03第三章内燃机地工作循环

1、第三章 内燃机的工作循环第一节 内燃机的理论循环 内燃机的实际热力循环是燃料的热能转变为机械能的过程， 它由进气、压缩、 燃烧、膨胀和排气等多个过程所组成。 在这些过程中， 由燃料与空气组成的工质， 无论在质或量上都时刻发生着变化，伴随着各种复杂的物理、化学过程，同时， 机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在，要准确地 从理论上描述内燃机的实际过程， 在目前条件下还是十分困难的。 为了分析内燃 机中燃料热能利用的完善程度及其主要影响因素， 进而为提高能量利用率指明方 向，通常将实际循环进行若干简化， 忽略一些次要的影响因素， 并对其中变化复 杂、难于进行细致分析的物理、化

2、学过程如可燃混合气的准备与燃烧过程等 进行简化处理， 从而得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环， 通常称之为 内燃机的理论循环。通过对理论循环进行研究，可以达到以下目的：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间的关系，以明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以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， 以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的 完善程度以及改进潜力。3）有利于分析比较内燃机不同热力循环方式的经济性和动力性。 在进行理论循环研究之前， 首先必须对内燃机的实际过程进行必要的简化假 设建立理论循环的一个重要依据。总结起来，这些假设有：1）以空

3、气作为工作循环的工质，并视其为理想气体，在整个循环中的物理及 化学性质保持不变，工质比热容为常数。2）不考虑实际存在的工质更换以及泄漏损失，工质的总质量保持不变，循环 是在定量工质下进行的，忽略进、排气流动损失及其影响。3）把气缸内的压缩和膨胀过程看成是完全理想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热量交换。4）分别用假想的加热与放热过程来代替实际的燃烧过程与排气过程，并将排气过程即工质的放热视为等容放热过程。根据对燃烧过程即加热方式的不同假设， 可以得到不同的理论循环。 理论循 环的假设越符合实际情况， 则分析得到的结论也越接近于实际。 内燃机的理论循 环有三种形式，分别是等容加热循环、等压加热循

4、环和混合加热循环。图3l是三种理论循环的示功图，其中，图3 1a为等容加热循环，图3 1b为等压加 热循环，图 3lc 为混合加热循环。表 31 给出了上述各种理论循环的热效率 分析表达式以及有关特点。aai各种a论循环的比循环名称循环热效率i備环特朮对应的实标过程導S加 热解frMS在等容条件下很二j古ft完成，落效率仅与压嵋比育关点帰置我动机（Oncfl&fF）等压加 ftti环”加热过程在等压秦杵予S0-1 貴；羊一+jSS成，的#加使褂a燃气轮机e唧沏循幷）热#环 !心飞-QT黑毎1）介于上養酯之间柴油 （序圄环）V*V注；紀为綁晴捋数，E严h为压编此Ap-f为压力升高比.pe亏为6f

5、S&ft.tFc5根据上述三种理论循环的热效率表达式不难得出：当初始状态一致且加热量 及压缩比相同时，等容加热循环的热效率最高，等压加热循环的热效率最低，混 合加热循环的热效率介于两者之间；当最高循环压力pz（或称为最高燃烧压力）相同、加热量相同而压缩比不同时，等压加热循环的热效率最高，等容加热循环的 热效率最低，混合加热循环的热效率仍介于两者之间。同时，分析上述热效率表达式，还可以得到如下结论：1）提高压缩比fe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，从而提高了热效率n，但提高率随着压缩比fe的不断增大而逐 渐降低。2）增大压力升高比?p可以增加混合加热循环中等

6、容部分的加热量，提高了热 量利用率，因而可使热效率 n提高。3）压缩比fe以及压力升高比?p的增加，将导致最高循环压力pz的急剧上升。4）增大初始膨胀比P，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 n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，做功能力下降。5）等熵指数k增大，循环热效率n提高。以上从理论循环中所得到的结论， 在用于指导实践时， 必须考虑到内燃机实 际工作条件的约束和限制：1）结构条件的限制尽管从理论循环的分析可知，提高压缩比ac和压力升高比时提高循环热效率n起着有利的作用，但将导致最高循环压力 pz的急剧 升高，从而对承载零件的强度要

7、求更高， 这势必缩短发动机的使用寿命， 降低发 动机的使用可靠性， 为此只好增加发动机的质量， 结果造成发动机体积与制造成 本的增加。 因此，在实际设计时， 对于上述参数的选择必须根据具体情况权衡利 弊而定。2）机械效率的限制内燃机的机械效率 nm 是与气缸中的最高循环压力 pz密切相关的， 因为该值决定了曲柄连杆机构的质量、 惯性力以及主要承压面积的 大小等。不加限制地提高 a以及b将引起n的下降。从有效指标上看，将直 接导致压缩比a，以及压力升高比?p提高而带来的收益得而复失。这一点，对 于本来压缩比已经很高的柴油机来说更为明显。3）燃烧方面的限制若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆燃、表面

