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1、1,电力工程学院主讲 邹正龙 Tel：13952181687Email：,内燃机的构造与原理,2,第二章、内燃机的工作循环与性能指标,2-1、内燃机的工作过程 2-2、内燃机的理想循环与实际循环2-3、内燃机的性能指标 2-4、内燃机的机械损失,3,2-1、内燃机的工作过程,内燃机的实际工作过程（实际循环）非常复杂，这是因为在内燃机汽缸中，气体所进行的实际工作过程受到很多因素的影响，如：气体流动因素、热交换因素等。 这些因素对内燃机实际工作过程的影响是不可忽略的，特别是对内燃机的汽缸充气与燃烧过程有着举足轻重的影响，它直接影响到内燃机的动力性指标与经济性指标。,4,一、进气过程,进气过程就是向
2、汽缸中充填混合气（对柴油机就是充填纯空气）的过程。 进气过程是为后面的燃烧过程作准备的，这个过程进行得完善与否直接影响燃烧过程质量，从而影响到内燃机的动力性能与经济性能。 为了充分利用汽缸工作容积，提高内燃机的升功率，在进气过程中进入汽缸的可燃混合气（或纯空气）的数量应该尽可能多些。,5,一、进气过程,1、进气终了时汽缸中的压力和温度 进气过程中进入汽缸的气体量与进气过程终了时汽缸中气体的压力和温度有关，气体压力越大，充气量越多；气体温度越高，则充气量越少。 2、充量系数 充量系数表征进气过程终了时汽缸中气体充填的程度： 充量系数越高，表明进入汽缸内的新鲜充量的质量越多，汽缸工作容积利用得越充
3、分，可燃混合气燃烧可能放出的热量越大，发动机发出的功率也就越大。,6,一、进气过程,3、配气相位 进、排气门开启和关闭的时刻，及其开启的延续时间以曲轴转角来表示，称为配气相位。 为了增大进气的通道面积，减小进气阻力，进气门提前开启；同时利用高速气流的惯性，进气门延迟关闭，补充向汽缸内充填一部分气体，以此来达到增大进气量的目的。 排气门提前开启有利于利用汽缸内、外压力差，排出一部分废气；同时排气门延迟关闭，利用废气高速流动的惯性，增大排出的废气量，而且可以减少排气所消耗的功。 因此，在进气上止点前后的某一区间，前一循环的排气门和后一循环的进气门存在同时开启现象，此进、排气门同时开启所对应的曲轴转
4、角称为气门重叠角。,7,二、压缩过程,压缩过程的作用是为了提高汽缸中气体的压力和温度，为燃烧过程作准备，也为膨胀作功提供了条件。 对于汽油机来说，压缩过程还可使进入汽缸中的可燃混合气进一步地蒸发和混合。 压缩过程终了时汽缸中气体的压力和温度取决于压缩比，但压缩比的提高受到一些条件的制约。,8,三、燃烧过程,燃烧过程是内燃机实际工作循环中最重要的一个过程。在这个过程中，燃料燃烧释放出热能，并将其中的一部分转变为机械功。 燃烧过程进行的完善程度，不仅影响内燃机的动力性指标和经济性指标，而且还直接影响到内燃机主要零件（曲柄连杆机构）的工作寿命、内燃机工作的柔和性、噪声以及废气污染等。,9,1、燃料的
5、性能,1）汽油的特性 汽油的性能主要是指蒸发性、抗爆性、胶质含量等项。 2）柴油 柴油按馏分的不同可以分成轻柴油与重柴油，车用高速柴油机采用轻柴油作燃料。 柴油的性能指标主要指凝点、十六烷值、满度和闪点等。,10,2、汽油机的燃烧过程,一般汽油机是在汽缸外部形成均匀混合气进入汽缸，在压缩上止点前某一时刻火花塞跳火，经过短暂的着火延迟后，形成火焰核心向外传播，直到全部可燃混合气燃烧完毕。这是一个持续的过程，需要一定的时间。 研究燃烧过程最简单并且最常用的方法是测量燃烧过程的展开示功图，它反映了燃烧过程的综合效应。,11,3、柴油机的燃烧过程,柴油机的混合气形成是在汽缸内进行的，在压缩过程接近终了
