第2讲二冲程工作原理.ppt

第一节柴油机的工作原理 一 柴油机的基本概念二 四冲程柴油机的工作原理三 二冲程柴油机的工作原理四 二 四冲程柴油机的比较五 增压柴油机 二 四冲程柴油机的工作原理 1 四冲程柴油机工作过程2 四冲程柴油机的定时3 四冲程柴油机的气阀重叠角 四冲程柴油机工作原理 第一冲程 进气冲程 suctionstroke 为了使柴油机作功更完善 必须在进气过程尽可能多吸入新鲜空气 进气阀开启始点至上上点的曲柄转角叫做进气提前角 下止点到进气阀关闭位置的曲柄转角叫做进气延迟角 利用惯性进气 整个进气过程所占的总角度约为220 250 CA 第二冲程 压缩冲程 compressionstroke 活塞上行 气缸容积减少 缸内气体压力和温度随之升高 到达压缩终点时 压力增高到3 6MPa 温度升至600 700 柴油的自燃温度为270 左右 通常压缩终点的气体压力和温度分别用Pc和tc表示 四冲程机压缩过程所占的总角度约为140 160 CA 第三冲程 燃烧和膨胀冲程 combustionandexpansionstroke 在活塞到达上止点前 燃油经喷油器以雾状喷入气缸的高温高压空气中 并与其混合 在上止点附近自燃 由于燃油强烈燃烧 使气缸内气体温度迅速上升到1400 1800 或更高些 压力增加至5 8MPa 甚至15MPa以上 燃烧产生的最高压力称最高爆发压力 用Pz表示 最高温度tz表示 四冲程机燃烧膨胀过程所占的总角度约为130 160 CA 第四冲程 排气冲程 exhauststroke 这一阶段 要求废气排得越干净越好 所以与进气阀启闭一样 排气阀也是提前开启 延迟关闭 排气阀开启时 活塞尚在下行 废气靠气缸内外压力差进行自由排气 从排气阀开启到下止点的曲柄转角叫做排气提前角 四冲程机排气冲程所占的总角度约为210 240 CA 四冲程柴油机的定时 四冲程柴油机的气阀重叠角 气阀重叠角 valveoverlapangle 由图可以看出 在进气上止点前后进排气阀同时开启着 这段重叠的曲柄转角称为气阀重叠角 适当的气阀重叠角不仅不会使废气倒灌入进气管 而且还有利于废气的清除和新空气的充入 新鲜的空气对燃烧室壁面能起到冷却作用 增压柴油机的气阀重叠角大于非增压柴油机 三 二冲程柴油机的工作原理 1 二冲程柴油机工作原理2 二冲程柴油机的定时3 二冲程柴油机的换气型式 二冲程柴油机工作原理 第一冲程 扫气及压缩冲程 scavengingandcompressionstroke 活塞由下止点向上移动 活塞在遮住扫气口之前 由扫气泵供给储存在扫气箱内的空气 通过扫气口进入气缸 气缸中的残存废气被进入气缸的空气通过排气口扫出气缸 活塞继续上行 逐渐遮住扫气口 当扫气口完全关闭后 空气停止充入 排气还在进行 这阶段称为 过后排气阶段 第一冲程 扫气及压缩冲程 排气口关闭时 气缸中的空气就开始被压缩 当压缩至上止点前点时 喷油器将燃油喷入气缸 与高温高压的空气相混合 自行着火燃烧 第二冲程 燃烧膨胀及排气冲程 combustionexpansionandexhauststroke 活塞在高温高压燃气的推动下 由上止点向下运动 对外膨胀作功 活塞下行直至排气口打开 膨胀作功结束 第二冲程 燃烧膨胀及排气冲程 活塞下行直至排气口打开 膨胀作功结束 气缸内大量废气靠自身压力从排气口排入到排气管 当气缸内的压力降至接近扫气压力时 下行活塞把扫气口打开 扫气空气进入气缸 同时把气缸内的废气经排气口赶出气缸 活塞运行到下止点 本冲程结束 二冲程柴油机的定时 二冲程的基本换气型式 在二冲程柴油机中 借助于扫 排气口 阀 之间的压力差 用新鲜空气将废气驱赶出气缸的过程称为扫气过程 