8、点火等不正常燃烧的现象。 对于柴油机而言， 过高的压缩比将使压缩终了的气缸容积 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 的高效进行。目前，柴油机的压缩比ac 般在1222之间，最高循环压力pz= 714 MPa, 压力升高比 h在1. 32. 2左右。汽油机的压缩比 c = 612, pz= 38.5 MPa, ?p在2.04.0左右。第二节 内燃机的燃料及其热化学一、内燃机的燃料（一）石油燃料石油中烃的分类内燃机所使用的液体燃料主要来源于天然石油 （原油 ），主要由碳、氢两种元 素所组成，两者的体积分类之和占总量的 97一 98，其他还有氧、氯、硫等 少

9、量元素。在天然石油中， 绝大部分元素是以碳氢化合物的形式存在的， 称之为 烃。从化学结构上看， 石油基本上是有脂肪族烃、 环烷族烃和芳香族烃等各种烃 类组成的混合物。脂肪族烃包括烷烃和烯烃，烷烃是一种饱和链状分子结构（碳链上碳原子的键位由氢原子完全充满，仅有单键存在 ），其中直链式排列的正构烷热稳定性低， 在高温下易分裂， 滞燃期短， 适合作柴油机的燃料； 非直链排列的异构烷抗爆性 强，自行着火的倾向比正构烷小得多， 适合作汽油机的燃料， 并且常用异构烷来 作为评价汽油燃料抗爆性的标准。烯烃是种不饱和的链状烃（碳原子的键位并未由氢原子来完全充满，有双键存在 ），其热值较低，着火性能差，只适合作

10、汽油 机的燃料。环烷族烃的碳原子不是链状而是环状排列， 属饱和烃，其热稳定性比脂肪族 高，自燃温度较脂肪族高，适合作汽油机的燃料。芳香族烃的含氢原子数少且具有双键和环状结构，难于氧化形成过氧化物， 因而具有较高的化学和热稳定性， 在高温下分子不易分裂， 抗爆燃性能极强， 自 燃温度比脂肪族烃和环烷族烃高， 也适合作汽油机的燃料或作为汽油的抗爆添加剂。其中，属于芳香烃的a甲基萘与正十六烷还用作评定柴油机自燃性能（十六烷值）的标准燃料。石油的炼制方法与燃料从地下开采出的原油，是由上述多种烃类组成的混合液体。要将其变成储存、 使用均十分方便的液体燃料，必须经过复杂的炼制过程。其典型的工艺流程有直 接

11、蒸馏法和裂解法。前者是将原油在专用的炼油塔 （分馏塔）中进行加热蒸馏，不 同的分馏温度，得到不同成分的燃油，最终获得的燃料约占原油的25% 40%; 后者是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。其中，通过加温加压的方法进行裂解的称为热裂解法，使用催化剂（触媒）进行裂解的称为催化裂解法。不同的炼制工艺得到的油料，其理化性质也是不同的。表32给出了在从原油提炼液体燃料过程中，不同炼制工艺对油料性质的影响。热裂解法虽然工艺 简单，但由于所得到的燃油稳定性较差，一般还需要进行催化裂解等炼制过程， 以保证质量。值得强调的是，每一种商品燃料都是多种烃类的混合物，而且是各

12、 种炼制工艺所得油料的调和产物； 近年来，为了提高汽油燃料的辛烷值，大量采 用催化重整工艺，即将低辛院值的汽油在铂、镍等催化剂的接触催化下进行重整， 使其辛烷值水平得到进一步提高3-2丽黠方翎酬馳的黠1 S S-曜化S醍4肯油B宗性好含鮒亠劈的i 就鮎环勰.UM其率烷置尢小与所含 喘勰曲熾直協相丸大敦 圧5卜?0；多M用S刑卷ft 翳中易生般鳳OttSE 出直IS疗勰如辛烷龈 ft沪楓恥芳辅删蚪朋在12$- 4朮烷浪掘为肌F也孙 S&为8%-w亂品质a,按 ）1讎邑轴（1睚八乩柴 *含删：MT。询芳觥，大盘內就和粗X 駅较删十械值林擁齬，说月作中、讎较爪町祐品质柴抽惶 尿肝柴油和汽油的理化性质

