第三章内燃机的工作循环肖平

1、2022-5-281第三章第三章内燃机的工作循环内燃机的工作循环 内燃机的实际热力循环由进气、压缩、燃烧、膨胀和排内燃机的实际热力循环由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等热力过程组成，存在着各种复杂的物理、化学过程气等热力过程组成，存在着各种复杂的物理、化学过程以及传热、流动摩擦等一系列不可逆过程。以及传热、流动摩擦等一系列不可逆过程。第一节内燃机的理论循环第一节内燃机的理论循环2022-5-282理论循环假设：用假想的加热与放热过程代替实际燃烧和排用假想的加热与放热过程代替实际燃烧和排气过程气过程。可逆绝热压缩、膨胀过程，（等熵过程）；可逆绝热压缩、膨胀过程，（等熵过程）；工质质量不变，不计泄漏

2、、流动损失等不工质质量不变，不计泄漏、流动损失等不可逆过程；可逆过程；空气为工质，视为理想气体，比热容为常数；空气为工质，视为理想气体，比热容为常数；2022-5-283理论循环理论循环1、等容加热循环等容加热循环 （汽油机汽油机 ）3、混合加热循环、混合加热循环 （ 高速柴油机）高速柴油机）2、等压加热循环、等压加热循环 （高增压或低速大型柴油机）高增压或低速大型柴油机）2022-5-284一、三种理论循环（一、三种理论循环（Idealgasstandardcycles）b-a：等容放热等容放热z-b：绝热膨胀绝热膨胀c-z：等容或等压加热等容或等压加热a-c：绝热压缩绝热压缩2022-5-

3、285研究理论循环的目的：研究理论循环的目的：1.用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以循环平均压力为代表的动力性的基本途径。以循环平均压力为代表的动力性的基本途径。2.确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机工作过确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机工作过程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。程的经济性和循环进行的完善程度以及改进潜力。3.有利于比较内燃机各种热力有利于比较内燃机各种热力循环的经济性和动力性。循环的经济性

4、和动力性。2022-5-286五、结论五、结论1) 提高压缩比提高压缩比(va/vc)可以提高工质的最高温度，扩大了可以提高工质的最高温度，扩大了循环的温度阶梯，增加了内燃机的膨胀比，从而循环的温度阶梯，增加了内燃机的膨胀比，从而提高了热提高了热效率效率，但提高率随着压缩比的不断增大而逐渐降低。但提高率随着压缩比的不断增大而逐渐降低。2)增大压力升高比增大压力升高比可以增加混合加热循环中等容部分的加可以增加混合加热循环中等容部分的加热量，提高了热量利用率，因而可热量，提高了热量利用率，因而可使热效率提高使热效率提高。3)压缩比以及压力升高比的增加，将导致最高循环压力压缩比以及压力升高比的增加，

5、将导致最高循环压力的急剧上升。的急剧上升。2022-5-2874)增大初始膨胀比增大初始膨胀比，可以提高循环平均压力，但由于等可以提高循环平均压力，但由于等压部分加热量的增加，导致循环热效率随之降低，因为压部分加热量的增加，导致循环热效率随之降低，因为这部分热量是在膨胀比不断降低的情况下加入的，做功这部分热量是在膨胀比不断降低的情况下加入的，做功能力能力下降。下降。5)等熵指数增大，循环热效率提高。等熵指数增大，循环热效率提高。2022-5-288六、提高循环热效率的约束和限制六、提高循环热效率的约束和限制燃烧方面的限制：燃烧方面的限制：汽油机将会产生爆燃、表面汽油机将会产生爆燃、表面点火等不

6、正常燃烧的现象。柴油机使压缩终了点火等不正常燃烧的现象。柴油机使压缩终了的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为的气缸容积变得很小，对制造工艺的要求极为苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧苛刻，燃烧室设计的难度增加，也不利于燃烧的高效进行。的高效进行。结构条件的限制：结构条件的限制：提高压缩比和压力升高比导致最高循提高压缩比和压力升高比导致最高循环压力的急剧升高，这势必缩短发动机的使用寿命，降环压力的急剧升高，这势必缩短发动机的使用寿命，降低发动机的使用可靠性。低发动机的使用可靠性。机械效率的限制：机械效率的限制：最高循环压力决定了曲柄连杆机构的最高循环压力决定了曲柄连杆机构的质量、惯性力

