第三章 内燃机的工作循环,第一节 内燃机的理论循环 第二节 内燃机的燃料及燃烧热化学 第三节 内燃机的实际循环 第四节 内燃机的热平衡 第五节 内燃机工作过程的热力学模型,第一节 内燃机的理论循环,1) 把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热可逆的等熵过程，忽略工质与外界的热量交换及其泄漏等的影响。 2) 将燃烧过程简化为等容、等压或混合加热过程，将排气过程简化为等容放热过程。 3) 忽略发动机进排气过程，从而将循环简化为一个闭口循环。 4)以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质物理及化学性质保持不变，比热,图3-1 四冲程内燃机典型的理论循环 a)等容加热循环 b)等压加热循环 c)混合加热循环,第二节 内燃机的燃料及燃烧热化学,一、内燃机的燃料 二、燃烧热化学,一、内燃机的燃料,1.石油基燃料 2. 柴油的理化性质 3.汽油的理化性质,1.石油基燃料,内燃机所使用的石油基液体燃料主要是由碳、氢两种元素所组成，此外还有少量的氧、氮、硫等元素。从化学结构上看，石油基燃料主要是由烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃等烃类组成。汽油中烃类的碳原子数一般在512之间，平均相对分子质量在110左右；轻柴油的碳原子数在1022之间，平均相对分子质量在190左右。,2. 柴油的理化性质,(1) 自燃性 在无外源点火的情况下，柴油能自行着火的性质叫自燃性，柴油能自行着火的最低温度叫做自燃温度。 (2) 低温流动性 在规定条件下，冷却柴油至开始出现混浊的温度称为柴油的浊点。,(1) 自燃性 在无外源点火的情况下，柴油能自行着火的性质叫自燃性，柴油能自行着火的最低温度叫做自燃温度。,(2) 低温流动性 在规定条件下，冷却柴油至开始出现混浊的温度称为柴油的浊点。,3.汽油的理化性质,(1) 挥发性 汽油是轻烃类的混合物，没有固定的沸点，在进行蒸馏时，随温度的上升，按照馏分由轻到重，逐渐沸腾。 (2) 抗爆性 燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力叫做燃料的抗爆性。,(1) 挥发性 汽油是轻烃类的混合物，没有固定的沸点，在进行蒸馏时，随温度的上升，按照馏分由轻到重，逐渐沸腾。,(2) 抗爆性 燃料对于发动机发生爆燃的抵抗能力叫做燃料的抗爆性。,二、燃烧热化学,(一) 化学计量空燃比 (二) 燃料的热值 (三) 燃烧前后物质的量变化系数 (四) 残余废气系数与排气再循环(EGR)率,(一) 化学计量空燃比,当燃料在空气中燃烧时，一定质量空气中的氧刚好使一定质量的燃料完全燃烧，将碳氢燃料中所有的碳、氢完全氧化成二氧化碳和水，则此时的空气与燃料的质量比称为该燃料燃烧的化学计量空燃比，有时称为理论空燃比。,(二) 燃料的热值,燃料在空气中燃烧，以热量的形式释放出其中的化学能。在标准状态(101.3kPa，298.15K)下，每千克燃料完全燃烧所放出的热量称为燃料的热值2、9。燃料的热值可以用量热计测量，一般气体燃料常在等压稳态连续流动标准状态下测量燃料燃烧的热值，液体和固体燃料常用定容燃烧弹法测量。等压和等容条件下测量热值的方法不同，但结果相差不大，所以通常所说的热值是指等压条件下的热值。,(三) 燃烧前后物质的量变化系数,有些化学反应中，反应物和生成物的物质的量相等(如CH4在空气中燃烧)，但大部分的并不相等(如丙烷、辛烷等在空气中燃烧)。