汽车发动机原理课件：发动机理论循环

一、三种基本循环１.进行理论循环分析的目的发动机的理论循环是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发动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，以判断实际发动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。(３)有利于分析比较发动机各种热力循环方式的经济性和动力性。２.建立理论循环的简化假设在进行理论循环研究之前，首先必须对发动机的实际过程进行必要的简化假设，这是建立理论循环的一个重要依据，最简单的理论循环是空气标准循环，其简化条件为:(１)假设工质是理想气体,其物理常数与标准状态下的空气物理常数相同。(２)假设工质是在闭口系统中作封闭循环。(３)假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程。(４)假设燃烧是外界无数个高温热源定容或定压向工质加热，工质放热为定容放热。３.三种基本循环根据加热方式不同,发动机有三种基本空气标准循环，即定容加热循环、定压加热循环和混合加热循环,图1-1示出三种循环的P-V图,图中,a-c为绝热压缩,c-z为等容或等压加热,z-b为绝热膨胀,b-a为等容放热,习惯上的处理方式为,汽油机混合气燃烧迅速,近似为定容加热循环,高增压和低速大型柴油机,由于受燃烧最高压力的限制,大部分燃料在上止点以后燃烧,燃烧时汽缸压力变化不显著,所以近似为定压加热循环,高速柴油机介于两者之间,其燃烧过程视为定容、定压加热的组合,近似为混合加热循环。对混合加热循环及其两个极端情况即定容加热循环和定压加热循环进行对比分析,有利于准确、全面地理解理论循环及其影响因素的物理实质,因此,发动机的理论循环分析传统上就是指这三种循环的对比分析。评定理论循环采用循环热效率ηｔ和循环平均压力ｐｔ。二、循环热效率ηtηt是工质所做循环功Ｗ(Ｊ)与循环加热量Ｑ2(Ｊ)之比,用以评定循环经济性。ηt=Ｗ/Ｑ1

=Ｑ１-Ｑ２/Ｑ１

=1-Ｑ２/Ｑ１式中:Ｑ2——工质在循环中放出的热量,Ｊ。按工程热力学公式，混合加热循环热效率为:式中:εｃ——压缩比，εｃ=Ｖａ/Ｖｃ=

(Ｖｓ+Ｖｃ)/Ｖｃ=1＋Ｖｓ/Ｖｃ，其中Ｖａ为汽缸总容积，Ｖｃ为汽缸压缩容积，Ｖｓ为汽缸工作容积。λｐ——压力升高比，λｐ＝ｐｚ

/ｐｃ。ρ０——初始膨胀比，ρ0=Ｖｚ/Ｖ′ｚ。ｋ——等熵指数。定容加热循环(ρ0=1)热效率为:定压加热循环(λｐ＝1)热效率为:由上述公式可见，影响ηｔ的因素如下所述。１.压缩比εｃ随着压缩比的增大，三种循环的ηｔ都提高，因为提高了εｃ，所以可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，如图１-２所示，图1-3表示定容加热循环热效率随压缩比变化的情况，在εｃ较低时，随着εｃ的提高，ηｔ增长很快，在εｃ较大时，再增加εｃ则效果较小。２.等熵指数ｋ等熵指数ｋ对ηｔ的影响如图1-4所示，随ｋ值增大，ηｔ将提高，ｋ值取决于工质的性质，双原子气体k=1.4，多原子气体k=1.33。３.压力升高比λｐ在混合加热循环中,当循环总加热量Ｑ１和εｃ不变时,λｐ增大，则ρ０减小,即平均膨胀比Ｖｂ/[(Ｖｚ－Ｖ′ｚ)/２]增加，图1-5中z-b变到ｚ′-ｂ′，相应的Ｑ２减少，ηｔ提高。４.初始膨胀比ρ０在定压加热循环中,随着加热量Q1的增加,ρ０值加大,若εｃ保持不变，由式(1-3)可知，因平均膨胀比减小,放出的热量Q2增加,ηｔ下降,在混合加热循环中,当循环总加热量Q1和εｃ保持不变,ρ０值增大,意味着定压加热部分增大(图1-5),同样ηｔ下降。三、循环平均压力PtPt(kPa)是单位汽缸容积所做的循环功,用来评定循环的做功能力,其计算公式为:Pt=Ｗ/Ｖs式中:Ｗ——循环所做的功,Ｊ。Ｖs——汽缸工作容积,Ｌ。根据工程热力学公式，混合加热循环的平均压力为:式中:Pde——进气终点的压力,kPa。定容加热循环的平均压力为:定压加热循环的平均压力为:可见，Pt随进气终点压力Pde、压缩比εｃ、压力升高比λｐ、初始膨胀比ρ０、等熵指数ｋ和循环热效率ηｔ的增加而增加。在混合加热循环中，如果循环加热量Ｑ1不变，增加ρ０即减少λｐ，定压加热部分增加ꎬ而定容加热部分减少，ηｔ下降，因而Pt也降低。理论上能够提高发动机理论循环热效率和平均压力的措施，往往受到发动机实际工作条件的限制。(１)结构条件的限制，为保证发动机的可靠性和使用寿命，考虑发动机的制造成本，在实际选择上述参数时，须根据具体情况权衡利弊而定。(２)机械效率的限制，发动机的机械效率ηｍ与汽缸中的最高燃烧压力Pmax密切相关,而Pmax决定曲柄连杆机构的设计。(３)燃烧方面的限制，若压缩比定得过高，汽油机将会产生爆震、表面点火等不正常燃烧的现象。(４)排放方面的限制，循环供油量的增加取决于实际吸入汽缸内的空气量，即有空燃比的限制，否则将导致燃烧不完全而出现冒烟、热效率下降和发动机的ＨＣ、ＣＯ排放激增。四、三种基本循环的比较图1-6给出当加热量Ｑ1相同时，三种理论循环的比较。图1-6ａ)为εｃ相同时，三种循环中Q2P>Q2m>Q2V,则ηtV

>ηtm

>ηtp故欲提高混合加热循环热效率,应增加定容部分的加热量(