內(nèi)燃機(jī)原理 第3章

內(nèi)燃機(jī)原理沈陽航空工業(yè)學(xué)院動(dòng)力與能源工程學(xué)院徐讓書第3章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)3.1

內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)3.2內(nèi)燃機(jī)的燃料及熱化學(xué)3.3內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)3.4內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失3.5內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型第1節(jié)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際熱力循環(huán)過程中，工質(zhì)無論在質(zhì)或量上都時(shí)刻發(fā)生著變化，伴隨著復(fù)雜物理、化學(xué)過程，機(jī)械摩擦、散熱、燃燒、節(jié)流等引起的不可逆損失也大量存在，要準(zhǔn)確地從理論上描述內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際過程是十分困難的。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素，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)行若干簡化，從而得到便于進(jìn)行定量分析的假想循環(huán)，通常稱之為內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)。通過對(duì)理論循環(huán)進(jìn)行研究，可以達(dá)到以下目的：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)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)經(jīng)濟(jì)性和工作過程進(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。內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)——簡化假設(shè)必須對(duì)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際過程進(jìn)行必要的簡化假設(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(gè)循環(huán)中物理及化學(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)的壓縮和膨脹過程看成是完全理想的絕熱等熵過程，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程來代替實(shí)際的燃燒過程與排氣過程，并將排氣過程即工質(zhì)的放熱視為等容放熱過程。根據(jù)對(duì)燃燒過程即加熱方式的不同假設(shè)，可以得到不同的理論循環(huán)。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)混合加熱循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)——示功圖pVOzcbaQ1Q2等容加熱循環(huán)pVOzcbaQ1Q2等壓加熱循環(huán)pVOzcbaQvQ2混合加熱循環(huán)Q1-QvZ’表2-1各種理論循環(huán)的比較循環(huán)

名稱循環(huán)熱效率循環(huán)特點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)際過程等容加熱循環(huán)加熱過程在等容條件下快速完成，熱效率僅與壓縮比有關(guān)點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)（Otto循環(huán)）等壓加熱循環(huán)加熱過程在等壓條件下緩慢完成，負(fù)荷的增加使得熱效率下降燃?xì)廨啓C(jī)（Brayton循環(huán)）混合加熱循環(huán)介于上述兩者之間柴油機(jī)（Diesel循環(huán)）κ為等熵指數(shù)，εc=Va/Vc為壓縮比，λp=pz/pc為壓力升高比，ρ0=Vz/Vc為初始膨脹比。內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)——各種理論循環(huán)的比較當(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)熱效率介于兩者之間；當(dāng)最高循環(huán)壓力pz相同、加熱量相同而壓縮比不同時(shí)，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)熱效率介于兩者之間。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εc可以提高工質(zhì)的最高溫度，增加了內(nèi)燃機(jī)的膨脹比，從而提高了熱效率ηt，但提高率隨著εc的不斷增大而逐漸降低。2)增大壓力升高比λp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，可使ηt提高。3)εc及λp的增加，將導(dǎo)致最高循環(huán)壓力pz的急劇上升。4)增大初始膨脹比ρ0，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ηt隨之降低。5)等熵指數(shù)κ增大，ηt提高。內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)—實(shí)際約束和限制以上結(jié)論用于指導(dǎo)實(shí)踐時(shí)。必須考慮到內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作的約束和限制：1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制提高εc和λp將導(dǎo)致pz的急劇升高，對(duì)承載零件的強(qiáng)度要求更高，勢必縮短使用壽命，降低可靠性。2)機(jī)械效率的限制機(jī)械效率ηm是與pz密切相關(guān)的。不加限制地提高εc以及λp，將引起ηm的下降。將導(dǎo)致由εc以及λp提高而帶來的收益得而復(fù)失。這對(duì)于本來壓縮比已經(jīng)很高的柴油機(jī)更為明顯。3)燃燒方面的限制壓縮比定得過高，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。于柴油機(jī)過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。柴油機(jī)壓縮比 εc=12~22最高循環(huán)壓力 pz=7~14MPa壓力升高比 λp=1.3~2.2汽油機(jī)壓縮比 εc=6~12最高循環(huán)壓力 pz=3~8.5MPa壓力升高比 λp=2.0~4.0第3章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)3.1

