内燃机的工作循环

1、内燃机学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换成机械能的过程，这个过程中时刻存在物理、化学变化和不可逆损失。为了分析燃料利用的完善程度和主要影响因素，为提高能量利用率指明方向，通常将循环进行简化，得到便于进行定量分析的假想循环或简化循环，称之为内燃机的理论循环。研究理论循环的目的 研究提高理论循环热效率的途径。确定理论循环热效率的极限，判断内燃 机工作过程完善程度。分析比较内燃机不同热力循环方式的经 济性和动力性。建立理论循环的假设 以空气为工质，理想气体、物理化学性质保持不变。不考虑工质更换，工质总质量保持不变。压缩膨胀过程为等熵绝热过程。用加热、放热代

2、替燃烧和排气过程。 典型的理论循环不功图各种理论循环的比较循环名称循环热效率循环特点相应过程等容加热循环压缩比热效率点燃式内燃机等压加热循环负荷热效率燃气轮机混合加热循环介于二者之间柴油机k等熵指数 c=Va/Vc压缩比p=pz/pc压力升高比 0=Vz/Vc初始膨胀比理论循环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。结论 1.提高c可提高工质最高温度，扩大循环温度温度阶梯，

3、增加p，从而提高t，但提高率随压缩比的不断增大而降低。2.增大p ，可增加混合加热循环中等容局部加热量，提高热量利用率，从而提高t 。3. c 、 p增加，将导致pz急剧增加。4.增大0可提高循环平均压力，由于等压加热局部热量增加， t随之降低。5.k 增大，循环热效率t增加。内燃机实际工作条件的限制 结构条件的限制：体积和结构强度限制了缸内爆发压力pz，因而限制了c 、 p增加。机械效率的限制： c 、 p增加导致pz增加 ， m降低。燃烧方面的限制： c过大，增加柴油机燃烧室设计及加工难度。目前： 柴油机：c 1222， pz 714MPa p 1.32.2。 汽油机：c 612， pz

4、38.5MPa p 24。c 、 pWorld energy consumption第二节 内燃机的燃料及其热化学石油中主要成分是碳，约占83%87%；其次是氢，约占11% 14%，二者合计占96%99%。其他位微量的 金属和非金属 元素。各种元素均以 碳氢或非碳氢 化合物形式存 在。 我国的石油概况 根据目前掌握的情况，我国石油的总储量达780亿吨，实际可开采的储量约为390亿吨，名列世界前茅。塔里木盆地的塔克拉玛干大沙漠中发现的石油高达300亿吨。假设干国家石油储量预测/亿吨世界及主要国家石油年产量1996/亿吨石油中烃类的组成 烷烃：开链的饱和烃，分子式通式为CnH2n+1，分子内碳与碳

5、单键相连，碳的其余键为氢所饱和。碳链为直链者称正构烷，有支链者称异构烷。石油中烃类的组成 常温下 C1C4 正构烷呈气体； C5C15正构烷呈液体，是汽油、煤油的主要成分 C16 正构烷呈固体，是石蜡的主要成分。 相同碳原子数的情况下 正构烷烃碳链长，结构不稳定，易氧化成过氧化物 及醇或醛氧化物，发火性好，适用于压燃机。 异构烷烃结构紧密，不易氧化，发火性差，不易发 生爆燃，适用于点燃机。环烷烃 环烷烃：闭链的饱和烃，分子通式CnH2n ，分子内碳与碳相连切成环状，碳的其余键为氢所饱和。环烷烃 物理、化学性质与烷烃相近。一般情况下性致较稳定 ，不易氧化，随着分子量增大或多环环烷烃环数增多 ，沸

6、点升高，密度增大。在石油中，环烷烃是主体。汽油中，环烷烃抗爆性比正构烷好，仅次于异构烷和 芳烃。柴油中，环烷烃的发火性差。润滑油中，少环长侧链的环烷烃是理想局部，粘性好 、凝点低。 芳烃 含有苯环结构的烃，其化学性质稳定。芳烃 在汽油中，芳烃抗爆性好，辛烷值高。其燃烧 温度高，燃烧产物中NOx和未燃芳烃的排放浓 度随芳烃含量增大而增大。在柴油中，芳烃自燃温度高，十六烷值低，燃 烧性不好，会导致碳烟微粒排放浓度增加，是 不良组分。 烯烃 烯烃：分子中含有碳碳双键的烃，分子式CnH2n ，碳原子的化合价未被氢原子饱和，所以称不饱和烃。烯烃 石油中一般不含烯烃，在石油加工中，大分子的烷烃 和环烷烃发

