內(nèi)燃機的工作循環(huán)

1、內(nèi)燃機的工作循環(huán)內(nèi)燃機的理論循環(huán)內(nèi)燃機的實際熱力循環(huán):是燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的過程，由進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣等多個過程所組成。在這些過程中，伴隨著各種復(fù)雜的物理、化學過程，同時，機械摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等引起的一系列不可逆損失也大量存在。 內(nèi)燃機的理論循環(huán):將實際循環(huán)進行假設(shè)干簡化，忽略一些次要的影響因素，并對其中變化復(fù)雜、難于進行細致分析的物理、化學過程如可燃混合氣的準備與燃燒過程等進行簡化處理，從而得到便于進行定量分析的假想循環(huán)或簡化循環(huán)。對理論循環(huán)進行研究可以到達以下目的： 1)用簡單的公式來說明內(nèi)燃機工作過程中各根本熱力參數(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)濟性和

2、以平均壓力為代表的動力性的根本途徑。 2)確定循環(huán)熱效率的理論極限，以判斷實際內(nèi)燃機經(jīng)濟性和工作過程進行的完善程度以及改良潛力。 3)有利于分析比擬內(nèi)燃機不同熱力循環(huán)方式的經(jīng)濟性和動力性。 建立理論循環(huán)的簡化假設(shè)： 1)以空氣作為工作循環(huán)的工質(zhì)，并視其為理想氣體，在整個循環(huán)中的物理及化學性質(zhì)保持不變，工質(zhì)比熱容為常數(shù)。 2)不考慮實際存在的工質(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)下進行的，忽略進、排氣流動損失及其影響。 3)把氣缸內(nèi)的壓縮和膨脹過程看成是完全理想的絕熱等熵過程，工質(zhì)與外界不進行熱量交換。 4)分別用假想的加熱與放熱過程來代替實際的燃燒過程與排氣過程，并將排氣

3、過程即工質(zhì)的放熱視為等容放熱過程。內(nèi)燃機理論循環(huán)的三種形式：等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)。三種理論循環(huán)的熱效率分析 ：當初始狀態(tài)一致且加熱量及壓縮比相同時，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；當最高循環(huán)壓力pz(或稱為最高燃燒壓力)相同、加熱量相同而壓縮比不同時，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。由熱效率表達式，還可以得到如下結(jié)論：提高壓縮比c可以提高熱效率t，但提高率隨著壓縮比c的不斷增大而逐漸降低。增大壓力升高比p可使熱效率t提高。壓縮比c以及壓力升高比p的增加，將導(dǎo)致最高循

4、環(huán)壓力pz的急劇上升。增大初始膨脹比0，可以提高循環(huán)平均壓力，但循環(huán)熱效率t隨之降低。等熵指數(shù)k增大，循環(huán)熱效率t提高。內(nèi)燃機實際工作條件的約束和限制： 1)結(jié)構(gòu)條件的限制 從理論循環(huán)的分析可知，提高壓縮比c和壓力升高比p時提高循環(huán)熱效率t起著有利的作用，但將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力pz的急劇升高，從而對承載零件的強度要求更高，這勢必縮短發(fā)動機的使用壽命，降低發(fā)動機的使用可靠性，為此只好增加發(fā)動機的質(zhì)量，結(jié)果造成發(fā)動機體積與制造本錢的增加。 2)機械效率的限制 內(nèi)燃機的機械效率m是與氣缸中的最高循環(huán)壓力pz密切相關(guān)的。不加限制地提高c以及p，將引起m的下降。從有效指標上看，將直接導(dǎo)致壓縮比c，以及壓力

5、升高比p提高而帶來的收益得而復(fù)失。 3)燃燒方面的限制 假設(shè)壓縮比定得過高，汽油機將會產(chǎn)生爆燃、外表點火等不正常燃燒的現(xiàn)象。對于柴油機而言，過高的壓縮比將使壓縮終了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)計的難度增加，也不利于燃燒的高效進行。柴油機的壓縮比c一般在1222之間，最高循環(huán)壓力pz714 MPa，壓力升高比p在1322左右。 汽油機的壓縮比c612，pz38.5 MPa，p在2.04.0左右。 第二節(jié) 內(nèi)燃機的燃料及其熱化學一、內(nèi)燃機的燃料一石油燃料二天然氣燃料三代用燃料(一)石油燃料1、石油中烴的分類2、石油的煉制方法與燃料3、柴油和汽油的理化性質(zhì)1、石油中烴的分類