13、燃料的特性对内燃机的功率输出、燃油消耗以及可靠性均有较大的影响； 同 时，不同内燃机对燃料的要求也是不同的。 下面分别介绍柴油及汽油的物理及化 学性质。（1）柴油的理化性质对柴油机来说，与其性能有关的燃料特性是自燃温度、馏程、粘度、含硫量等，其中，以自燃温度和低温流动性（凝点）影响最大。1）自燃温度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度称为自燃温度。柴油的自燃性用十六烷值衡量。十六烷值的评定需用两种自燃性能截然不同的标准燃料作比较，一种是正十六烷Ci6H34,自燃性很好，其十六烷值定义为100；另一种是a 甲基萘CiiHio, 自燃性很差，其十六烷

14、值定义为0。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与a 甲基萘混合液进行自燃性比较；当两者自燃性相 同时，混合液中正十六烷的容积百分比， 即为所试柴油的十六烷值： 十六烷值高 的柴油，其自燃温度低，滞燃期短，有利于发动机的冷起动，适合于高速柴油机 使用，但过高十六烷值的柴油在燃烧过程中容易裂解，造成排气过程中的碳烟。 因此，一般情况下，常限制柴油的十六烷值在 65 以下。（如2）低温流动性 （浊点与凝点 ）温度降低时， 柴油中所含的高分子烷族烃石蜡 ） 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，达到这一状态的温度值就是柴油的浑浊点。此时尽管柴油

15、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， 时的温度称为凝点。显然，柴油在低于凝点后，无法正常供应与工作；用降凝剂 可以降低凝点，但对浊点影响不大。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。如国产 号柴油固点为0C,适合夏季使用。-20号柴油凝固点为-20 r，适合冬季或寒冷 地区使用。选用轻柴油要根据不同的使用地区和季节条件。3）化学成分及发热量燃油的化学成分是用碳、氢、氧、氯四种元素的质量分数表示的，其中碳的质量分数一般在85以上，而含氮则很少，往往可以忽略不计。 1kg 燃油完全燃烧所放出的热量叫做燃料的发热量或热值，其单位为

16、 kJ/ kg。燃油的发热值有低热值与高热值之分，计及水蒸气冷凝时放出汽化潜热的发热量叫做高热值， 不计及汽化潜热的发热量则称为低热值。 在内燃机中， 由 于无法利用汽化潜热，所以燃油的发热量常用低热值：般柴油机的低热值为 4250044000kJ/ kg。对于汽油机来说，与其性能有关的燃料特性主要是挥（2）汽油的理化性质 发性和抗爆性。1）挥发性表示液体燃料汽化的倾向，与燃料的馏分组成、蒸气压、表面张力以及汽化潜热等有关。 由于汽油是烃类的混合物， 没有一定的沸点， 在进行 蒸馏时，随温度的上升，按照馏分的由轻到重，逐次沸腾。汽油馏出的温度范围 称为馏程。汽油蒸发般以蒸发馏程中馏出一定比例的

17、燃料时所对应的温度来表 示。 10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； 50馏出温度表示汽油的平均挥发性， 是保证汽车加速性 和平稳性的重要指标； 90馏出温度和终馏温度过高， 易产生积碳并稀释曲轴箱 润滑油。一般初馏点为4080r，终馏点为180210r 0汽油的饱和蒸气压是用标准仪器在一定条件下（38 r）测定的。蒸气压高，挥 发性强、汽油机容易起动， 但产生气阻倾向和挥发损失也大。 一般规定蒸气压在 夏季不低于67kPa；冬季不大于80kPa。总而言之，汽油的挥发性应当满足发动机冷起动和暖车过程在内的所有工况 的要求，但挥发性过高，会增加因

18、蒸发而形成的有害 HC 排放物。2）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。它是汽油燃料一项十分重要的指标， 而且随燃料化学成分的不同差别很大。 烷烃抗爆 性最差，烯烃次之，环烷烃较好，芳香烃最好。在同一种烃内，轻馏分优于重馏 分，异构物优于正构物。从炼制工艺来看，直馏汽油的辛烷值最低，热裂解汽油 的辛烷值较低，而催化裂解、重整汽油的辛烷值较高。汽油的抗爆性是以辛烷值来表示的。 与柴油的十六烷值的评定相类似， 汽油 的抗焊性的评价也是基于两种标准燃料： 辛烷值为 100的抗爆性能较佳的异辛烷 C8Hi8和抗爆性较弱、辛烷值为0的正庚烷C7H16。在专用的试验机上，将所试 油料的