7、生分解，产生烯烃。烯烃安定性差，在一定情况下易氧化生成高分子粘稠 物，特别易进行加成反响、氧化反响和聚合反响。烯 烃是对排放有不利影响，其有机挥发物是生成臭氧和 毒性物质的重要来源。汽油中，烯烃可提高辛烷值但会是汽油在存储时氧化 生胶。柴油中，烯烃可使柴油油较好的低温流动性，但其自 然温度高，发火性差，化学安定性差。石油炼制方法和燃料 石油炼制方法和燃料 石油炼制方法和燃料 不同炼制工艺得到理化性质不同的燃料。 燃油中碳原子数是决定其各种物理化学特性最本质的因素。内燃机主要燃料所含C原子数的范围正烷烃物理状态与其碳数的关系常温常压蒸馏采用蒸馏方法可以把汽油40200和柴油200350从石油中提

8、炼出来。蒸馏: 利用不同分子量和不同结构的烃具有不同沸点的性质，一次加热后，将一定沸点范围的烃分别收集，得到各种燃料。分常压蒸馏和减压蒸馏。 汽油与柴油的蒸馏蒸馏裂化 还可以用热裂化500，6.8MPa和催化裂化430，0.20.5MPa)提炼汽油。现代汽油产品中70%为裂化汽油。热裂化：高分子化合物在高温下裂解为低分子化合物的反响，叫热裂化反响；利用热裂化反响将燃油中重质油分子量较大的烃类裂解为轻质燃料油的工艺叫热裂化。重油加热到450C以上时，高分子烃因受热发生裂解，变成分子较小的烃，同时还会发生缩合反响，一局部低分子烃又转化成高分子烃。但裂解反响是主要的。裂化 催化裂化：在催化剂的作用和

9、一定温度条件下，使沸点较高的原料油经过一系列化学反响裂化为轻质油的加工工艺叫催化裂化。加氢裂化：在有催化剂和氢气存在的条件下，使重质油受热后通过裂化反响转化为轻质油的加工工艺，叫加氢裂化。 汽油的使用性能指标(1) 汽油的蒸发性馏程：10%(70)、50%(120)、 90%(190)馏出温度，终馏点(205)饱和蒸汽压：一般限定不得超过7488kPa， 否那么容易“气阻(2) 汽油的热值单位质量或体积的汽油燃烧时所放出的热量;一般汽油的低热值为4300046000kJ/kg。汽油的使用性能指标(3) 汽油的抗暴性抗暴性是指汽油抵抗自燃的一种能力，一般 用辛烷值表示。通常将正庚烷(C7H16)

10、(抗暴性差)与异辛烷 (C8H18)(抗暴性好)按一定比例混合，构成不 同体积百分比的异辛烷和正庚烷的标准汽油， 其中异辛烷含量的百分数叫做辛烷值。国产汽油的牌号就用辛烷值表示，如90汽 油表示用研究法测出的辛烷值不小于90。对汽油挥发性小结 10%馏程太高，起动性差 10%馏程太低， 燃油蒸汽易堵塞油路；且 易从油箱逃逸； 50%馏程太高，冷启开工况动态相应差； 90%馏程太高，易稀释机油，燃烧室积碳柴油的使用性能指标1 柴油的蒸发性馏程：50%(300)、90%(355)、95%(365)馏出温度2 柴油的流动性运动粘度大凝点：柴油在规定条件下冷却，逐渐失去流动性，直至停止移动时的最高温度

11、。我国柴油分成三个质量等级优级品、一等品和合格品，每一等级又按凝点分为六个牌号10、0，10，20，35，50柴油的使用性能指标3 柴油的热值柴油的热值一般比汽油的热值低，约为42500kJ/kg。4 柴油的自燃性十六烷值：将十六烷自燃性好与-甲基奈自燃性差按一定比例混合，构成不同体积百分比的十六烷和-甲基奈的标准柴油，其中十六烷含量的百分数叫做十六烷值。柴油挥发性小结最终溜程太高，不易燃烧，稀释机油，形 成碳烟小结 自燃性自燃性不用点燃而自动着火的性能化学稳定性的好坏决定了自燃性能；就自燃性来说： 高C 低C， 正烃异烃环烃芳香烃 十六烷值与辛烷值都表示自燃性，关系为： 辛烷值=120-2十