7、以及主要承压面积的大小等。质量、惯性力以及主要承压面积的大小等。2022-5-289第二节内燃机的燃料及其热化学第二节内燃机的燃料及其热化学一、内燃机的燃料一、内燃机的燃料烃烃脂肪脂肪族烃，族烃，环烷环烷族烃，族烃，芳香芳香族烃。其中，族烃。其中，脂肪族烃脂肪族烃烷烃，烯烃烷烃，烯烃1、分类、分类（一）石油燃料（一）石油燃料2022-5-28102022-5-28112、石油的炼制方法、石油的炼制方法(OilRefining)直接蒸馏法直接蒸馏法在专用的炼油塔在专用的炼油塔(分馏塔分馏塔)中进行加热蒸中进行加热蒸馏，不同的分馏温度，得到不同成分的燃油，获得的燃馏，不同的分馏温度，得到不同成分的

8、燃油，获得的燃料约占原油的料约占原油的2540。裂解法裂解法将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同将蒸馏后的重油等一些高分子成分通过不同的技术手段裂解为分子量较轻的成分。的技术手段裂解为分子量较轻的成分。热裂解：加温加压热裂解：加温加压催化裂解：使用催化剂催化裂解：使用催化剂(触媒触媒)油料：汽油油料：汽油柴油柴油2022-5-28122022-5-28133、柴油和汽油的理化性质、柴油和汽油的理化性质自燃自燃温度：温度： 柴油在无外源点火的情况下能够自行着火柴油在无外源点火的情况下能够自行着火的性质称之为自燃性，能够使柴油自行着火的最低温的性质称之为自燃性，能够使柴油自行着火的最低温度称为自

9、燃温度。度称为自燃温度。(1)柴油的理化性质柴油的理化性质低温流动性低温流动性(浊点与凝点浊点与凝点)：温度降低时，柴油中所含温度降低时，柴油中所含的高分子烷族烃的高分子烷族烃(如石蜡如石蜡)和燃料中夹杂的水分开始析和燃料中夹杂的水分开始析出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到出并结晶，使原来呈半透明状的柴油变得浑浊，达到这一状态的温度值就是柴油的这一状态的温度值就是柴油的浑浊点。浑浊点。此时尽管柴油此时尽管柴油仍然具有流动性，但其析出的结晶会堵塞滤清器和油仍然具有流动性，但其析出的结晶会堵塞滤清器和油管等；当温度再降低时，柴油即完全凝固，此时的温管等；当温度再降低时，柴油即完全凝固，

10、此时的温度度称为凝点称为凝点。2022-5-2814十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利十六烷值高的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利于于发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用，但过高十发动机的冷起动，适合于高速柴油机使用，但过高十六六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排气过程中烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排气过程中的的碳烟。碳烟。我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油的凝点我国的国标中对轻柴油的标号，即是按照柴油的凝点来规定的。来规定的。p36十六烷值（十六烷值（CN,cetanenumber）在标准的专用试验在标准的专用试验机上，分别对待试柴油和一定混合比例的正十六烷机

11、上，分别对待试柴油和一定混合比例的正十六烷（CN=100）与与甲基萘（甲基萘（CN=0）混合液进行自燃性混合液进行自燃性比较。比较。2022-5-28152022-5-2816（2）汽油的理化性质）汽油的理化性质汽油馏出的温度范围称为馏程。汽油馏出的温度范围称为馏程。10馏出温度越低，则汽油机在低温下越容易起动，但馏出温度越低，则汽油机在低温下越容易起动，但过低的馏出温度，在高温下容易发生气阻；过低的馏出温度，在高温下容易发生气阻；50馏出温度表示汽油的平均挥发性，保证汽车加速性馏出温度表示汽油的平均挥发性，保证汽车加速性和平稳性；和平稳性；90馏出温度和终馏温度过高，易产生积碳并稀释曲轴馏出

