第5讲_发动机工作循环与性能(一)

第5讲发动机的工作循环第1节发动机理论循环第2节发动机实际循环 返回 第1节发动机的理论循环 四冲程发动机的工作过程由进气 压缩 燃烧膨胀 排气四个过程组成 理想循环的基本假设 1 缸内热力系统为闭口系统 由于进气过程和排气过程中工质的状态参数变化不大 故热力计算时 可不考虑换气过程 2 放热过程简化为定容放热过程 3 压缩和膨胀过程近似为绝热过程 4 工质为理想气体 整个循环工质成分不变 物性参数为定值 5 气缸内无摩擦损失 简化为可逆过程 2 2 1对发动机实际工作过程的简化 定容加热循环1 2绝热压缩2 3定容加热3 4绝热膨胀4 1定容放热 定压加热循环1 2绝热压缩2 3定压加热3 4绝热膨胀4 1定容放热 2 2 1对发动机实际工作过程的简化 混合加热循环1 2绝热压缩2 3定容加热3 4定压加热4 5绝热膨胀5 1定容放热 2 2 1对发动机实际工作过程的简化 1 2等熵压缩 2 3等容吸热 3 4定压吸热 4 5等熵膨胀 5 1定容放热 绝热 可逆 等熵 压缩比 compressionratio 定容增压比 pressureratio 定压预胀比 cutoffratio 混合加热理想循环 dualcombustioncycle 2 循环热效率 或 见p v图 两式相除 考虑到 把T2 T3 T4和T5代入 求 混合加热循环 令 1退化为定容加热循环 令 1退化为定压加热循环 下面讨论影响混合加热热循环 t的因素 1 压缩比 压缩比 为结构参数 当 增加时三种基本理论循环的热效率 t都得到提高 增加实际上扩大了循环的平均温度差 对定容加热循环 见p227 当循环最高温度TZ不变时 增加时循环平均吸热温度Tmh提高 而循环平均放热温度Tml下降 在 较小时增加 对提高 t的作用明显 效果好 但是 较大时 对提高 t的作用较小 TZ相同时 不同 的定容加热循环比较定容加热循环 t与 的关系 影响混合加热循环 t的因素 2 定容增压比 对定压加热循环 1 故 t与 无关 对定容加热循环 t公式不含 故 t也与 无关 对混合加热循环 体现Q1在两个加热阶段的分配情况 若Q1和 均保持不变 则 增加意味着定压阶段放热量比例下降 从而使Q2减小 于是 t提高 Q1和 相同时 不同 的混合加热循环比较 影响混合加热循环 t的因素 3 定压预胀比 对定容加热循环 t公式不含 故 t也与 无关 对定压加热循环 当 不变而 增加时 Q1也会增加 不仅使TZ上升 Q2也会增加 并且增加的比例更大 使 t减小 也可从公式中分析 对混合加热循环 同样体现Q1在两个加热阶段的分配情况 若Q1和 均保持不变 则 增加意味着定压阶段放热量比例上升 从而使Q2增加 于是 t下降 Q1和 相同时 不同 的混合加热循环比较 影响混合加热循环 t的因素 4 绝热指数 绝热指数 是工质的固有属性 不能轻易改变来提高 t 实际循环中工质成分随燃烧进行会发生变化 绝热指数 的影响因素比较复杂 5 其它因素影响 t的因素还有循环最高温度TZ 最低温度Ta 吸热量Q1 放热量Q2和最高压力PZ 循环温差越大 t越高 但单纯提高TZ 可使Q1增加 同时机械负荷和热负荷也增加 Q2也增加 则 t可能得不到提高 如图所示 提高PZ实际是使 或 增加的结果 因此 t得到提高 单纯增加Q1和TZ时 混合加热循环比较 返回 第2节发动机实际循环一 概述 发动机实际循环由进气 压缩 燃烧 膨胀和排气5个过程组成 第2节发动机实际循环 第2节发动机实际循环1 进气过程进气过程中进气门开启 排气门关闭 活塞由上止点向下止点移动 首先是上一循环留在气缸中的残余废气膨胀 压力由pr降到 然后新鲜工质才被吸入气缸 