汽车发动机原理课件：四冲程发动机的实际循环

发动机汽缸内部实际进行的工作循环是非常复杂的,为获得正确反映汽缸内部实际情况的试验数据,通常利用不同形式的示功器或发动机数据采集系统来观察或记录相对于不同活塞位置或曲轴转角时汽缸内工质压力的变化,所得的结果即为p-V示功图或p-

ϕ示功图,如图1-7所示，图1-7ａ)为p-V示功图,图1-7ｂ)为p-

ϕ示功图,p-V图和p-

ϕ图可以利用发动机曲柄连杆机构中的活塞位移和曲轴转角之间的几何关系互相转换。p-V图上曲线所包围的面积表示工质完成一个实际循环所做的有用功，该图称为示功图，p-

ϕ图称为展开示功图，由示功图可以观察到发动机工作循环的不同阶段(压缩、燃烧、膨胀)以及进气、排气行程中的压力变化，通过数据处理，运用热力学知识，将它们与所积累的试验数据进行分析比较，可以对整个工作过程或工作过程的不同阶段进展的完善程度做出判断，因此，示功图是研究发动机工作过程的一个重要依据。发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程，发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程所组成，较之理论循环复杂得多，图1-8为四冲程发动机示功图，其中图1-8ａ)为非增压发动机，图1-8ｂ)为废气涡轮增压发动机。一、进气过程为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质,即是进气过程(图1-8ａ中的r-a线),此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动,首先是上一循环留在汽缸中的残余废气膨胀,压力由排气终点的压力Pr降到压力P′r,然后新鲜工质才被吸入汽缸。由于进气系统的阻力，进气终点压力Pde一般小于大气压力P0或增压压力PK,压力差(P0－Pde)或(PK－Pde)用来克服进气系统阻力,因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热,进气终点的温度Tde也总是高于大气温度T0或增压器出口温度TK。一般进气终点的压力Pde和温度Tde的范围见表1-1。二、压缩过程发动机进行压缩过程时，进排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比εｃ表示。在理论循环中，假设压缩过程是绝热的，实际上，发动机的压缩过程是个复杂的多变过程，压缩开始ꎬ新鲜工质的温度较低，受缸壁加热，多变指数ｎ′１>ｋ，随着工质温度上升，某一瞬间与缸壁温度相等，ｎ′１＝ｋ，此后，由于工质温度高于缸壁，向缸壁传热，ｎ′１<ｋ，因此在压缩过程中，多变指数ｎ′１是不断变化的，如图1-9所示。但在实际的近似计算中，常用一个不变的、平均的多变指数n1来取而代之，只要以这个指数n1计算而得的多变过程,其始点ａ和终点ｃ的工质状态与实际压缩过程的初、终状态相符即可,

n1称为平均压缩多变指数。试验测定n1的大致范围见表1-2。n1主要受工质与缸壁间的热交换及工质泄漏情况的影响，当发动机转速提高时，因热交换的时间缩短，向缸壁的传热量及汽缸泄漏量减少，所以n1增大，当负荷(即阻力矩变化而引起发动机节气门的增减)增加、采用空气冷却以及汽缸直径较大时ꎬ汽缸温度增高及相对的传热量和泄漏量减少，n1增大。压缩终了的压力和温度可用下式计算:Pco、Tco的大致范围见表1-3。压缩比εｃ是发动机的一个重要的结构参数，在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到汽油机不正常燃烧的限制，压缩比εｃ不能过大。在柴油机中，为保证喷入汽缸的燃料能及时自燃以及冷起动时可靠着火，必须使压缩终点有足够高的温度，因此要求较高的压缩比。εｃ的大致范围见表1-4。在使用中，对压缩过程而言，主要应注意汽缸的密封，如果密封不良，将使压缩终点的工质温度、压力下降，以致起动困难，功率减小，因此，实际工作中，常以实测的压缩压力来检查发动机的技术状况，发现压缩压力降低时，应查明原因，及时检修。三、燃烧过程发动机进行压缩过程时，进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。由于燃料燃烧不是瞬时完成的，因此，在汽油机的燃烧过程中，汽油与空气形成的可燃混合气是在上止点前由电火花点火而燃烧(图1-10ｂ中的ｃ′点)，火焰迅速传播到整个燃烧室，工质的压力、温度剧烈上升，整个燃烧过程接近于定容加热，如图1-10ｂ)中的c-z段。燃烧过程中,柴油机应在上此点前就开始喷油(图1-10ａ中的ｃ′),柴油微粒迅速蒸发而与空气混合,并借助于汽缸中被压缩的具有很高内能的空气的热量而自燃,开始,燃烧速度很快,而汽缸容积变化很小,所以工质的压力、温度剧增,接近于定容加热,如图1-10ａ)中的c-z′段,接着,是一面喷油,一面燃烧,燃烧速度缓慢下来,且随着活塞向下止点移动,汽缸容积增大,所以汽缸压力升高不大,而温度继续上升,该过程接近于定压加热,如图1-10ａ)中z′-z

段。燃烧的最高爆发压力及最高温度的大致范围见表1-5。可见，柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力Pmax很高,但因相对于燃油的空气量大(即柴油机的过量空气系数ϕａ相对于汽油机大),所以最高燃烧温度Tmax值反而比汽油机低。四、膨胀过程发动机进行膨胀过程时，进、排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动而膨胀做功，气体的压力、温度迅速降低。膨胀过程也是一个多变过程，多变指数ｎ′２是不断变化的，膨胀过程初期，由于补燃，工质被加热，ｎ′２<ｋ，到某一瞬时，对工质的加热量与工质向缸壁等的散热量相等，ｎ′２

=ｋ，此后，工质向缸壁散热，ｎ′２

>ｋ，如图1-11所示。如同压缩过程一样，为简便起见，在计算中常用一个不变的平均膨胀多变指数ｎ２

来取而代之，只要以这个指数ｎ２计算的多变过程，其始点ｚ与终点ｂ的状态与实际膨胀过程始、终点状态相同即可。ｎ２的一般范围见表1-6。ｎ２主要取决于补燃的多少、工质与缸壁间的热交换及漏气情况，当转速增加，补燃增多，传热和漏气的时间缩短时，ｎ２减小，混合气形成与燃烧不好，补燃增加，ｎ２减小，当缸壁、活塞环磨损量大，漏气增加以及汽缸直径小，相对散热表面积加大，工质传出热量增加时，ｎ２增大。膨胀终点的压力Pex(kPa)、温度Tex(Ｋ)可用下式计算:汽油机柴油机式中:δ——后膨胀比，δ=Vb/Vz。Pex、Tex的大致范围见表1-7。五、排气过程当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞移动由下止点返回上止点，将汽缸内的废气排除。排气温度是检查发动机工作状况的一个参数，因为排气温度低，说明燃料燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好，如果发现排气温度偏高，应立即查明原因。排气终了的压力Pr(MPa)、Tr温度(Ｋ)范围