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1、上海理工大学 3 第第一一部分部分 实际循环热力过程计算实际循环热力过程计算 热力过程计算的目的在于， 在设计内燃机的过程中， 大致确定缸内压力和温度的变化情况， 绘制示功图，为以后的动力计算提供原始数据。同时，它可对发动机方案设计中确定的指标、 尺寸和结构起到一定的校核作用。 柴油机和汽油机的热力计算方法很类似，下面以四缸四冲程汽油机为例说明热力计算方法。 一、燃烧热化学计算一、燃烧热化学计算 设 1kg 燃料中 C、H、O 的含量分别为 C g， H g和 O gkg，则 C g+ H g+ O g=1kg 1kg 燃料完全燃烧所需要的理论空气量为： ) 32412 ( 21.0 1 0
2、OHC ggg L= 1 0.21 （ 0.855 12 + 0.145 4 ） = 0.512kmol/kg 燃烧前，混合气总量为： T m LM 1 01 =1 0.512 + 1 114 = 0.521/ 对于汽油机，当=0.851.05 时可获得最大功率，所以可在此范围内选择一个。取=1.0 燃烧产物的总量（不完全燃烧） ： 02 79. 0 212 222 L gg MMMMM HC NOHCOCO =0.855 12 + 0.145 4 + 0.79 1 0.512 = 0.548/ 所以： T OH m gg LMMM 1 324 )1 (21. 0 012 =0.548 0.5
3、12 = 0.027kmol/kg 理论分子变更系数： T T OH m L m gg L M M 1 1 324 )1 (21. 0 11 0 0 1 0 =1+ 0.027 0.521 = 1.05 对于四冲程汽油机，残余废气系数=0.060.16，在此范围内取=0.1。 实际分子变更系数： 1 0 1 2 r r MM MM =1.05+0.1 1+0.1 = 1.045 二、换气过程参数计算二、换气过程参数计算 上海理工大学 4 1 1进气终点压力进气终点压力 a p 汽油机 a p=（0.850.95）bar,取= 0.9bar 2 2排气终了温度排气终了温度 r T 四冲程汽油机
4、r T=9001100K,取=900K. 3 3进气终了温度进气终了温度 a T a T的大小受进气温度 0 T、残余废气的热焓量、高温零件对新鲜充量的加热和充量动能转化 为热能等因素的影响。 设后两种因素使新鲜充量得到T的温升， 一般T=525C,取T = 25C。 在进气终点，缸内工质由残余废气和新鲜充量组成，将两者作为一封闭体系考虑： Q=U +W 因为Q、W均为 0，所以U=0。在 a 点工质的内能由新鲜充量和残余废气的内能组成： )()( 01 “ 1 TTcMTcMTcMM vrvravr 因为不大，近似认为 vvv ccc “ ，所以有： TTTT ra 0 )1 ( 1 0r
5、a TTT T= 298+25+0.1900 1+0.1 =375.4K。 一般四冲程汽油机 a T=340380K。 4 4充气效率充气效率 v sh v M M1 其中，M1实际进入气缸的新鲜空气的 kmol 数； Msh进气管状态充满气缸工作容积的 kmol 数。 在进气终点 a，缸内工质数量为： )1 ( 11 MMMM ra 把 1 1 8314 1 a aa T Vp M， 0 0 8314T Vp M h sh 代入 v 关系式得： 1 1 11 1 0 0 0 0a a a a h a v T T p p T T p p V V = 90.092981 （91）0.1375.4
6、（1+0.1） = 0.713 一般顶置气阀的=8.09.0 左右，取 = 9，四冲程顶置气阀汽油机 v =0.750.85。 5 5排气终了压力排气终了压力 r p 上海理工大学 5 依据统计资料，汽油机 r p=（1.051.2）bar，取= 1.1=0.11MPa 三、压缩过程计算三、压缩过程计算 1 1平均多变压缩指数平均多变压缩指数 1 n 汽油机 1 n=1.321.38,取1= 1.32. 2 2压缩过程中任意点的压力压缩过程中任意点的压力 cx p 1 n cx a acx V V pp 其中， cx V为 x 点的气缸容积： 222 sin1 1 cos 1 1 4 1 RD