6、從化學結(jié)構(gòu)上看，石油根本上是 由脂肪族烴、環(huán)烷族烴和芳香族烴等各種烴類組成的混合物。脂肪族烴包括烷烴和烯烴，烷烴是一種飽和鏈狀分子結(jié)構(gòu)，其中直鏈式排列的正構(gòu)烷熱穩(wěn)定性低，在高溫下易分裂，滯燃期短，適合作柴油機的燃料；非直鏈排列的異構(gòu)烷抗爆性強，自行著火的傾向比正構(gòu)烷小得多，適合作汽油機的燃料，并且常用異構(gòu)烷來作為評價汽油燃料抗爆性的標準。烯烴是種不飽和的鏈狀烴，其熱值較低，著火性能差，只適合作汽油機的燃料。環(huán)烷族烴的碳原子不是鏈狀而是環(huán)狀排列，屬飽和烴，其熱穩(wěn)定性比脂肪族高，自燃溫度較脂肪族高，適合作汽油機的燃料。芳香族烴具有較高的化學和熱穩(wěn)定性，在高溫下分子不易分裂，抗爆燃性能極強，自燃溫度

7、比脂肪族烴和環(huán)烷族烴高，也適合作汽油機的燃料或作為汽油的抗爆添加劑。其中，屬于芳香烴的甲基萘與正十六烷還用作評定柴油機自燃性能(十六烷值)的標準燃料。2. 石油的煉制方法與燃料 直接蒸餾法：將原油在專用的煉油塔(分餾塔)中進行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油，最終獲得的燃料約占原油的25一40； 裂解法：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。其中，通過加溫加壓的方法進行裂解的稱為熱裂解法，使用催化劑(觸媒)進行裂解的稱為催化裂解法。 表32給出了在從原油提煉液體燃料過程中，不同煉制工藝對油料性質(zhì)的影響。熱裂解法雖然工藝簡單，但由于所得到的燃油穩(wěn)定性

8、較差，一般還需要進行催化裂解等煉制過程，以保證質(zhì)量。值得強調(diào)的是，每一種商品燃料都是多種烴類的混合物，而且是各種煉制工藝所得油料的調(diào)和產(chǎn)物；近年來，為了提高汽油燃料的辛烷值，大量采用催化重整工藝，即將低辛院值的汽油在鉑、鎳等催化劑的接觸催化下進行重整，使其辛烷值水平得到進一步提高。3. 柴油和汽油的理化性質(zhì) (1)柴油的理化性質(zhì) 與柴油機性能有關(guān)的燃料特性是自燃溫度、餾程、粘度、含硫量等，其中，以自燃溫度和低溫流動性(凝點)影響最大1)自燃溫度 柴油在無外源點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度稱為自燃溫度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。 十六烷值的評定需用兩種

9、自燃性能截然不同的標準燃料作比擬，一種是正十六烷C16H34，自燃性很好，其十六烷值定義為100；另一種是甲基萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定義為0。在標準的專用試驗機上，分別對待試柴油和一定混合比例的正十六烷與甲基萘混合液進行自燃性比擬；當兩者自燃性相同時，混合液中正十六烷的容積百分比，即為所試柴油的十六烷值。十六烷值高的柴油，其自燃溫度低，滯燃期短，有利于發(fā)動機的冷起動，適合于高速柴油機使用，但過高十六烷值的柴油在燃燒過程中容易裂解，造成排氣過程中的碳煙。因此，一般情況下，常限制柴油的十六烷值在65以下。2)低溫流動性(濁點與凝點) 溫度降低時，柴油中所含的高分子烷族烴(如石蠟)