19、爆燃强度同标准混合液 （异辛烷与正庚烷按一定比例混合的混合液 ）的爆即为所试MON 或研燃强度相比较， 当两者相同时， 标准混合液中所含异辛烷的体积分数， 油料的辛烷值。根据试验规范的不同，所得的辛院值分别称为马达法 究法 RON 辛烷值。我国生产的汽油是按研究法辛烷值 RON 分级的。不断提高汽油燃料的辛烷值， 以适应发动机强化的需求， 是汽车工业对于石 油化工工业提出的要求。 提高辛烷值的传统方法， 是在汽油中添加高效抗爆剂如 四乙铅Pb（C2H5）4,但由于该添加剂含铅量高，对人体及环境有较为严重的危害， 同时还会使排气催化转换器中的催化剂严重中毒而导致失效，因而逐渐被淘汰。 目前，提高

20、汽油辛烷值的主要措施是采用先进的炼制工艺和使用高辛烷值的调和 剂，如加入甲基叔丁基醚（MTBF）、乙基叔丁基醚（ETBE）或醇类燃料等，以获得 较高辛烷值而无其他不利于环保的副作用。（二）气体燃料 内燃机所用的气体燃料主要有天然气、液化石抽气、氢气、煤气、沼气等，这里简单介绍天然气与液化石油气：天然气 天然气是以自由状态或与石油一起存在于自然界中的可燃气体， 其主要成分 为链烷烃化合物的甲烷CH4 （容积比可达95以上），另外还包括乙烷C2H6以及丙 烷 C3H8 等。天然气的热值和辛烷值均较高，在用作点燃式发动机的燃料时，通 过适当的技术措施，如提高发动机的压缩比等，可以接近原发动机的动力性

21、能。 同时，天然气又是一种比较洁净的能源，排污低，使用比较方便，特别是压缩天 然气（CNG），便于储存，配合相应的基础设施如加气站的建设，在城市车辆 如公共汽车、出租车中具有广阔的应用前景。2. 液化石油气液化石油气（LPG）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， 其单位容积热值高于天然气， 可以作为汽油机的燃料， 还可 以获得较好的排放性能。（三）代用燃料自然界的石油资源是有限的， 寻求石油化石燃料以外的代用燃料， 已经成为 当前内燃机研究中的热门课题。 代用燃料的种类很多，

22、 下面简要介绍醇类燃料和 植物油燃料。1. 醇类燃料醇类燃料有甲醇CH3OH和乙醇C2H5OH。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。 醇类燃料 是液体燃料， 可以沿用传统的石油燃料的运输、 贮存系统， 相关的基础设施建设 投入少，而发动机的动力性与经济性可以接近或超过原有汽油机或柴油机， 排气 有害成分少，因而是一种很有发展前景的代用燃料。自 70 年代以来，不少国家 已开展对醇类燃料的研究，目前已出现利用甲醇作燃料的汽车。3-3料与曲，柴油的特性出较3-3料与曲，柴油的特性出较塡甲e1乙5理左空欄比14.2-15,1144-14,56

23、,49.0羽960425004440D19673267963S1G37B93906W750840砒790305-4S3453-6M33835L5固点/K21&27ZJ175】划0+6”0应2.5-S,5一310-320251-2701100-111085*1 亠 9Ut续；特悝f科一!汽油甲酹11辛烷值RUM30-30.110 1KKi十穴垸0-1040-503K 八；界（空气中容帜）（%）1,4-7,6.5-8.26.7-364.5 -493-53347：） 49374.1i636植物油燃料植物油的种类很多，分为可食用与非食用的两大类。大多数植物油的主要化 学成分是甘油三酸酯，即由一个分子甘

24、油（丙三醇）和三个脂肪酸分子以酯键连接 组成的复合物；植物油的热值均比柴油低。由于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，但经过酯化处理后，其着火性能可以得到改善。目前，植物油还主要在柴油机上试用。 从长远来看，发展非食用植物油作为 燃料不足的补充，是很有意义的。二、燃烧热化学燃料的燃烧过程，从化学反应的角度看，实际上就是燃料与空气中的氧进行 氧化反应而放出热量的过程。在已知燃料中各元素成分的前提下， 通过质量守恒 关系，可以求得可燃混合气

25、组成与燃烧产物之间的关系式，以便为分析内燃机的实际循环特别是燃烧过程提供理论依据。1.完全燃烧从理论上说，当氧充分时，燃料中的碳元素以及氢元素可以完全被氧化为二 氧化碳和水，而空气中的氦则并不参与任何反应。如考虑一种通用的碳氢化合物， 其平均分子组成为CcHhOo （下角C、h、0分别表示相应元素的原子数），而空气 则可以认为是多种理想气体的混合气体， 按容积计其组成成分为：氧占20.95%, 氯占78.90%，其余0.93%为其他气体。为了方便计算，可忽略其他气体成分， 即认为空气中除氧外，其余均为氮，这样对应于1mol的氧，有（10.2095）/0.2095mol= 3.773mol的氮。