6、、活塞接近上止点时，喷油器以很高的压力将柴油以很高的速度喷入汽缸内的高温高压气体中，使柴油形成极细小的微粒，在高温的空气中，这些柴油微粒边蒸发、边扩散、边与周围的空气相混合。 在某些区域内，由于混合气的浓度适当，温度也超过柴油的自燃温度，混合气才能着火燃烧，形成火焰中心。 柴油机的火焰中心不像汽油机那样以火花塞为中心，而是自然形成的，其火焰中心在一般情况下可能是多个。 由于喷油不是瞬间完成而是一个持续过程，因此，柴油机的燃烧过程是边喷油、边混合、边燃烧，整个燃烧过程的持续时间较长。,12,四、膨胀过程与排气过程,1、膨胀过程 膨胀过程是内燃机中唯一作功的过程。燃料在燃烧过程中所释放的热能通过曲
7、柄连杆机构转变成机械功就是在这一过程中完成的。 进入汽缸的燃料所释放的热能，并不能在膨胀过程中全部变成机械功，这是因为： 1）工作过程中的热交换。 2）膨胀过程终了时，汽缸中气体的压力和温度仍比大气压力和大气温度高出很多，这部分气体能量在排气过程中被释放到大气中去而没有得到有效的利用。 3）高温机体的热辐射。,13,2、排气过程,排气过程就是活塞在膨胀过程之后由下止点向上运动时将膨胀以后的废气通过气门排出汽缸外。 由于存在着燃烧室容积，排气过程终了时，汽缸内的废气并不能彻底排除干净。为了尽可能多地排除废气，如前面所述，延长排气时间，将排气门提前开启和延后关闭。,14,五、内燃机的示功图,示功图
8、表示内燃机实际循环中汽缸内的气体压力随汽缸容积的变化规律。 由示功图可以得到许多重要数据，如气缸内气体的瞬时压力和温度，最高爆发压力，着火时刻，燃烧终点，燃烧规律等，它们是分析内燃机工作过程好坏的原始数据。,15,五、内燃机的示功图,1）示功器 如图，它由压力传感器，电路系统，气路系统及记录装置等四部分组成。,1-压力传感器；2-离合器；3-弹簧机构；4-弹簧；5-导杆；6-记录指针；7-记录装置圆简；8-阀门；9-压缩空气储气瓶；10-闸流管继电器；11-上止点传感器,16,五、内燃机的示功图,2）工作原理,17,五、内燃机的示功图,示功图还可将内燃机的配气相位、点火提前角及燃烧过程的几个阶
9、段在曲线图上表示出来。,18,五、内燃机的示功图,示功图上的曲线与横坐标之间所包围的面积就是这个过程所作的功。在膨胀曲线上，是汽缸中气体膨胀推动活塞所作的功，这是正功；而压缩曲线上，是活塞压缩气体所消耗的功，这是负功。 进、排气过程也是消耗功的过程，但这部分的消耗计入机械损失，不计算在实际循环的消耗中。 因此，在内燃机的实际循环中所获得的功就是膨胀所取得的正功与压缩所消耗的负功的差值，也就是示功图上膨胀过程曲线与压缩过程曲线所包围的那部分面积。这部分面积越大，实际循环中所获得的有用功也就越多。,19,2-2、内燃机的理想循环与实际循环,从热力学基本定律可知，热机通过工质实现周而复始的循环，不断
10、地将热能转变为机械能。 根据工程热力学的基本定理，在相同的温度范围内，卡诺循环的热效率最高，然而内燃机却不能按卡诺循环进行工作。这是因为工质的定温加热和定温放热不易实现，且要提高热效率就必须增大高、低温热源的温度差，致使压力差和压缩比很大，使得最高极限压力增高和气缸长度增长，结果是机器庞大笨重，单位气缸容积的功率很小。,20,一、内然机工作循环的简化与评价,内燃机的实际工作循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀及排气等五个过程所组成的，是由一系列非常复杂的物理化学变化过程所组成的；在气缸内进行非常复杂的物理化学变化，其影响因素也很复杂。 为了掌握内燃机热功转换的主要规律，需要对实际循环作某些简化和假定