12、六烷值 小结 挥发性挥发性液体燃料气化的难易程度一般用馏程评价挥发性能 分子越大，蒸发越难，物理稳定性越好。 汽油：物理稳定性差、易挥发，所以预混方 式燃烧； 柴油：物理稳定性好，不易挥发，所以用高 压喷油雾化。 小结 热值热值能量密度燃料的热值由C/H比决定,由于H比C的热值高约3.7:1,而C/H 柴油汽油，因而HU汽 柴汽油与柴油优于其它代用燃料的关键之一 但就单位质量来看，H燃烧所需要O约是C的3 倍，因而：理论混合气热值 汽=柴 小结 排放特性C/H高，那么排放特性差； CCO、CO2有害 HH2O 无害天然气、LPG的H含量高0.25和0.182，其 CO、黑烟、微粒、CO2低于汽

13、、柴油 World energy consumption汽油机、柴油机工作模式的差异汽油：易气化，在低温汽缸外下蒸发，预制 成均匀混合气；柴油：难气化，用高压喷雾粉碎，高温空气汽 缸内促其雾化； 汽油：难自燃，易点燃，用高压电火花点燃； 预混合气体中的火焰传播。可在a=1的 条件下完全燃烧。柴油：易自燃，压缩着火压燃； 扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，所以自燃 但不会爆燃，a1.01.2二 燃烧热化学 燃烧：燃料与空气中的氧进行氧化反响而放出热量的过程。 1.完全燃烧 完全燃烧燃料中的碳元素和氢元素完全被氧化成二氧化碳和水。 假设碳氢化合物的分子式，下标表示相应元素的原子数。 空气按容积计，其组

14、成成分为：20.95%的氧；78.90%的氮；0.93%的其他气体可忽略。那么1mol的氧有 的氮。第二节 内燃机的燃料及其热化学因此，1kg燃料完全燃烧所需理论空气量（质量比），即化学计量空燃比为： 燃料中三种元素的质量比为： 那么化学计量空燃比可简化为 据统计，国产汽油中C、H、O三种元素的质量分数分别为0.855、0.145和0 ,而柴油中三种元素的质量分数分别为0.870、0.126和0.0040同样质量的燃料，汽油比柴油需要更多的空气。 不完全燃烧 当实际供给的空气量小于理论所需空气量时，氧缺乏，燃烧产物中会因局部氧化生成 HC、CO碳完全燃烧 C+O2=CO2+406967 kJ/

15、kmol碳不完全燃烧 C+O2/2=CO+124013 kJ/kmol氢燃烧 H2+O2/2=H2O(液)+286796 kJ/kmol (高热值) H2+O2/2=H2O(汽)+241788 kJ/kmol (低热值)第三节 内燃机的实际循环与理论循环相比，内燃机的实际循环存在着许多不可逆损失，达不到理论循环的热效率和循环平均压力值。分析实际循环勺理论循环之间的不可逆损失，有助于攀捏两者之间的差异，从而为提高内燃机工作过程的完善程度指明努力的方向。一、工质不同带来的影响 理论循环中工质是双原子气体，并假定它在 循环中不变。实际循环中，在燃烧前工质为空气、燃料、 废气的混合气，燃烧过程中，工质

16、成分数量 都在不断变化，三原子气体占多数，热容比 大，且随温度升高而增大。由于热容比增大，相同的燃料放热量使循环 实际能够到达的最高温度小于理论循环，降 低了循环热效率。 二、换气损失理论循环没有换气过程，没有流动阻力。实际循环中，需要进气、排气，为了降低排气 阻力，排气门需要早开，燃起在下止点前从气 缸中开始排出，使示功图有用功面积减小。进 气、排气过程不可防止地存在流动损失，也消 耗一局部有用功。三、传热损失 理论循环假设工质与外界没有热交换，是绝热 的。实际循环，缸内工质与活塞、缸套、缸盖底面 直接接触，始终发生热量交换。压缩过程初期 ，工质温度低于缸壁温度，吸热，压缩冲程后 期，工质向外散热。燃烧冲程工质一直向外散 热。散热量大于吸热量，产生传热损失。 1. 燃烧