按扫气过程中新鲜空气流动路线特点 二冲程柴油机的换气型式分为弯流换气和直流换气两大类 弯流式分为横流和回流两种 直流式分为气口一气阀式和气口一气口式 目前多用前者 1 横流换气 crossscavenging 横流换气式二冲程柴油机的结构特点是气缸盖上没有排气阀机构 进 排气都是经过气缸下部的扫 排气口进行的 扫 排气口相对地布置在气缸下部圆周的两侧 排气口高于扫气口 横流换气 1 横流换气 这种换气型式结构简单 管理方便 但因气体在气缸内流动路线长且需要转向 所以换气质量较差 气缸下部扫排口侧受热不均匀 容易变形 气口的相对且高低的布置 造成换气时损失部分新鲜空气 并对采用废气涡轮增压时使增压系统布置困难 2 回流换气 loopscavenging 回流换气的二冲程柴油机气缸盖上也没有排气阀机构 进气和排气也是经过气缸下部的扫 排气口进行的 扫气口和排气口均处于气缸下部的同一侧 排气口在扫气口的上方 回流换气 弯流换气 弯流换气的优点是结构简单 管理方便 缺点是扫气空气流动路线长且弯曲 流动损失大 新气和废气容易掺混 缸内存有扫气死角 残留废气较多 换气质量较差 近年来已被直流换气所取代 直流换气 uniflowscavenging 在气缸盖上装有排气阀 一阀或多阀 由气阀机构控制其动作 在气缸套下部均匀布置着一圈扫气口 扫气口的启闭由气缸内的活塞控制 直流换气 气口 气口直流换气 2 直流换气 直流扫气的主要优点是 排气干净 换气质量好 缸套下部受热均匀不易变形 可通过调整排气阀定时使排气阀及时关闭 避免扫气口关闭后的过后排气损失 相反可以实现排气阀关闭后的少量充气 称为 过后充气 这种换气型式的主要缺点是排气阀机构比较复杂 管理维修麻烦 但该种型式应用较多 四 二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较 1 二冲程柴油机的优点 功率较大 1 6 1 7倍 回转较均匀 结构较简单2 二冲程柴油机的缺点 换气质量差 热效率低 热负荷较高 四 二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较 3 二冲程柴油机特点 二冲程柴油机凸轮轴转速与曲轴转速相同 而四冲程柴油机凸轮轴转速是曲轴转速的一半 即1 2 一个工作循环中 二冲程柴油机下行对外作功 上行则靠外力驱动 而四冲程机除燃烧膨胀冲程对外作功外 其它三个冲程都是耗功冲程 四 二冲程柴油机与四冲程柴油机的比较 3 二冲程柴油机特点 二冲程柴油机进排气重叠角大约为80 100 四冲程柴油机的气阀重叠角较小 约为25 60 一般四冲程柴油机用 表示缸内空气被压缩程度 而绝大多数二冲程柴油机则用有效压缩比 e表示 第二节柴油机的热力循环 一 内燃机理论循环的基本形式及其特点二 柴油机的理论循环和实际循环的差别 一 内燃机理论循环的基本形式及其特点 1 研究理论循环的目的 用公式说明各参数的关系 以明确提高理论循环热效率和平均压力的有效途径 确定循环热效率的理论极限 以判断实际循环的完善程度 比较各种热力循环的经济性和动力性 2 对内燃机的理想循环作了如下的简化假定 工质为一理想气体 标准状态的纯空气 在整个循环中工质的物理 化学性质保持不变 在整个循环中 工质数量保持不变 不更换 故无进 排气过程及漏气损失 压缩与膨胀过程为绝热过程 与外界没有热交换 也不存在摩擦 不考虑燃烧过程 用假想的定容放热和定容或定压加热来代替实际的换气和燃烧过程 3 内燃机理论循环的三种基本形式 定容加热循环Otto 图a 适用于汽油机 定压加热循环Diesel 图b 适用于现代高增压柴油机 