12、温度和终馏温度过高，易产生积碳并稀释曲轴箱润滑油。箱润滑油。一般初馏点为一般初馏点为4080，终馏点为，终馏点为180210。2022-5-2817抗爆性抗爆性p37： 在专用的试验机上，将所试油料的爆燃强度同标准混在专用的试验机上，将所试油料的爆燃强度同标准混合液合液(异辛烷（异辛烷（ON=100）与正庚烷（与正庚烷（ON=0）按一定比按一定比例混合的混合液例混合的混合液)的爆燃强度相比较，当两者相同时，的爆燃强度相比较，当两者相同时，标准混合液中所含异辛烷的体积分数，即为所试油料标准混合液中所含异辛烷的体积分数，即为所试油料的辛烷值。根据试验规范的不同，辛烷值分为马达法的辛烷值。根据试验规

13、范的不同，辛烷值分为马达法MON或研究法或研究法RON辛烷值。我国生产的汽油是按研究辛烷值。我国生产的汽油是按研究法辛烷值法辛烷值RON分级的。分级的。燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力称为燃料的抗爆性。2022-5-28182022-5-2819（二）气体燃料（二）气体燃料 液化石油气：是天然石油气或石油炼制过程中生产的石油气，主要成分是丙烷C3H8 、丙烯C3H6 、丁烷C4H10 、丁烯C4H8及其异构物，在常温下加压，可以变成液体燃料。内燃机所用的气体燃料主要有天然气、液化石油气、氢气、煤气、沼气等。天然气：甲烷CH4(容积比可达95%以

14、上)，乙烷C2H6及丙烷C3H8等。2022-5-2820（三（三）代用燃料代用燃料 醇类燃料：醇类燃料：甲醇和乙醇。甲醇和乙醇。 甲醇可以从天然气、煤、生物质等原甲醇可以从天然气、煤、生物质等原料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。料中提取；乙醇主要是将含有糖和淀粉的农作物经过发酵后制得。经过酯化处理：经过酯化处理：生物柴油；生物柴油；生物柴油生物柴油:从植物油和动物脂肪中通过化学反应所得的单酯化合物从植物油和动物脂肪中通过化学反应所得的单酯化合物植物油燃料：植物油燃料：分为可食用与非食用两大类。大多数植物油的主要化分为可食用与非食用两大类。大多数植物油的主要化学成分是甘

15、油三酸酯，即由一个分子甘油学成分是甘油三酸酯，即由一个分子甘油(丙三醇丙三醇)和三个脂肪酸分子和三个脂肪酸分子以酯键连接组成的复合物。植物油加热时易产生分解，少量轻成分以酯键连接组成的复合物。植物油加热时易产生分解，少量轻成分挥发，大部分则变成胶状物，因此很难获得蒸馏特性。另外，由于挥发，大部分则变成胶状物，因此很难获得蒸馏特性。另外，由于植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以雾化特性差，燃烧不植物油的密度大，粘度比柴油高十多倍，所以雾化特性差，燃烧不充分，积碳严重。植物油的十六烷值也较低，其着火性能差。充分，积碳严重。植物油的十六烷值也较低，其着火性能差。2022-5-28212022-5

16、-2822二、燃烧热化学二、燃烧热化学完全燃烧完全燃烧：空气（按容积计）：氧占空气（按容积计）：氧占2095，氮占，氮占7890，其余其余093为其他气体。为其他气体。燃料：燃料：CcHhOo(下角分别表示相应元素的原子数下角分别表示相应元素的原子数)2022-5-2823C+O2 CO2H2+（1/2）O2 H2O 柴油： 化学计量空燃比，l0=14.117kg/kg 汽油：化学计量空燃比， l0= 14.796kg/kgCHO=1 kgggg化学反应式：化学反应式：2022-5-2824第三节内燃机的实际循环第三节内燃机的实际循环理论循环的工质是理想的双原子气体；实际循环中，燃烧前的工质是