10、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，到達這一狀態(tài)的溫度值就是柴油的濁點。此時盡管柴油仍然具有流動性，但其析出的結(jié)晶會堵塞濾清器和油管等；當溫度再降低時，柴油即完全凝固，此時的溫度稱為凝點。 柴油在低于凝點后，無法正常供給與工作；用降凝劑可以降低凝點，但對濁點影響不大。 我國的國標中對輕柴油的標號，即是按照柴油的凝點來規(guī)定的。如國產(chǎn)0號柴油凝固點為0，適合夏季使用。-20號柴油凝固點為-20，適合冬季或寒冷地區(qū)使用。3)化學成分及發(fā)熱量 燃油的化學成分是用碳、氫、氧、氯四種元素的質(zhì)量分數(shù)表示的，其中碳的質(zhì)量分數(shù)一般在85以上，而含氮那么很少，往往可以忽略不計。1kg

11、燃油完全燃燒所放出的熱量叫做燃料的發(fā)熱量或熱值，其單位為kJkg。 高熱值：計及水蒸氣冷凝時放出汽化潛熱的發(fā)熱量； 低熱值：不計及汽化潛熱的發(fā)熱量。 在內(nèi)燃機中，燃油的發(fā)熱量常用低熱值：般柴油機的低熱值為4250044000kJkg。(2)汽油的理化性質(zhì) 對于汽油機來說，與其性能有關(guān)的燃料特性主要是揮發(fā)性和抗爆性。 1)揮發(fā)性 表示液體燃料汽化的傾向，與燃料的餾分組成、蒸氣壓、外表張力以及汽化潛熱等有關(guān)。汽油餾出的溫度范圍稱為餾程。汽油蒸發(fā)般以蒸發(fā)餾程中餾出一定比例的燃料時所對應(yīng)的溫度來表示。10餾出溫度越低，那么汽油機在低溫下越容易起動，但過低的餾出溫度，在高溫下容易發(fā)生氣阻；50餾出溫度表

12、示汽油的平均揮發(fā)性，是保證汽車加速性和平穩(wěn)性的重要指標；90餾出溫度和終餾溫度過高，易產(chǎn)生積碳并稀釋曲軸箱潤滑油。一般初餾點為4080，終餾點為180210。 汽油的飽和蒸氣壓是用標準儀器在一定條件下(38)測定的。蒸氣壓高，揮發(fā)性強、汽油機容易起動，但產(chǎn)生氣阻傾向和揮發(fā)損失也大。一般規(guī)定蒸氣壓在夏季不低于67kPa；、冬季不大于80kPa。 汽油的揮發(fā)性應(yīng)當滿足發(fā)動機冷起動和暖車過程在內(nèi)的所有工況的要求，但揮發(fā)性過高，會增加因蒸發(fā)而形成的有害HC排放物。 2)抗爆性 燃料對于發(fā)動機發(fā)生爆燃的抵抗能力稱為燃料的抗爆性。烷烴抗爆性最差，烯烴次之，環(huán)烷烴較好，芳香烴最好。在同一種烴內(nèi)，輕餾分優(yōu)于重

13、餾分，異構(gòu)物優(yōu)于正構(gòu)物。從煉制工藝來看，直餾汽油的辛烷值最低，熱裂解汽油的辛烷值較低，而催化裂解、重整汽油的辛烷值較高。 汽油的抗爆性是以辛烷值來表示的。汽油的抗爆性的評價也是基于兩種標準燃料：辛烷值為100的抗爆性能較佳的異辛烷C8H18和抗爆性較弱、辛烷值為0的正庚烷C7H16。在專用的試驗機上，將所試油料的爆燃強度同標準混合液(異辛烷與正庚烷按一定比例混合的混合液)的爆燃強度相比擬，當兩者相同時，標準混合液中所含異辛烷的體積分數(shù)，即為所試油料的辛烷值。根據(jù)試驗標準的不同，所得的辛院值分別稱為馬達法MON或研究法RON辛烷值。我國生產(chǎn)的汽油是按研究法辛烷值RON分級的。不斷提高汽油燃料的辛