內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)3.2內(nèi)燃機(jī)的燃料及熱化學(xué)3.3內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)3.4內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失3.5內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型第2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)石油燃料1.石油中烴的分類內(nèi)燃機(jī)所使用的液體燃料主要來源于天然石油（原油），主要由碳、氫兩種元素所組成，兩者的體積分類之和占總量的97%－98%，其他還有氧、氮、硫等少量元素。在天然石油中，絕大部分元素是以碳?xì)浠衔锏男问酱嬖诘?，稱之為烴。石油基本上是脂肪族烴、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(jī)的燃料；異構(gòu)烷抗爆性強(qiáng)，自行著火傾向比正構(gòu)烷小得多，適合作汽油機(jī)的燃料，常用異構(gòu)烷來作為評(píng)價(jià)汽油燃料抗爆性的標(biāo)準(zhǔn)。烯烴是不飽和的鏈狀烴，其熱值較低，著火性能差，只適合作汽油機(jī)的燃料。環(huán)烷族烴碳原子是環(huán)狀排列，屬飽和烴，其熱穩(wěn)定性和自燃溫度比脂肪族高，適合作汽油機(jī)的燃料。第2節(jié)內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué)芳香族烴含氫原子數(shù)少且具有雙鍵和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，難于氧化形成過氧化物，具有較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，在高溫下分子不易分裂，抗爆燃性能極強(qiáng)，自燃溫度比脂肪族烴和環(huán)烷族烴高，適合作汽油機(jī)燃料或汽油的抗爆添加劑。2.石油的煉制方法與燃料原油是由多種烴類組成的混合液體。其典型的煉制過程工藝流程有直接蒸餾法將原油在專用的煉油塔（分餾塔）中進(jìn)行加熱蒸餾，不同的分餾溫度，得到不同成分的燃油；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(jìn)行裂解的稱為熱裂解法，所得到的燃油穩(wěn)定性較差，一般還需要進(jìn)行催化裂解等煉制過程，以保證質(zhì)量。使用催化劑（觸媒）進(jìn)行裂解的稱為催化裂解法。值得強(qiáng)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。催化重整工藝將低辛烷值的汽油在鉑、錸等催化劑的接觸催化下進(jìn)行重整，使其辛烷值水平得到進(jìn)一步提高。表2-2不同煉制方法對(duì)油料特性的影響