17、由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残余废气等组成，燃烧过程中及燃烧后，工质的成分及数量不断发生着变化，三原子气体占多数，比热容比两原子气体大，实际循环所能够达到的最高燃烧温度小于理论循环，其最终的结果是使循环热效率下降，循环所做的有用功减少。一、工质不同带来的影响：2022-5-2825理论循环是闭式循环，没有工质的更换，也理论循环是闭式循环，没有工质的更换，也没有任何形式的流动阻力损失。实际循环没有任何形式的流动阻力损失。实际循环是通过换气过程进行的。为尽可能降低排是通过换气过程进行的。为尽可能降低排气阻力，排气门需要提前开启，燃气在膨气阻力，排气门需要提前开启，燃气在膨胀到下止点前从气缸内排出

18、，这将使有用胀到下止点前从气缸内排出，这将使有用功面积减少。进排气过程，不可避免存在功面积减少。进排气过程，不可避免存在流动损失，消耗部分有用功。流动损失，消耗部分有用功。二、换气损失二、换气损失：2022-5-2826理论循环假设与工质相接触的气缸壁面是绝热理论循环假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的；实际上，缸套内壁面、活塞顶面以及气的；实际上，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等始终与工质发生着热量交换。传缸盖底面等始终与工质发生着热量交换。传热损失的存在，使循环的热效率和循环的指热损失的存在，使循环的热效率和循环的指示功都有所下降，同时增加了内燃机受热零示功都有所下降，同时增加了内燃机受

19、热零件的热负荷。件的热负荷。三、传热损失2022-5-28272后燃以及不完全燃烧损失；由于供油、混合、燃烧后期氧气后燃以及不完全燃烧损失；由于供油、混合、燃烧后期氧气不足等原因而导致部分燃油在气缸压力达到最高点后继续进不足等原因而导致部分燃油在气缸压力达到最高点后继续进行燃烧，称之为后燃。有可能一直拖延到排气门打开之时。行燃烧，称之为后燃。有可能一直拖延到排气门打开之时。此外，还有少量燃油由于未来得及燃烧而直接排出机外，从此外，还有少量燃油由于未来得及燃烧而直接排出机外，从而引起不完全燃烧损失。后燃期间，热功转换效率由于膨胀而引起不完全燃烧损失。后燃期间，热功转换效率由于膨胀比小而大大降低，

20、不完全燃烧更直接导致了燃料化学能的损比小而大大降低，不完全燃烧更直接导致了燃料化学能的损失。失。四、燃烧损失：理论循环对燃烧过程的处理是加热过程；实际的燃烧过程需要经历理论循环对燃烧过程的处理是加热过程；实际的燃烧过程需要经历着火准备、火焰传播与扩散、后燃等环节，燃烧速度受到多种因素着火准备、火焰传播与扩散、后燃等环节，燃烧速度受到多种因素的制约的制约:1燃烧速度的有限性（压缩负功增加；最高压力下降；初始膨胀燃烧速度的有限性（压缩负功增加；最高压力下降；初始膨胀比减小）比减小）2022-5-28282022-5-28292.完成一个工作循环，二冲程发动机只需转一转，而四完成一个工作循环，二冲程发动机只需转一转，而四冲程发动机需要转两转。因此，当发动机工作容积、压冲程发动机需要转两转。因此，当发动机工作容积、压缩比和转速相等时，从理论上讲，二冲程发动机的功率缩比和转速相等时，从理论上讲，二冲程发动机的功率应为四冲程发动机功率的两倍，但实际上，只有应为四冲程发动机功率的两倍，但实际上，只有1.51.6倍，这是由于二冲程发动机难以将废气排净，以及倍，这是由于二冲程发动机难以将废气排净，以及为了安排换气过程而较多地损失了高压气体的作功能力，为了安排换气过程而较多地损失了高压气体的作功能力，另外还有可燃混合气随废气排出等所致。另外还有可燃混合气随废气排出等所致。 二冲程发动机与四冲程发动