14、烷值，以適應(yīng)發(fā)動機強化的需求，是汽車工業(yè)對于石油化工工業(yè)提出的要求。提高辛烷值的傳統(tǒng)方法，是在汽油中添加高效抗爆劑如四乙鉛Pb(C2H5)4，但由于該添加劑含鉛量高，對人體及環(huán)境有較為嚴重的危害，同時還會使排氣催化轉(zhuǎn)換器中的催化劑嚴重中毒而導(dǎo)致失效，因而逐漸被淘汰。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進的煉制工藝和使用高辛烷值的調(diào)和劑，如參加甲基叔丁基醚(MTBF)、乙基叔丁基醚(ETBE)或醇類燃料等，以獲得較高辛烷值而無其他不利于環(huán)保的副作用。汽油和柴油的物性差異決定了汽油機和柴油機在混合氣形成、著火和燃燒上的差異1 混合氣形成 汽油機： 柴油機： 外部形成 內(nèi)部形成 均勻混合氣 非均勻

15、混合氣 較小 較大 量調(diào)節(jié)負荷 質(zhì)調(diào)節(jié)負荷2發(fā)火方式汽油機： 柴油機： 外源點火 自行著火 單火源發(fā)火 多火源著火3燃燒方式汽油機： 柴油機：以火焰?zhèn)鞑シ绞綖橹?以擴散燃燒方式為主接近等容燃燒 接近先等容后等壓燃燒 (二)氣體燃料 內(nèi)燃機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。 1.天然氣 天然氣主要成分為鏈烷烴化合物的甲烷CH4 (容積比可達95以上)，另外還包括乙烷C2H6以及丙烷C3H8等。天然氣的熱值和辛烷值均較高，在用作點燃式發(fā)動機的燃料時，通過適當?shù)募夹g(shù)措施，如提高發(fā)動機的壓縮比等，可以接近原發(fā)動機的動力性能。同時，天然氣又是一種比擬潔凈的能源，排污低，使用比擬

16、方便，特別是壓縮天然氣(CNGCompressed Natural Gas)，便于儲存，配合相應(yīng)的根底設(shè)施如加氣站的建設(shè)，在城市車輛如公共汽車、出租車中具有廣闊的應(yīng)用前景。2.液化石油氣 液化石油氣(LPG-Liquefied Petroleum Gas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，其單位容積熱值高于天然氣，可以作為汽油機的燃料，還可以獲得較好的排放性能(三)代用燃料 1.醇類燃料 醇類燃料有甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。甲醇可以從天然氣、煤、生物質(zhì)等原料中提?。灰掖贾饕菍⒑?/p>

17、糖和淀粉的農(nóng)作物經(jīng)過發(fā)酵后制得。醇類燃料是液體燃料，可以沿用傳統(tǒng)的石油燃料的運輸、貯存系統(tǒng)，相關(guān)的根底設(shè)施建設(shè)投入少，而發(fā)動機的動力性與經(jīng)濟性可以接近或超過原有汽油機或柴油機，排氣有害成分少，是一種很有開展前景的代用燃料。2. 植物油燃料 植物油的種類很多，分為可食用與非食用的兩大類。大多數(shù)植物油的主要化學成分是甘油三酸酯，即由一個分子甘油(丙三醇)和三個脂肪酸分子以酯鍵連接組成的復(fù)合物；植物油的熱值均比柴油低。由于植物油加熱時易產(chǎn)生分解，少量輕成分揮發(fā)，大局部那么變成膠狀物，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，燃燒不充分，積碳嚴重。植物油的十六

18、烷值也較低，但經(jīng)過酯化處理后，其著火性能可以得到改善。 目前，植物油還主要在柴油機上試用。從長遠來看，開展非食用植物油作為燃料缺乏的補充，是很有意義的。二、燃燒熱化學 燃料的燃燒過程就是燃料與空氣中的氧進行氧化反響而放出熱量的過程。 1.完全燃燒 從理論上說，當氧充分時，燃料中的碳元素以及氫元素可以完全被氧化為二氧化碳和水，而空氣中的氮那么并不參與任何反響。如考慮一種通用的碳氫化合物，其平均分子組成為CcHhOo (下角c、h、o分別表示相應(yīng)元素的原子數(shù))，而空氣那么可以認為是多種理想氣體的混合氣體，按容積計其組成成分為：氧占，氮占，其余為其他氣體。為了方便計算，可忽略其他氣體成分，即認為空氣