煉制方法油料直接蒸餾法熱裂解法催化裂解法汽油穩(wěn)定性好含烷族烴與環(huán)烷烴90%－95%芳香烴不超過5%－9%不含有不飽和的鏈狀烴其辛烷值大小與所含烷族烴的比例直接相關(guān)，大致在50~70含有較多的不飽和烴在儲(chǔ)存中易生膠質(zhì)抗爆性能比直餾汽油要好，辛烷值約在58~68的范圍內(nèi)芳香烴的體積分?jǐn)?shù)約在32%－40%烷族烴為50%－60%環(huán)烷烴為8%－10%品質(zhì)高，抗爆性能好，辛烷值可達(dá)77~84常用作高級(jí)汽油柴油含有芳香烴約20%－30%具有較高的十六烷值含有大量的不飽和烴其十六烷值較低一般用作中、低速柴油機(jī)的燃料性能較好可作高品質(zhì)柴油使用用于高速柴油機(jī)中第2節(jié)內(nèi)燃機(jī)的燃料及其熱化學(xué)3.柴油和汽油的理化性質(zhì)(1)柴油的理化性質(zhì)自燃溫度和低溫流動(dòng)性（凝點(diǎn)）對(duì)柴油機(jī)性能影響最大。1)自燃溫度柴油在無外源點(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度稱為自燃溫度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。十六烷值高的柴油，其自燃溫度低，滯燃期短，有利于發(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。十六烷值的評(píng)定用兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料作比較：正十六烷C16H34，自燃性很好，其十六烷值定義為100；和α－甲基萘C11H10，自燃性很差，其十六烷值定義為0。在標(biāo)準(zhǔn)的專用試驗(yàn)機(jī)上，分別對(duì)待試柴油和一定混合比例的正十六烷與α－甲基萘混合液進(jìn)行自燃性比較。當(dāng)兩者自燃性相同時(shí)，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。一、內(nèi)燃機(jī)的燃料——柴油的理化性質(zhì)2)低溫流動(dòng)性（濁點(diǎn)與凝點(diǎn)）溫度降低時(shí)，柴油中的高分子烷族烴（如石蠟）和水分開始析出并結(jié)晶，使原來呈半透明狀的柴油變得渾濁，達(dá)到這一狀態(tài)的溫度值就是柴油的渾濁點(diǎn)。當(dāng)溫度再降低時(shí)，柴油即完全凝固，此時(shí)的溫度稱為凝點(diǎn)。柴油在低于凝點(diǎn)后無法正常供應(yīng)與工作。我國的國標(biāo)中對(duì)輕柴油的標(biāo)號(hào)，即是按照柴油的凝點(diǎn)來規(guī)定的。3)化學(xué)成分及發(fā)熱量燃油的化學(xué)成分是用碳、氫、氧、氮四種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示的，其中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在85%以上，而含氮?jiǎng)t很少，可忽略不計(jì)。1kg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kJ/kg。燃油的發(fā)熱值有低熱值與高熱值之分，計(jì)及燃燒產(chǎn)物中水蒸氣冷凝時(shí)放出汽化潛熱的發(fā)熱量叫做高熱值，不計(jì)及汽化潛熱的發(fā)熱量為低熱值。在內(nèi)燃機(jī)中，由于無法利用水蒸氣汽化潛熱，所以用低熱值。一般柴油機(jī)的低熱值為42500~44000kJ/kg。一、內(nèi)燃機(jī)的燃料(2)汽油的理化性質(zhì)對(duì)于汽油機(jī)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、表面張力以及汽化潛熱有關(guān)。汽油餾出的溫度范圍稱為餾程。汽油揮發(fā)性一般以蒸發(fā)餾程中餾出一定比例的燃料時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度來表示。10%餾出溫度低，汽油機(jī)在低溫下容易起動(dòng)；過低的餾出溫度，高溫下易發(fā)生氣阻；50%餾出溫度表示汽油的平均揮發(fā)性，是保證汽車加速性和平穩(wěn)性的重要指標(biāo)；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。汽油的飽和蒸氣壓是用標(biāo)準(zhǔn)儀器在一定條件下（38°C）測定的。蒸氣壓高，揮發(fā)性強(qiáng)，汽油機(jī)容易起動(dòng)，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(dāng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和暖車過程在內(nèi)的所有工況的要求。但揮發(fā)性過高，會(huì)增加因蒸發(fā)而形成的有害HC排放物。一、內(nèi)燃機(jī)的燃料——汽油的理化性質(zhì)2)抗爆性燃料對(duì)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。它是汽油燃料一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)，而且隨燃料化學(xué)成分的不同差別很大。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。其評(píng)定也是基于兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料：抗爆性能較佳的異辛烷C8H18(辛烷值100)和抗爆性較弱的正庚烷C7H16(辛烷值0)

。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（異辛烷與正庚烷按一定比例混合的混合液）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)，即為所試油料的辛烷值。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范的不同，所得的辛烷值分別稱為馬達(dá)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(jí)的。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。目前，提高汽油辛烷值的主要措施是采用先進(jìn)的煉制工藝和使用高辛烷值的調(diào)和劑，如加入甲基叔丁基醚（MTBE）、乙基叔丁基醚（ETBE）或醇類燃料等。一、內(nèi)燃機(jī)的燃料(二)氣體燃料1.天然氣是以自由狀態(tài)或與石油一起存在于自然界中的可燃?xì)怏w，其主要成分為鏈烷烴化合物的甲烷CH4，還包括乙烷C2H6及丙烷C3H8等。熱值和辛烷值均較高，在用作點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料時(shí)，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，如提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比等，可以接近原發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。是比較潔凈的能源，排污低，使用方便，特別是壓縮天然氣（CNG），便于儲(chǔ)存，配合相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施（如加氣站）的建設(shè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.液化石油氣（LPG）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，其單位容積熱值高于天然氣，可以作為汽油機(jī)的燃料，還可以獲得較好的排放性能。一、內(nèi)燃機(jī)的燃料(三)代用燃料1.醇類燃料甲醇CH3OH，可以從天然氣、煤、生物質(zhì)等原料中提??；和乙醇C2H5OH，主要是將含有糖和淀粉的農(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(yùn)輸、貯存系統(tǒng)，相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入少，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性可以接近或超過原有汽油機(jī)或柴油機(jī)，排氣有害成分少，是一種是很有發(fā)展前景的代用燃料。2.植物油燃料可食用與非食用的兩大類。大多數(shù)植物油的主要化學(xué)成分是甘油三酸酯植物油的熱值均比柴油低。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。密度大，粘度比柴油高十多倍，霧化特性差，燃燒不充分，積碳嚴(yán)重。十六烷值也較低，但經(jīng)過酯化處理后，其著火性能可以得到改善。目前，主要在柴油機(jī)上試用。第3章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)3.1