7、VV ccx 因为 ) 1( h c V V，RDSDVh 22 5 . 025. 0，所以： 22 sin1 1 cos 1 21 15 . 0 hcx VV 其中，为从上止点算起的曲轴转角， L R 称为曲柄连杆比。 对于汽油机，一般 = 1 3.2 1 3.8，取 = 1 3.5. 3 3压缩终点压力压缩终点压力 c p和温度和温度 c T 1 n ac pp= 0.09 91.32=1.6MPa 1 1 n ac TT= 375.4 91.321=758.3K 一般汽油机 c p=8.520bar， c T=600750K. 四、燃烧过程计算四、燃烧过程计算 在汽油机实际燃烧、膨胀和排
8、气过程的近似计算中，将燃烧、膨胀和排气过程分别按定容 加热、多变过程和定容放热过程来处理。并假定活塞到上止点时开始燃烧，略取上止点前的燃 烧及后燃现象。最后求得 z、b 各点的参数后，用棱角修圆的方法使之接近实际循环过程。 在任一时刻进入气缸的每 kg 燃料只能放出 u xHkJ的热量，其中 u H为燃料的低热值，x 为放热系数。 u xH的热量， w Q部分传给缸壁， 另外 u H部分用来增加工质内能和完成机械功。 所以： w uu QxHH 上海理工大学 6 其中，为热量利用系数，汽油机在 z 点 的热量利用系数 z =0.850.95,取 z =0.9。 列出 z 点的能量守恒方程式：
9、czcz u z WUUH 其中， z U、 c U工质在 z 点和 c 点的内能； cz W明显燃烧期工质所作的机械功。 方程式右边： zvrz tcMMU “ 2 )( cvrc tcMMU 1 )( 其中， 1 M、 2 M、 r M代表新鲜充量、燃烧产物和残余废气的 kmol 数； z t、 c tz 点和 c 点的温度（C） “ v c、 v c燃烧产物、空气残余废气混合气的平均等容 mol 比热（kg/kmol.K） 。 对于汽油机，按照等容循环计算，所以 cz W=0，所以： cvrzvrcz u z tcMMtcMMUUH 1 “ 2 )()(，化简得： zvcv u z tc
10、tc M H “ 1 )1 ( 若0，增加； 当 tot M m M， dt d 0，减小； 当 tot M= m M， dt d =0，达到瞬间极值。 假定下图是某发动机的总扭矩曲线图和曲轴角速度变化曲线， 图中m-m线表示平均扭矩值， 则m-m线以上扭矩曲线所包围的面积代表“剩余功” ，而m-m线以下扭矩曲线所包围的面积则 为“不足功” 。不难看出，最大的转速变化将出现在 1 与 4 处；即角速度最小值 min 出现在点 1 处，最大值 max 出现在点 4 处。 0 I 上海理工大学 29 由于： d d d d dt d d d dt d 2 2 1 ，所以： 2 )( 2 0 d I
11、dMM mtot 对上式在 1 到 4 范围内积分： 4 1 max min 2 0 2 min 2 max 0 2 0 22 mmtot I Id IdMME 式中，E代表点 1 与点 4 之间曲轴扭矩所作功的最大“剩余功” 。以下图为例，E应等 于图中（面积A1+面积A2-面积A3）所代表的数值： M AAAE)( 321 ， M 、 纵、横坐标比例尺。 通过计算求得E=466kJ 所以 2 0 m E I = 466 57620.025 = 0.056kg 2 其中是内燃机总的转动惯量，主要由三部分组成：飞轮的转动惯量 1 I、曲柄连杆机构回 转件的转动惯量 2 I和往复运动件的转动惯量
12、 3 I。其它部分（凸轮轴、齿轮等）影响较小，可 忽略不计。所以 = 1 I+ 2 I+ 3 I 回转件的转动惯量 2 I可近似取为： 2 2 RmiI r =41.23 0.0312= 0.0047kg 2 往复运动件的转动惯量 3 I可近似取为： 2 3 2 1 RimI j =1 2 4 0.65 0.0312= 0.0012kg 2 0 I 0 I 上海理工大学 30 这样，所需飞轮的转动惯量为： 2 3201 )( ffR mIIII=0.056-0.0047-0.0012=0.05 kg 2 式中， f m飞轮的质量； f R飞轮的惯性半径。 取飞轮的质量为 4kg,此时= 0.112 = 112 当 飞 轮 的 材 料 为 铸 铁 时 ， = 6.8 103/3， 此 时 飞 轮 的 厚 度 S= 2= 4 3.146.81030.1122 = 0.015 = 15mm。考虑到飞轮并不是实心的，所以将飞轮的厚度 增加到 25mm。