19、中除氧外，其余均為氮，這樣對應(yīng)于1mol的氧，有的氮。 碳氫燃料在空氣中完全燃燒時的化學反響式1kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量(質(zhì)量)之比(稱為化學計量空燃比)，可以采用下式計算式中，lo的單位為kgkg。一般而言，內(nèi)燃機所用的燃料均為各種碳氫化合物的混合物，難于準確地確定其中C、H、O三種元素的原子數(shù)c、h及o，另一方面，這三種主要元素的質(zhì)量比可以通過化學分析方法得到，分別記為gC、gH和gO。根據(jù)定義式，有化學計量空然比的計算式就可以寫出簡化式為： 如以體積關(guān)系式來計算化學計量空然比單位：kmol/kg,那么計算式為：據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)汽油中C、H、O三種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為0.855、0.1

20、45和0，而柴油中三種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為0.870、0.126和0.004，代入lo和Lo,就可以求出汽油和柴油的化學計量比。對于汽油：對于柴油：內(nèi)燃機的實際循環(huán) 通過分析內(nèi)燃機理論循環(huán)和實際循環(huán)的差異，可以找到提高內(nèi)燃機工作過程完善程度的方向。圖3-2給出二者的示功圖。主要差異一、不同工質(zhì)帶來的影響二、換氣損失三、傳熱損失四、燃燒損失一、不同工質(zhì)帶來的影響理論循環(huán)的工質(zhì)是理想的雙原子氣體，并假定其物理化學性質(zhì)在整個循環(huán)過程中是不變的。在實際內(nèi)燃機循環(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)剩余廢氣等組成的混合氣體，燃燒過程中及燃燒后，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)

21、，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程中的復(fù)合放熱現(xiàn)象。 上述因素中，以工質(zhì)比照熱容的影響為最大，其他各項的影響較小一些。由于比熱容隨溫度上升而增大，對于相同的加熱量(燃料燃燒放熱量)，實際循環(huán)所能夠到達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，對于壓縮比為18、過量空氣系數(shù)為、最高壓力為8MPa的混合循環(huán)，其理論熱效率大致為；當考慮到工質(zhì)的實際物性時，其熱效率將降低到。 從圖32的內(nèi)燃機pv圖中可以看出工質(zhì)對理論循環(huán)的影響。由于比熱容隨溫度的增加而增大，燃燒膨脹線和壓縮線(虛線所示)

22、，分別低于理論循環(huán)的燃燒膨脹線和壓縮線(點實線)，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，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阻力損失。在實際循環(huán)中，吸入新鮮空氣與燃料，然后在適宜的時候排出燃燒廢氣，這是循環(huán)過程得以周而復(fù)始進行所必不可少的。上述過程是通過換氣過程進行的。在這一過程中，為盡可能降低排氣阻力，排氣門需要提前開啟，燃氣在膨脹到下止點前從氣缸內(nèi)排出(沿b1d1線)，這將使示功圖上的有用功面積減少(圖中陰影區(qū))；在排氣和吸氣行程中，氣體在流經(jīng)進排氣管、進排氣道以及進排氣門

23、時，不可防止地存在著流動阻力損失，也需要消耗一局部有用功。上述兩項之和稱為實際循環(huán)的換氣損失。此外，由于進氣壓力(壓縮始點壓力)pa低于大氣壓力，使整個壓縮線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)直接相接觸的外表，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；隨著壓縮過程的進行，工質(zhì)的溫度在壓縮后期將超過壁面溫度，熱量將由工質(zhì)流向壁面；隨后，進入燃燒以及膨脹期，工質(zhì)連續(xù)不斷地向壁面?zhèn)鞒鰺崃?。這樣，與理論

24、循環(huán)相比，示功圖上減少的有用功面積將大于壓縮線下所增加的面積，其差值即為實際循環(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，同時增加了內(nèi)燃機受熱零件的熱負荷。在圖32中，傳熱與流動損失的存在，使示功圖形狀如實線所示。四、燃燒損失 根據(jù)理論循環(huán)對燃燒過程的處理，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完成；在等壓加熱條件下，加熱的速度是與活塞的運動速度相配合的，以保持缸內(nèi)壓力不變。實際的燃燒過程需要經(jīng)歷著火準備、火焰?zhèn)鞑ヅc擴散、后燃等環(huán)節(jié)，燃燒速度受到多種