內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)3.2內(nèi)燃機(jī)的燃料及熱化學(xué)3.3內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)3.4內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失3.5內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型第3節(jié)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)相比，存在著許多不可逆損失。分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)之間的不可逆損失，有助于掌握兩者之間的差異，為提高內(nèi)燃機(jī)工作過程的完善程度指明努力的方向。一、工質(zhì)不同帶來的影響在實(shí)際內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中，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，三原子氣體比熱容比兩原子氣體大，且隨著溫度的上升而增大；比熱比κ比空氣小。在燃燒產(chǎn)物中還存在著一些成分的高溫分解以及復(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。由于比熱容隨溫度上升而增大，對(duì)于相同的加熱量，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)，結(jié)果是使循環(huán)熱效率下降，循環(huán)所做的有用功減少。二、換氣損失三、傳熱損失四、時(shí)間損失五、燃燒損失六、渦流和節(jié)流損失七、泄漏損失上述損失中較大的是換氣損失、傳熱損失和燃燒損失。由于上述損失，εc=13，φa=2，pz=5MPa的柴油機(jī)：理論循環(huán)的熱效率ηt=61%實(shí)際循環(huán)的熱效率ηt=45%第3章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)3.1

內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)3.2內(nèi)燃機(jī)的燃料及熱化學(xué)3.3內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)3.4內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失3.5內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型第4節(jié)內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失研究傳熱問題對(duì)于改善工作循環(huán)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行可靠性都有意義。氣缸內(nèi)傳熱問題的復(fù)雜性三種傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射，以對(duì)流為主非穩(wěn)定狀態(tài)：傳熱面積、工質(zhì)狀態(tài)（壓力、溫度、速度）均在變化只能定性分析或用基于試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似的定量分析氣缸壁傳熱計(jì)算

αr、αg--輻射、接觸傳熱系數(shù)Fc--傳熱面積T、Tw--工質(zhì)、缸壁的溫度傳熱面積可由曲柄連桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律求得，工質(zhì)溫度可由示功圖計(jì)算，缸壁溫度可以測得，傳熱系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。影響傳熱損失qc=Qc/Q1的因素氣缸尺寸沖程缸徑比S/D燃燒室形式冷卻介質(zhì)溫度增壓工況負(fù)荷轉(zhuǎn)速第3章內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)3.1

內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)3.2內(nèi)燃機(jī)的燃料及熱化學(xué)3.3內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)3.4內(nèi)燃機(jī)中的傳熱損失3.5內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型第5節(jié)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型

對(duì)內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)的熱力學(xué)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，在內(nèi)燃機(jī)的研究與開發(fā)初期是非常有用的。一種較為常用的計(jì)算模型——熱力學(xué)模型。該方法不涉及內(nèi)燃機(jī)中各熱力學(xué)參數(shù)在空間的不均勻性以及工作過程的細(xì)節(jié)，故又稱為零維模型。其基本的思路是：用微分方程對(duì)各系統(tǒng)的實(shí)際工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，通過計(jì)算程序，得到氣缸內(nèi)各參數(shù)隨時(shí)間（或曲軸轉(zhuǎn)角）的變化規(guī)律；通過相應(yīng)的計(jì)算公式，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的宏觀性能參數(shù)。一、模型的假定在推導(dǎo)氣缸內(nèi)工作過程計(jì)算的基本微分方程式時(shí)，采用如下的簡化假定：1)不考慮氣缸內(nèi)各點(diǎn)的壓力、溫度與濃度場的差異，并認(rèn)為在進(jìn)氣期間，流入氣缸內(nèi)的空氣與氣缸內(nèi)的殘余廢氣實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的完全混合，缸內(nèi)的狀態(tài)是均勻的，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(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)，不計(jì)流入或流出時(shí)的動(dòng)能。4)不計(jì)及進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力和溫度波動(dòng)的影響。5)缸內(nèi)工質(zhì)在封閉過程中無泄漏。二、基本的微分方程組熱力學(xué)系統(tǒng)：氣缸壁面、活塞頂面以及缸蓋底面所圍成的變?nèi)莘e系統(tǒng)應(yīng)用：熱力學(xué)第一定律、質(zhì)量守恒定律以及氣體狀態(tài)方程得到：計(jì)算內(nèi)燃機(jī)工作過程的通用方程組如下