由于进气系统的阻力 进气终点压力pa一般小于大气压力p0或增压压力pc 压力差p0 pa或pc pa用来克服进气系统的阻力 因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热 进气终点的温度Ta也总是高于大气温度T0或增压器出口温度Tc 第2节发动机实际循环2 压缩过程压缩过程中进排气门均关闭 活塞由下止点向上止点移动 缸内工质受到压缩 见示功图a c线 压缩过程主要是为气体膨胀做功做准备 对柴油机来说 压缩过程能提高空气的温度 为燃油的自燃创造了条件 在理论循环中 压缩过程被假定为绝热的 而实际是一个多变的过程 压缩初始阶段工质受缸壁加热 温度上升 随后工质温度高于缸壁 开始向缸壁放热 在使用过程中 气缸的密封不良将使压缩行程终点的工质减少 发动机功率下降 压缩终点的工质温度和压力下降会导致起动困难 沿活塞壁面漏气不可避免 第2节发动机实际循环3 燃烧过程燃烧过程中进排气门均关闭 活塞处在上止点前后 见示功图c z线 燃烧过程的作用是将燃料的化学能转变为热能 是工质的压力和温度升高 放出的热量越多 放热过程越靠近上止点 热效率越高 汽油机中汽油与空气形成的可燃混合气是在上止点前由电火花点火而燃烧 火焰迅速传播至整个燃烧室 工质的压力和温度剧烈上升 燃烧过程可以看做定容加热 柴油机在上止点前就开始喷油 柴油微粒迅速与空气混合并自燃 开始时燃烧速度很快 接近于定容加热 接着随着活塞向下止点移动 燃油边喷边烧 气缸压力变化不多 而温度继续上升 其燃烧过程接近于定压加热 柴油机的压缩比高 最高爆发压力很高 但过量空气系数大 最高燃烧温度反而比汽油机低 第2节发动机实际循环4 膨胀过程膨胀过程中进排气门均关闭 高温高压的工质推动活塞由上止点向下止点移动而膨胀做功 气体的压力和温度迅速降低 膨胀过程是一个存在热交换 漏气和补燃的过程 其多变指数不断变化 膨胀过程初期工质因补燃而被加热 随后缸壁向工质传热 柴油机的膨胀比大 热效率高 转化为有用功的热量多 所以膨胀终了的温度和压力均比汽油机低 第2节发动机实际循环5 排气过程排气过程中排气门打开 活塞由下止点向上止点移动 将气缸内的废气排出 由于排气系统的阻力 排气终点压力pr一般大于大气压力p0 压力差pr p0用来克服排气系统的阻力 阻力越大 排气终了的压力pr越大 残留在气缸中的废气也越多 汽油机的排气温度为300 900 常用工况温度为400 600 柴油机的排温要明显低于汽油机 排温低说明燃料的热功转换效率高 如果排温偏高 需要查明原因 在P V示功图中 工质对活塞所做的功为顺时针循环 是正功 对非增压发动机 泵气功 或泵气损失 为逆时针循环 是负功 而对增压发动机进气压力高于排气压力时 泵气功 或泵气损失 为顺时针循环 是正功 理论循环中假设工质比热容是定值 而实际工质的比热容是随温度上升而增大的 且燃烧后生成的CO2 H2O等多原子气体的比热容要大于空气 因而使循环的最高温度降低 此外还存在工质泄露 实际工质的差别反映在图中WK 二 与理论循环的差别1 实际工质差别2 换气损失3 燃烧损失4 传热损失 返回 为使循环重复进行 必须更换工质 理论循环中换气过程耗功与实际循环换气过程耗功的差值为换气损失 用Wr表示 工质流动时克服进 排气系统的阻力消耗的功 为泵气损失 此外 还有排气门提前开启导致的提前排气损失W 非增压柴油机实际循环与理论循环比较 由于燃料燃烧需要时间 所以喷油或点火在上止点前 燃烧还会延续到膨胀行程 形成非瞬时燃烧损失和补燃损失 用Wz表示 汽油机混合气过浓或柴油机局部缺氧造成的不完全燃烧 高温下部分燃烧产物离解而吸热使循环的最高温度下降 然后复合