25、因素的制約，與理論循環(huán)有很大的差異，這種差異所造成的與燃燒有關(guān)的損失，主要表達在以下兩個方面。 1. 燃燒速度的有限性 由于實際上燃料的燃燒速度是有限的，燃燒的進行需要足夠的時間，這就造成了內(nèi)燃機實際循環(huán)中的一個重要的損失燃燒速度的有限性所形成的損失，它帶來了以下幾方面的不利影響： (1)壓縮負功增加 為了提高熱效率，必須使燃燒能夠在上止點后不久即告結(jié)束，為此就需要在上止點前提前噴入燃油或進行點火。這樣，實際的燃燒過程在上止點前就已經(jīng)開始，從而造成了壓縮負功的增加。 (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后由上行變?yōu)橄滦羞\動而使氣缸體積膨脹，使得壓力升高率明顯

26、低于理論循環(huán)值，于是實際循環(huán)的最高壓力有所下降。 (3)初始膨脹比減小 理論循環(huán)假定全部熱量是在某一點(zt點，見圖32)前完全加熱(燃燒)完畢，壓力到達最大，而后進入膨脹過程；而實際的燃燒過程那么由于傳熱損失、不完全燃燒、后燃以及活塞運動等因素，使初始膨脹比0減小(zz1ztzt。 以上種種影響因素，使得實際的燃燒過程偏離理論循環(huán)的等容和等壓過程，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)中認為，加熱過程結(jié)束之后即轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。在實際過程中，經(jīng)常由于供油系統(tǒng)供油不及時、混合氣準備不充分、燃燒后期氧氣缺

27、乏等原因而導(dǎo)致燃燒速度減緩，仍有局部燃油在氣缸壓力到達最高點后繼續(xù)進行燃燒，稱之為后燃。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速以及混合氣的不同情況，后燃可能持續(xù)到上止點后4080(CA)才結(jié)束，但也有可能一直拖延到排氣門翻開之時。除此之外，還有少量燃油由于未來得及燃燒而直接排出機外，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)致了燃料化學能的損失。 燃燒損失是一個不容忽略的損失。為了計及該損失的大小，引入燃燒效率的概念。為此，將內(nèi)燃機視為一個開口系統(tǒng)，該系統(tǒng)與周圍環(huán)境(大氣)交換熱量和機械功；由燃料和空氣組成的反響物流入系統(tǒng)，流出系統(tǒng)的是燃燒產(chǎn)物(廢氣)。燃燒效率的定義為：

28、燃料在該系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)燃燒反響所釋放出的總熱量與燃料所能釋放的總能量之比。圖33是不同型式內(nèi)燃機的燃燒效率隨當量燃空比的變化情況、當量燃空比定義為混合氣的實際燃空比與該燃料化學計量燃空比之比，它是過量空氣系數(shù)的倒數(shù)。 汽油機采用稀混合氣時，其燃燒效率通常在95-98的范圍內(nèi)；而當混合氣加濃后，出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。 柴油機由于一直運行在混合氣較稀的狀態(tài)，其燃燒效率相對較高，大約為98。內(nèi)燃機循環(huán)的熱力學模型 對內(nèi)燃機的熱力學過程，特別是缸內(nèi)的熱力學過程進行模擬計算，在內(nèi)燃機的研究與開發(fā)初期是非常有用的。它不僅可以預(yù)測所設(shè)計發(fā)動機的初步性能，進行

29、多方案的比擬，以期獲得最正確的設(shè)計方案，而且也可以對結(jié)構(gòu)參數(shù)與運行參數(shù)進行優(yōu)化，對發(fā)動機的壽命和可靠性進行預(yù)測，以減少試驗的工作量，縮短發(fā)動機的設(shè)計周期，節(jié)省開發(fā)研究費用。 內(nèi)燃機工作過程的模擬預(yù)測計算，最早采用的是熱力計算法，它是建立在簡單熱力學關(guān)系根底之上的一種近似的、半經(jīng)驗的估算方法。該方法可以對內(nèi)燃機的工作過程進行估算，但其精度和應(yīng)用范圍都受到了很大的限制。20世紀60年代以后，隨著內(nèi)燃機數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善和計算機技術(shù)的進步，有關(guān)數(shù)值模擬方面的研究也不斷深入，新的理論不斷涌現(xiàn)，極大促進了設(shè)計手段的更新和設(shè)計觀念的變革。與此同時，用于內(nèi)燃機的商品化軟件陸續(xù)推出，其功能也不斷完善，從零