26、于是，根据原子数平衡关系式，可以写出碳氢燃料 在空气中完全燃烧时的化学反应式h 0hh 0CcHhOo + （c + 4 - 2）Q + 3.773N2）= cCQ + 3773c + 4 - /NCX12 +hx1 +0 x16式中，Io的单位为kg/kg0一般而言，内燃机所用的燃料均为各种碳氢化合物的混合物， 难于准确地确 定其中C、H、O三种元素的原子数C、h及0,另一方面，这三种主要元素的质 量比可以通过化学分析方法得到，分别记为 gc、gH和go。根据定义式，有（缺第34页）燃烧前的工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残 燃烧过程中及燃烧后，工质的成分及数量不断发生着 其比热容比两原

27、子气体大，且随着温度的上升而增大，图3 2非增压内燃机理论楣环和实际循环护r图（3 1）上述方程式定义了燃料与空气在完全燃烧时对应的摩尔关系。根据这一关系 式，1kg照料完全燃烧所需的理论空气量（质量）之比（称为化学计量空燃比），可以 采用下式计算（c + h -O）x （32+3.773x28）.亠. 八(3 2)4234.41 X （4c +h - 2o）12c + h + 16olo =的。在实际内燃机循环中， 余废气等组成的混合气体， 变化，三原子气体占多数， 在燃烧产物中还存在着一些成分的高温分解以及在膨胀过程中的复合放热现象。上述因素中，以工质对比热容的影响为最大，其他各项的影响较

28、小一些。这 就意味着，由于比热容随温度上升而增大，对于相同的加热量（燃料燃烧放热量）， 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。例如，对于压缩比为18、过量空气系数为1.5、 最高压力为8MPa的混合循环，其理论热效率大致为0.60;当考虑到工质的实际 物性时，其热效率将降低到0.510从图32的内燃机P V图中可 以看出工质对理论循环的影响。由于 比热容随温度的增加而增大，燃烧膨 胀线和压缩线（虚线所示），分别低于 理论循环的燃烧膨胀线和压缩线（点 实线），其中燃烧膨胀线由于比热容 增加的幅度较大而导致下降幅度也 大一些。同时，

29、上述曲线所围成的示 功图面积也小于理论循环的示功图 面积。二、换气损失 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。在实际循环中，吸入新鲜空气 与燃料，然后在合适的时候排出燃烧 废气，这是循环过程得以周而复始进 行所必不可少的。上述过程是通过换 气过程进行的。在这一过程中，为尽 可能降低排气阻力，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（沿b1d1线），这将使示功图上的有用功面积减少 （图中阴影区 ）；在排气和吸气行程中，气体在流经进排气管、 进排气道以及进排气门时， 不可避免地存在着流动阻力损失， 也需要梢耗一部分 有用功。上述两项之和称为实际循环的

30、换气损失， 有关该损失的详细内容将在第 四章中介绍。此外，由于进气压力 （压缩始点压力 ）pa 低于大气压力，使整个压缩 线 ac 位于理论压缩线 atct 的下方。三、传热损失 理论循环假设与工质相接触的气缸壁面是绝热的，两者间不存在热量的交 换，因而没有传热损失。实际上，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等（统称壁面 ）与缸内工质直接相接触的表面，始终与工质发生着热量交换。在压缩初 期，由于壁面温度高于工质温度，工质受到加热；随着压缩过程的进行，工质的 温度在压缩后期将超过壁面温度， 热量将由工质流向壁面； 随后，进入燃烧以及 膨胀期，工质连续不断地向壁面传出热量。这样，与理论循环相比，示

31、功图上减 少的有用功面积将大于压缩线下所增加的面积，其差值即为实际循环的传热损 失。传热损失的存在， 使循环的热效率和循环的指示功都有所下降， 同时增加了 内燃机受热零件的热负荷。在图 32 中，传热与流动损失的存在，使示功图形 状如实线所示。四、燃烧损失根据理论循环对燃烧过程的处理， 燃烧是外界热源向工质在一定条件下的加 热过程；燃烧 （加热 ）速度根据加热方式的不同而有差异，如在等容加热条件下， 热源向工质的加热速度极快， 可以在容积不变条件下瞬时完成； 在等压加热条件 下，加热的速度是与活塞的运动速度相配合的， 以保持缸内压力不变。 实际的燃 烧过程需要经历着火准备、 火焰传播与扩散、