11、，忽略次要因素的影响，概括为由几个基本热力过程所组成的理想循环，这样才有利于分析和研究这些理想循环，以指明提高内燃机经济性和动力性的方向。,21,1、内燃机工作循环的简化,1）以空气作为循环的工质，并假定其为理想气体，其比热视为定值，不随温度变化,忽略变比热的影响。 2）假设工质是在闭口系统中进行热力循环，不考虑进、排气过程，并忽略气体流动阻力的影响。 3）以热源的传热代替燃料燃烧的放热，以向冷源传热代替排气过程向大气放热，工质的质量和成分自始至终都保持不变。,22,1、内燃机工作循环的简化,4）假设压缩与膨胀过程是绝热过程，忽略气缸壁传热、摩擦及漏气等热损失。 5）假设以等容过程、等压过程或
12、先等容后等压过程向工质加热以代替燃烧过程；工质的放热过程则视为等容过程。 6）忽略实际过程中的各种损失，把构成循环的各个过程均假定为可逆过程。,23,2、评定循环过程中质和量的指标,1）循环的热效率：工质的循环净功与工质在循环中吸收的热量的比，来评定循环的经济性。2）循环平均压力：表示单位气缸工作容积所作的循环功，用来评定循环的动力性。,24,二、内燃机的理想循环,通过对内燃机理想循环的研究，可以确定出最大可能的热量利用率（循环热效率）和气缸容积利用程度（循环平均压力），由此可以分析出影响内燃机工作循环的经济性和动力性的主要因素，从而找到提高内燃机性能指标的基本途径。 在内燃机中，加热可按定容
13、、定压和定容定压三种方式进行，故有定容加热循环，定压加热循环和混合加热循环之分。,25,1、混合加热循环（萨巴德循环）,中高速柴油机可简化为按混合加热循环工作。 12为绝热压缩过程； 23为定容加热过程，吸热量为Q1V； 34为定压加热过程，吸热量为Q1P ； 45为绝热膨胀过程； 51为定容放热过程，放热量为Q2。,26,1、混合加热循环（萨巴德循环）,1）混合加热循环的热效率：,27,1、混合加热循环（萨巴德循环）,常用术语：压缩比：压力升高比： 则：预胀比： ，则：表示绝热膨胀过程前气体膨胀程度；后胀比：绝热指数：,28,1、混合加热循环（萨巴德循环）,29,1、混合加热循环（萨巴德循环
14、）,循环的热效率：,30,1、混合加热循环（萨巴德循环）,2）混合加热循环的平均压力,31,2、定容加热循环（奥托循环）,汽油机燃烧迅速，可简化为定容加热循环。 当混合加热的预胀比等于一时，就得到定容加热循环。,1）定容加热循环热效率：2）定容加热循环平均压力：,32,3、定压加热循环（狄赛尔循环）,高增压和低速大型柴油机中，其工作循环可以理想化为定压加热循环。 当混合循环中压力升高比等于一时，就成为定压加热循环。,1）定压加热循环热效率：2）定压加热循环平均压力：,33,例2-1、,例2-1、某汽油机燃烧最高温度为Tmax=2173K，最低温度及压力为T1=303K及p1=0.1MPa，压缩
15、比=6，试求该汽油机的定容循环热效率，平均压力和工质所作的循环净功。,解：设工质为空气，比热容为定值，其循环如图。,查表得：,K=1.4,34,例2-1、,循环净功为：,或：,35,例2-2、,例2-2、已知混合循环的初始状态p1=0.1MPa ， T1=303K ，压缩比=6 。试分别按（l） ，（2） ，求出循环最高压力、平均压力及热效率。设工质为空气，k=1.4。,解：（1）,36,例2-2、,解：（2）,37,例2-2、,分析：若由绝热膨胀计算公式分别求出本例（1）、（2）两种情况下的循环加热量： 、 、 ； 、 ；排热开始温 、 ，以及排热量 , 。 则从图中可见，当，k及Q1相同时，压力升高比小、预胀比大的循环在定压过程中多加入的热量，因离上止点较远，其作功量较少，排热温度及排热量相应增加，故循环热效率及平均压力均降低。,