30、維模型到多維模型，從整機到分部件、分系統(tǒng)的計算軟件，從性能預(yù)測到強度分析等等不一而足。 熱力學模型：以熱力學根本概念為根底，不涉及內(nèi)燃機中各種熱力學參數(shù)在空間場的不均勻性問題以及工作過程的細節(jié)，又稱為零維模型，較為常用。其根本的思路是：從內(nèi)燃機工作循環(huán)各系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的物理過程出發(fā)，用微分方程對各系統(tǒng)的實際工作過程進行數(shù)學描述，通過編制計算機程序，得到氣缸內(nèi)各參數(shù)隨時間(或曲軸轉(zhuǎn)角)的變化規(guī)律；然后，通過相應(yīng)的計算公式，計算出發(fā)動機的宏觀性能參數(shù)。一、模型的假定 1)不考慮氣缸內(nèi)各點的壓力、溫度與濃度場的差異，并認為在進氣期間，流入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的剩余廢氣實現(xiàn)瞬時的完全混合，缸內(nèi)的狀態(tài)是均

31、勻的，亦即為單區(qū)過程。 2)工質(zhì)為理想氣體，其比熱容、內(nèi)能僅與氣體的溫度和氣體的組成有關(guān)。 3)氣體流入與流出氣缸為準穩(wěn)定流動，不計流入或流出時的動能。 4)不計及進氣系統(tǒng)內(nèi)壓力和溫度波動的影響。 5)缸內(nèi)工質(zhì)在封閉過程中無泄漏。二、根本的微分方程組 將氣缸壁面、活塞頂面以及缸蓋底面所圍成的容積作為一個熱力學系統(tǒng)，如圖34所示。對該變?nèi)莘e熱力學系統(tǒng)分別應(yīng)用熱力學第一定律、質(zhì)量守恒定律以及氣體狀態(tài)方程，經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，得到計算內(nèi)燃機工作過程的通用方程組如下下標含義: B-burn w-Wall s-suck e-exhaust參數(shù)含義: T-temperature m-mass Q-Quanti

32、ty of heat 式中，下標s表示通過進氣門流人氣缸的氣體參數(shù)，下標e表示通過排氣門流出氣缸的氣體參數(shù)，下標B表示燃料燃燒放熱項，下標w表示通過壁面與熱力學系統(tǒng)間發(fā)生的熱量交換。其余無下標的各項，分別表示氣缸內(nèi)的有關(guān)參數(shù)，而為瞬時過量空氣系數(shù)，其意義見下文。為了使得計算順利進行，假定參加系統(tǒng)的能量或質(zhì)量為正，離開系統(tǒng)的能量或質(zhì)量為負。同時，假設(shè)內(nèi)能為溫度和成分的函數(shù)，并以來反映混合氣的組成成分，那么有 有關(guān)約束條件的計算要點： 1)氣缸工作容積根據(jù)活塞連桿機構(gòu)運動學的幾何關(guān)系式導(dǎo)出 式中，Vs、c和s(曲柄連稈比)可根據(jù)發(fā)動機的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。 2)工質(zhì)流入、流出氣缸的質(zhì)量流量，可根據(jù)流體力

33、學中氣體流經(jīng)節(jié)流過程的計算關(guān)系式推出，其一般形式為 311式中，下標I表示流動上游參數(shù)；與A分別為氣門處的流量系數(shù)與流通截面積，可分別根據(jù)試驗結(jié)果與幾何關(guān)系確定；s,e為流函數(shù)，與上下游的壓力差即流動狀態(tài)有關(guān)，其通用計算式為式中，下標代表流動下游參數(shù)。 3)工質(zhì)與活塞頂面、氣缸內(nèi)壁面及缸蓋底面的傳熱量計算式為 312式中，各換熱外表積Fi可根據(jù)活塞位移情況以及發(fā)動機的幾何參數(shù)確定；壁面溫度Twi根據(jù)統(tǒng)計值選定；換熱系數(shù)有多種經(jīng)驗或半經(jīng)驗的回歸公式，實際應(yīng)用時根據(jù)所研究對象的具體情況選定一種 4)燃料的燃燒放熱過程用一個簡化的代用燃燒放熱規(guī)律來代替實際過程，即認為燃料是按照一定的函數(shù)形式進行燃燒