32、后燃等环节， 燃烧速度受到多种因 素的制约， 与理论循环有很大的差异， 这种差异所造成的与燃烧有关的损失， 主 要体现在以下两个方面。1. 燃烧速度的有限性由于实际上燃料的燃烧速度是有限的， 燃烧的进行需要足够的时间， 这就造 成了内燃机实际循环中的一个重要的损失燃烧速度的有限性所形成的损失， 它带来了以下几方面的不利影响：（1）压缩负功增加为了提高热效率，必须使燃烧能够在上止点后不久即告结束，为此就需要在上止点前提前喷入燃油或进行点火。 这样，实际的燃烧过 程在上止点前就已经开始，从而造成了压缩负功的增加。（2）最高压力下降由于传热损失的存在、燃烧速度的有限性以及活塞在上止点后由上行变为下行

33、运动而使气缸体积膨胀， 使得压力升高率明显低于理论 循环值，于是实际循环的最高压力有所下降。（3）初始膨胀比减小理论循环假定全部热量是在某一点 （zt 点，见图 32）前完全加热 （燃烧 ）完毕，压力达到最大，而后进入膨胀过程；而实际的燃烧过程 则由于传热损失、不完全燃烧、后燃以及活塞运动等因素，使初始膨胀比P0减小（zz V ztzt）。以上种种影响因素，使得实际的燃烧过程偏离理论循环的等容和等压过程， 增加了压缩耗功， 减少了膨胀有用功， 最终使指示热效率和平均指示压力与理论 循环相比均有明显的降低。2后燃以及不完全燃烧损失 理论循环中认为，加热过程结束之后即转入绝热膨胀过程。在实际过程中

34、， 经常由于供油系统供油不及时、 混合气准备不充分、 燃烧后期氧气不足等原因而导致燃烧速度减缓，仍有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。根据发动机转速以及混合气的不同情况，后燃可能持续到上止点后 4080 （CA）才结束，但也有可能一直拖延到排气门打开之时。 除此之外，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。燃烧损失是一个不容忽略的损失。为了计及该损失的大小，有必要引入燃烧 效率的概念。为此，将内燃机视为一个开口系统，该系统与周围环境（大气）交换热量和机械

35、功；由燃料和空气组成的反应物流入系统，流出系统的是燃烧产物（废 气）。燃烧效率的定义为：燃料在该系统内经燃烧反应所释放出的总热量与燃料 所能释放的总能量之比。具体的计算 式建立在化学热力学基础上。图33 是不同型式内燃机的燃烧效率随当 量燃空比的变化情况、当量燃空比定 义为混合气的实际燃空比与该燃料 化学计量燃空比之比，它是过量空气 系数的倒数。可见，汽油机采用稀混 合气时，其燃烧效率通常在 95% 98%的范围内；而当混合气加浓后， 出于空气中缺氧使燃料燃烧不完全， 燃烧效率下降，且下降幅度随混合气 的变浓而增大。相对而百，柴油机由 于一直运行在混合气较稀的状态，其 燃烧效率相对较高，大约为

36、98%。LOO70X柴抽就O汽油机fl ?02040,60,S1,0 t2 Id 16当童燃空比图玉3燃烧效率随混合亍成分的变化第四节内燃机循环的热力学模型对内燃机的热力学过程，特别是缸内的热力学过程进行模拟计算， 在内燃机 的研究与开发初期是非常有用的。 它不仅可以预测所设计发动机的初步性能， 进 行多方案的比较。以期获得最佳的设计方案，而且也可以对结构参数与运行参数 进行优化，对发动机的寿命和可靠性进行预测， 以减少试验的工作量，缩短发动 机的设计周期，节省开发研究费用。内燃机工作过程的模拟预测计算，最早采用的是热力计算法，它是建立在简 单热力学关系基础之上的一种近似的、半经验的估算方法。

37、如用等熵过程或多变 过程来代替实际的压缩和膨胀过程，用一个近似的放热过程来代替实际的燃烧过 程等。这种方法诞生于20世纪初期，当时的数值计算手段尚不完备、物理模型 也不够全面。尽管该方法可以对内燃机的工作过程进行估算，但其精度和应用范围都受到了很大的限制。进入20世纪60年代以后，随着内燃机数值模拟技术的 不断完善和计算机技术的进步，有关数值模拟方面的研究也不断深入，新的理论 不断涌现，极大促进了设计手段的更新和设计观念的变革。 与此同时，用于内燃 机的商品化软件陆续推出，其功能也不断完善，从零维模型到多维模型，从整机 到分部件、分系统的计算软件，从性能预测到强度分析等等不一而足。作为对内燃机