pV

＝

mRT

下標(biāo)B表示燃料燃燒放熱項(xiàng)下標(biāo)s、e表示通過進(jìn)、排氣門流入、出氣缸的氣體參數(shù)下標(biāo)w表示壁面與熱力學(xué)系統(tǒng)間發(fā)生的熱量交換無下標(biāo)的項(xiàng)，表示氣缸內(nèi)的有關(guān)參數(shù)λ為瞬時(shí)過量空氣系數(shù)第5節(jié)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型第5節(jié)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型假定加入系統(tǒng)的能量或質(zhì)量為正，離開系統(tǒng)的能量或質(zhì)量為負(fù)。假設(shè)內(nèi)能為溫度和成分的函數(shù)，以λ來反映混合氣的組成成分，則有

u

＝u(T,λ)有關(guān)dV，dQB，dQw，dms，dme等的約束條件的計(jì)算要點(diǎn)如下：1)氣缸工作容積根據(jù)活塞連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的幾何關(guān)系式導(dǎo)出

Vs、εc和λs（曲柄連桿比）可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)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)氣體節(jié)流過程關(guān)系式推出，其一般式為

下標(biāo)I表示流動(dòng)上游參數(shù)；μ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(yàn)結(jié)果與幾何關(guān)系確定；Ψs，e為流函數(shù)，與上下游的壓力差即流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，其通用計(jì)算式為第5節(jié)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型下標(biāo)II代表流動(dòng)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(jì)算式為

各換熱表面積Fi可根據(jù)活塞位移情況以及發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何參數(shù)確定；壁面溫度TWi根據(jù)統(tǒng)計(jì)值選定；換熱系數(shù)α有多種經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的回歸公式4)燃料的燃燒放熱過程燃料的燃燒放熱過程較為復(fù)雜，在本類模型中一般用簡化的代用燃燒放熱規(guī)律來代替實(shí)際過程。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5)工質(zhì)物性的計(jì)算由于內(nèi)燃機(jī)的工質(zhì)是由空氣與燃油組成的混合氣，其組成成分在燃燒過程前后有明顯的不同，精確計(jì)算其比熱容、焓、內(nèi)能等物性參數(shù)，涉及到復(fù)雜的非線性方程組的求解問題，較為復(fù)雜。為了方便起見，往往采用一個(gè)簡化關(guān)系式來計(jì)算物性參數(shù)，6)瞬時(shí)過量空氣系數(shù)λλ的定義是缸內(nèi)瞬時(shí)空燃比與化學(xué)計(jì)量空燃比的比值，瞬時(shí)空燃比是某一瞬時(shí)缸內(nèi)的空氣質(zhì)量與該瞬時(shí)缸內(nèi)累計(jì)燃料質(zhì)量之比，即

三、缸內(nèi)實(shí)際工作過程的計(jì)算應(yīng)用以上建立的微分方程組，結(jié)合補(bǔ)充的各種約束條件，即可對(duì)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際工作過程進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算一般從壓縮始點(diǎn)（進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻）開始，依次完成一個(gè)完整循環(huán)。當(dāng)再次回到計(jì)算始點(diǎn)時(shí)，比較兩次計(jì)算結(jié)果，如達(dá)不到精度要求，則將計(jì)算得到的始點(diǎn)參數(shù)作為初始參數(shù)重新計(jì)算，直到滿足要求。根據(jù)缸內(nèi)實(shí)際過程在各個(gè)階段的不同特點(diǎn)，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。第5節(jié)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)模型1.閉式階段根據(jù)熱力學(xué)系統(tǒng)的劃分狀況，在整個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)中，氣缸可分為封閉階段：依次分為壓縮、燃燒、膨脹期開式階段：工質(zhì)更換其中，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(shí)期，由于工質(zhì)內(nèi)的質(zhì)量無變化，質(zhì)量守恒方程項(xiàng)略去，這樣能量守恒方程就變換為

該方程與氣體狀態(tài)方程聯(lián)立，即可對(duì)內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)進(jìn)行求解對(duì)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(xiàng)則為

對(duì)于瞬時(shí)過量空氣系數(shù)的變化情況，可推導(dǎo)出