34、放熱的，并且在代用過程中所放出的總熱量以及所產(chǎn)生的結(jié)果(性能指標)與實際過程是一致的。常用的函數(shù)有余弦函數(shù)以及韋伯(Weibe)函數(shù)等，其中，韋伯函數(shù)是應(yīng)用較廣泛的一種，其形式為 313式中，u為燃燒效率，取決于燃燒方式，而三個主要參數(shù)(燃燒始點0、燃燒持續(xù)期z以及燃燒品質(zhì)指數(shù)m)也與內(nèi)燃機的類型有關(guān)，其中m的變化范圍為，取決于燃燒放熱的速率與方式。 5)工質(zhì)物性的計算。為了方便起見，用一個簡化關(guān)系式來計算物性參數(shù)，如較為常用的Justi公式kJkgmol 314該式適用于混合氣較稀的柴油機，而汽油機由于存在不完全燃燒、高溫分解等特殊現(xiàn)象，其計算式較為復(fù)雜一些。 在得到內(nèi)能或焓的計算式之后，其

35、他的物性參數(shù)均可以通過根本熱力學關(guān)系式推導(dǎo)得到，這樣，方程組(36)、(37)、(38)中的物性參數(shù)均可以求出。6) 瞬時過量空氣系數(shù)定義為缸內(nèi)瞬時空燃比與化學計量空燃比的比值，而瞬時空燃比那么是某一瞬時缸內(nèi)的空氣質(zhì)量與該瞬時缸內(nèi)累計燃料質(zhì)量之比，即 315對于首次迭代計算或缸內(nèi)無剩余廢氣時，可將其瞬時過量空氣系數(shù)定為一個較大值，如104。三、缸內(nèi)實際工作過程的計算 應(yīng)用以上建立的微分方程組(36)、(37)、(38)，結(jié)合補充的各種約束條件，即可對內(nèi)燃機的實際工作過程進行模擬計算。計算一般從壓縮始點(進氣門關(guān)閉時刻)開始，依次完成一個完整循環(huán)。當再次回到計算始點時，比擬兩次計算結(jié)果，如達不到

36、精度要求，那么將計算得到的始點參數(shù)作為初始參數(shù)重新計算，直到滿足要求。 根據(jù)缸內(nèi)實際過程在各個階段的不同特點，上述微分方程組呈現(xiàn)出不同的簡化形式。可以采用不同的處理方法。 1閉式階段根據(jù)熱力學系統(tǒng)的劃分狀況，在整個內(nèi)燃機工作循環(huán)中，氣缸可分為封閉階段依次可以分為壓縮期、燃燒期及膨脹期以及開式階段(工質(zhì)更換階段)兩個階段。其中，在封閉階段的三個不同期間，壓縮期與膨脹期在微分方程組的形式上是相同的，不同的僅是缸內(nèi)質(zhì)量上的差異。在這一時期，由于工質(zhì)內(nèi)的質(zhì)量無變化，質(zhì)量守恒方程項賂去，這樣能量守恒方程就變換為 316該方程與氣體狀態(tài)方程聯(lián)立，即可對內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)進行求解，相對于開式過程見式(36)而言，這一方程要簡單得多。對于燃燒過程來說，工質(zhì)的質(zhì)量由于燃料的燃燒而發(fā)生變化，而燃料的燃燒過程變化規(guī)律 是預(yù)先給定的(如韋伯代用燃燒放熱規(guī)律)，故質(zhì)量守恒方程項那么為 317對于瞬時過量空氣系數(shù)的變化情況，不難推導(dǎo)出 318這樣，能量守恒方程中的各項均可以依次求出，從而可以求出燃燒過程中的缸內(nèi)狀態(tài)參數(shù)。 2開式階段從排氣門開啟至進氣門關(guān)閉為開式階段，又稱充量更換過程。由于通過缸內(nèi)熱力學系統(tǒng)邊界有氣體流入或流出，該階段的