38、工作过程数值计算方法概念上的理解，本节将介绍一种较为常 用的计算模型一一热力学模型。该方法是以热力学基本概念为基础，不涉及内燃 机中各种热力学参数在空间场的不均匀性问题以及工作过程的细节，故又称为零维模型。其基本的思路是：从内燃机工作循环各系统内所发生的物理过程出发， 用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述，通过编制计算机程序，得到 气缸内各参数随时间（或曲轴转角）的变化规律；然后，通过相应的计算公式，计 算出发动机的宏观性能参数。一、模型的假定在推导气缸内工作过程计算的基本微分方程式时，采用如下的简化假定：1）不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度场的差异，并认为在进气期间，流 人气缸内的

39、空气与气缸内的残余废气实现瞬时的完全混合，缸内的状态是均匀 的，亦即为单区过程。2）工质为理想气体，其比热容、内能仅与气体的温度和气体的组成有关。3）气体流入与流出气缸为准稳定流动，不计流入或流出时的动能。4）不计及进气系统内压力和温度波动的影响。5）缸内工质在封闭过程中无泄漏。二、基本的微分方程组在上述假定下，将气缸壁面、活塞顶面以及缸盖底面所围成的容积作为一个 热力学系统，如图34所示。对该变容积热力学系统分别应用热力学第一定律、 质量守恒定律以及气体状态方程，经过适当的变换，得到计算内燃机工作过程的 通用方程组如下匹+些 理+唾h +唾h _u也-m空出）（36） d/ 、（d申 d申

40、PdWhshed申乐（）m（）dm dme dmg dme(3 7)(3 8)=+ +d半 dd半 dpV = mRT式中，下标s表示通过进气门流人气缸的气体参数，下标 e表示通过排气门流出 气缸的气体参数，下标B表示燃料燃烧放热 项，下标w表示通过壁面与热力学系统间发 生的热量交换。其余无下标的各项，分别表 示气缸内的有关参数，而入为瞬时过量空气 系数，其意义见下文。u =u(Ty)(3 9)为了使得计算顺利进行，假定加入系统 的能量或质量为正，离开系统的能量或质量 为负。同时，假设内能为温度和成分的函数， 并以入来反映混合气的组成成分，则有Ki 44 缸内工忡过程计II简图求解上述方程组，

41、可以得到气缸内温度 T、压力P和工质质量m等三个未知量随曲轴转角的变化关系，但由于方程组中还有多个待求解的微分变量， 如dV, dQs, dQw，dms，dme等，必须列出相关的约束条件，逐一建立计算式，方可使方程组 封闭。有关约束条件的计算要点如下：气缸工作容积根据活塞连杆机构运动学的几何关系式导出叹=纠 +1 cos申 +丄 h -j1-ks2 sinW dW 21小* s 丿Vs、和M曲柄连秆比）可根据发动机的结构参数确定。工质流入、流出气缸的质量流量，可根据流体力学中气体流经节流过程1)(310)式中，2）的计算关系式推出，其一般形式为(311)dms e 1d叫,e 代，e Ws，e

42、 Jpfi式中，下标I表示流动上游参数；与A分别为气门处的流量系数与流通截面积, 可分别根据试验结果与几何关系确定；Ws,e为流函数，与上下游的压力差即流动 状态有关，其通用计算式为/ PIIkPIk+1PMIPI丿kP1丿kpl 122kk 1k2 xk+1丿1kPII/ 2卜1pl Ik+1丿式中，下标n代表流动下游参数。3）工质与活塞顶面、气缸内壁面及缸盖底面的传热量计算式为dQw(312)1 3=2： aFi（Twi -T）d半6n冷式中，各换热表面积 Fi可根据活塞位移情况以及发动机的几何参数确定；壁面 温度Twi根据统计值选定；换热系数a有多种经验或半经验的回归公式，实际应 用时根

43、据所研究对象的具体情况选定一种（参见文献1、2、3、7）。4）燃料的燃烧放热过程较为复杂，在本类模型中一般用一个简化的代用燃烧放热规律来代替实际过程，即认为燃料是按照一定的函数形式进行燃烧放热的， 并且在代用过程中所放出的总热量以及所产生的结果（性能指标）与实际过程是一致的。常用的函数有余弦函数以及韦伯（Weibe）函数等，其中，韦伯函数是应用较广泛的一种，其形式为m +1= HugJu 丽=Hug 代6.908 6.908! ecpz J（313）式中，n为燃烧效率，取决于燃烧方式，而三个主要参数（燃烧始点机、燃烧持续期屉以及燃烧品质指数m）也与内燃机的类型有关，其中m的变化范围为0.2 3

