氣的；實(shí)際上，缸套內(nèi)壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。傳缸蓋底面等始終與工質(zhì)發(fā)生著熱量交換。傳熱損失的存在，使循環(huán)的熱效率和循環(huán)的指熱損失的存在，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。件的熱負(fù)荷。三、傳熱損失2022-5-62

19、72后燃以及不完全燃燒損失；由于供油、混合、燃燒后期氧氣后燃以及不完全燃燒損失；由于供油、混合、燃燒后期氧氣不足等原因而導(dǎo)致部分燃油在氣缸壓力達(dá)到最高點(diǎn)后繼續(xù)進(jìn)不足等原因而導(dǎo)致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。有可能一直拖延到排氣門打開之時(shí)。行燃燒，稱之為后燃。有可能一直拖延到排氣門打開之時(shí)。此外，還有少量燃油由于未來得及燃燒而直接排出機(jī)外，從此外，還有少量燃油由于未來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)能的損比小而大大降低，不完全燃

20、燒更直接導(dǎo)致了燃料化學(xué)能的損失。失。四、燃燒損失：理論循環(huán)對燃燒過程的處理是加熱過程；實(shí)際的燃燒過程需要經(jīng)歷理論循環(huán)對燃燒過程的處理是加熱過程；實(shí)際的燃燒過程需要經(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的制約:1燃燒速度的有限性（壓縮負(fù)功增加；最高壓力下降；初始膨脹燃燒速度的有限性（壓縮負(fù)功增加；最高壓力下降；初始膨脹比減小）比減?。?022-5-6282022-5-6292.完成一個(gè)工作循環(huán)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)只需轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，而四完成一個(gè)工作循環(huán)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)只需轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，而四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積、壓沖程發(fā)動(dòng)機(jī)需要轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積、壓縮比和轉(zhuǎn)速相等時(shí)，從理論上講，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的功率縮比和轉(zhuǎn)速相等時(shí)，從理論上講，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率的兩倍，但實(shí)際上，只有應(yīng)為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)功率的兩倍，但實(shí)際上，只有1.51.6倍，這是由于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)難以將廢氣排凈，以及倍，這是由于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)難以將廢氣排凈，以及為了安排換氣過程而較多地?fù)p失了高壓氣體的作功能力，為了安排換氣過程而較多地?fù)p失了高壓氣體的作功能力，另外還有可燃混合氣隨廢氣排出等所致。另外還有可燃混合氣隨廢氣排出等所致。 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)與四沖程發(fā)動(dòng)