混合加热循环Sabathe 图c 适用于一般柴油机 4 混合加热理想循环的热效率 称为压缩比 称为压力升高比 定容加热量越大 就越大 称为预胀比 表示绝热膨胀过程前气体的膨胀系数 结论 热效率随压缩比 压力升高比 工质绝热指数k的增加而提高 随初期膨胀比 的增加而降低 结论 t t 三种理论循环热效率比较 若最高爆发压力和吸热量相同 则定压加热循环热效率最高 混合次之 若压缩比和吸热量相同 则定容加热循环热效率最高 混合次之 定容 定压 混合 定容 定压 混合 实际循环比理想循环热效率低 平均压力低 是因为它存在许多不可避免的损失 传热损失 时间损失 换气损失 燃烧损失 漏泄损失 工质变化 其他损失 二 柴油机的理论循环和实际循环的差别 理论循环中工质是理想气体 而实际循环中的工质是空气和燃烧产物的混合物 工质变化 工质成分的变化 工质比热的变化 工质的高温分解 工质分子数的变化 理论循环中工质是理想气体 而实际循环中的工质是空气和燃烧产物的混合物 工质变化 工质成分的变化 工质比热的变化 工质的高温分解 工质分子数的变化 燃烧前的工质是新鲜空气和上以循环残留在压缩容积里的燃烧气体的混合物 燃烧后工质为燃烧产物 其各个时期的成分是变化的 不仅于燃油成分有关 还与过量空气系数和燃烧温度有关 理论循环中工质是理想气体 而实际循环中的工质是空气和燃烧产物的混合物 工质变化 工质成分的变化 工质比热的变化 工质的高温分解 工质分子数的变化 空气和燃气的比热都随温度上升而增大 而多原子气体 C02 H20 SO2 的比热值又比双原子气体 02 H2 空气 大 实际循环中 三原子气体增加 再加上最高燃烧温度很高 实际循环中工质的比热必然随温度升高而增大 这意味着在同样的加热量下 实际循环所引起的压力和温度的增长要比理论循环时低得多 其结果是实际循环的热效率低 作功能力下降 工质比热的变化对循环的热效率影响显著 理论循环中工质是理想气体 而实际循环中的工质是空气和燃烧产物的混合物 工质变化 工质成分的变化 工质比热的变化 工质的高温分解 工质分子数的变化 温度超过1000 燃烧产物将以一定的数量发生高温分解 同时吸收相当热量保持化学平衡 即在高温下易引起如下的可逆反应 高温分解与压力和温度有关 高温低压时反应向右进行 并吸收热量 在膨胀行程中由于温度降低 反应向左进行而放出热量 高温分解需要吸收热量 使燃烧阶段的压力 温度增加较少 也使实际循环的热效率和作功能力下降 理论循环中工质是理想气体 而实际循环中的工质是空气和燃烧产物的混合物 工质变化 工质成分的变化 工质比热的变化 工质的高温分解 工质分子数的变化 燃油燃烧后使工质的分子数增加 不同柴油机在全负荷时的过量空气系数 在1 2 2 0之间 分子变更系数 工质燃烧后与燃烧前摩尔数的比值 约为1 03 1 005 这对提高柴油机的效率有利 但影响极小 在压缩过程初期 气缸壁温度较高使空气被加热 而在后期 由于气体温度超过缸壁温度 便发生从气体到缸壁相反的热量传递 实际压缩过程是一个多变过程 平均压缩多变指数n1约为1 32 1 37 低速增压柴油机 实际压缩过程总趋势是工质向缸壁散热 因此压缩终点压力必然低于绝热压缩终点压力 膨胀过程是一个更复杂的多变膨胀过程 膨胀初期由于后燃以及原来高温时已分解的燃烧产物的重新复合反应 使工质为加热膨胀 膨胀后期 由于后燃结束及复合反应的减弱使工质为散热膨胀 整个膨胀过程是一个以平均膨胀多变指数n2为代表的多变膨胀过程 通常n2约为1 15 1 30 即整个膨胀过程是一个工质被加热的多变过程 膨胀终点缸内压力高于绝热膨胀压力 实际循环中工质与缸壁之间始终存在热交换 并非绝热 传热损失