44、.0,取决于燃烧放热的速率与方式。各种类型发动机的参数选择范围参见参考 文献3和7。5）工质物性的计算。由于内燃机的工质是由空气与燃油组成的混合气，其组z成成分在燃烧过程前后有明显的不同，精确计算其比热容、焓、内能等物性参数， 涉及到复杂的非线性方程组的求解问题， 较为复杂。为了方便起见，往往来用一 个简化关系式来计算物性参数，如较为常用的 Justi公式L CC” 0.0485、严975 + -丿V.人/U =418681 -/T -273f x106 + 7.768 +3.36、-0.8(314)仃.896-273)x10/ +1358.6 IkJ/kgmolVA丿该式适用于混合气较稀的柴

45、油机，而汽油机由于存在不完全燃烧、高温分解 等特殊现象，其计算式较为复杂一些。在得到内能或焓的计算式之后，其他的物性参数均可以通过基本热力学关系 式推导得到，这样，方程组(36)、(37)、(38)中的物性参数均可以求出。值得强调的是，在本方程式的建立过程中，弓I入了瞬时过量空气系数入的概念，其目的在于便于计算工质的成分随燃烧过程而发生变化的情况。与传统的过量空气系数的定义相仿，入的定义是缸内瞬时空燃比与化学计量空燃比的比 值，而瞬时空燃比则是某一瞬时缸内的空气质量与该瞬时缸内累计燃料质量之 比，即(315)、1dA =l。r唾 d对于首次迭代计算或缸内无残余废气时，可将其瞬时过量空气系数定为

46、一个 较大值，如104。三、缸内实际工作过程的计算应用以上建立的微分方程组(36)、(3 7)、(38)，结合补充的各种约束条 件，即可对内燃机的实际工作过程进行模拟计算。计算一般从压缩始点(进气门关闭时刻)开始，依次完成一个完整循环。当再次回到计算始点时，比较两次计 算结果，如达不到精度要求，则将计算得到的始点参数作为初始参数重新计算， 直到满足要求。根据缸内实际过程在各个阶段的不同特点，上述微分方程组呈现出不同的简 化形式。可以采用不同的处理方法。闭式阶段根据热力学系统的划分状况，在整个内燃机工作循环中，气缸可分为封闭阶 段依次可以分为压缩期、燃烧期及膨胀期以及开式阶段 (工质更换阶段)两

47、个 阶段。其中，在封闭阶段的三个不同期间，压缩期与膨胀期在微分方程组的形式 上是相同的，不同的仅是缸内质量上的差异。 在这一时期，由于工质内的质量无 变化，质量守恒方程项赂去，这样能量守恒方程就变换为dT 1dQwdV-P(316)该方程与气体状态方程联立，即可对内燃机气缸内的气体状态进行求解， 相9对于开式过程见式（3 6）而言，这一方程要简单得多。对于燃烧过程来说，工质的质量由于燃料的燃烧而发生变化，而燃料的燃烧 过程变化规律dQB是预先给定的（如韦伯代用燃烧放热规律），故质量守恒方程项d则为(317)dm dmB 1 dQB d d护-Hu d申对于瞬时过量空气系数的变化情况，不难推导出

48、(318)dkmg dQB护lomB2Hu d这样，能量守恒方程中的各项均可以依次求出， 从而可以求出燃烧过程中的 缸内状态参数。开式阶段从排气门开启至进气门关闭为开式阶段， 又称充量更换过程。由于通过缸内 热力学系统边界有气体流入或流出， 该阶段的数学求解较为复杂一些， 其中，在 求解流经进、排气门的气体流量时，需要已知进、排气管内的热力学状态，这就 涉及到内燃机的另一个过程一一进排气管系内的热力学计算 （见下一节）。同时， 充量更换阶段的另一个问题是工质成分在换气过程中的变化，根据瞬时过量空气 系数的定义，井假定排气时燃料（以折合燃料的形式出现，因为实际上燃料已经 燃烧完毕）和空气是成比例

49、地排出气缸的，我们可以推导出(319)d几 1 dms该式将缸内气体成分的变化与进气流量关联起来， 使能量方程各项均可以求 出，从而使方程组得以封闭。四、进排气过程的计算进排气过程热力学参数的计算，不仅是求解工作过程其他各项热力学参数所 必需的，而且对于了解进排气过程的压力及温度波动情况、预测及验证进排气系统的设计结果、进行增压发动机的增压匹配计算等，也是十分重要的。对于进（排）气过程计算的最简单的万法是容积法，又称充满-排空法，即把 仅（排）气管系看成是与原有管道容积相当的一个简单容器，而容器内的压力变化 完全是由气体的充填和排空决定的，把一些存在压力降的过程（如空气滤清器、其形式与求解缸内参数的 压力、气体温度等热力学将流入各缸的气体合理分限于篇幅，这里