燃料与空气形成的混合气在内燃机缸内燃烧后，燃烧产物的物质的量与反应物的物质的量之比用0表示。,(四) 残余废气系数与排气再循环(EGR)率,1.残余废气系数 2.排气再循环率,1.残余废气系数,发动机进气门关闭后，缸内气体的总质量为ma，由本循环吸入的新鲜充量m和上一循环残留在缸内的废气mr组成，内燃机缸内的残余废气系数与其压缩比、进气压力、配气正时等有关。汽油机的压缩比低，进气有节流，气门叠开角较小，所以残余废气系数较高，通常在7%20%之间。柴油机由于压缩比高，气门叠开角大，没有进气节流，所以残余废气系数较小，增压柴油机的更低。,2.排气再循环率,在每个循环吸入的新鲜充量m1中，若其中一部分是来自发动机的排气，用来稀释可燃混合气和降低发动机最高燃烧温度，减少NOx的生成与排放，称为排气再循环(EGR)。排气再循环率的定义为参与再循环的排气的质量m占新鲜充量m1的百分比，即EGR=mEGRm1(3-6) 借助发动机的残余废气系数和EGR率，还可以计算出发动机缸内已燃废气占总混合气量的比例,第三节 内燃机的实际循环,一、工质的影响 二、传热损失 三、换气损失 四、燃烧损失,一、工质的影响,图3-2 自然吸气压燃式内燃机 理论和实际循环p-V图的比较,理论循环的工质是理想的双原子气体，其物理化学性质在整个循环过程中是不变的。在内燃机的实际循环过程中，燃烧前的工质是由新鲜空气、燃料蒸气和上一循环残留废气等组成的混合气体。在燃烧过程中，工质的组分及其质量不断地变化。二氧化碳、水蒸气等三原子气体成分增加，使工质的比热容增大，且随着温度的升高而增大，导致实际气体温度下降。同时，燃烧产物还存在着高温分解及在膨胀过程中的复合放热现象。,二、传热损失,理论循环假设与工质相接触的燃烧室壁面是绝热的，两者间不存在热量的交换，因而没有传热损失。实际上，缸套内壁面、活塞顶面以及气缸盖底面等(统称壁面)与缸内工质直接接触，始终与工质发生着热量交换。在压缩行程初期，由于壁面温度高于工质温度，工质受到加热，随着压缩过程的进行，工质温度在压缩后期将超过壁面温度，热量由工质流向壁面。特别是在燃烧和膨胀期，工质大量向壁面传热。传热损失造成循环的热效率和循环的指示功有所下降，同时增加了内燃机受热零部件的热负荷。,三、换气损失,内燃机的理论循环可以不考虑工质更换的换气过程，即使考虑换气过程，也认为没有任何形式的流动阻力损失。在实际循环中，内燃机需要吸入空气、燃料等新鲜充量，燃烧后再排出废气，这是使实际循环得以周而复始进行所必不可少的。为了保证内燃机有一个较好的性能，排气门需要在膨胀行程接近下止点前提前开启，以排出更多废气，降低缸内压力，减少排气行程活塞强制排气的推出功损失。燃气在膨胀下止点前开始从气缸内排出，循环沿b1d1线进行，造成了示功图上有用功面积的减少(图中阴影区面积b1d1b)，称为膨胀损失。在强制排气和自然吸气行程中，气体在流经进排气管、进排气道以及进排气门时，由于各种流动阻力，形成活塞推出功和吸气功损失。上述排气门提前开启造成的膨胀损失、强制排气的推出功损失和吸气过程的吸气功损失，统称为换气损失。换气过程的详细内容见第四章。,四、燃烧损失,1.燃烧速度的有限性 2.不完全燃烧损失,1.燃烧速度的有限性,(1) 压缩负功增加 为了使燃烧能够在上止点附近完成，燃料的燃烧在上止点前开始，由此造成了压缩负功的增加(图中面积c1cc)。 (2) 最高压力下降 由于燃烧速度的有限性，等容加热部分达不到瞬时完成加热的要求，再加上活塞在上止点后的下行运动使工质体积膨胀，实际循环的压力升高率有限，使得实际循环的最高压力下降，循环的平均压力和做功能力下降。 (3) 膨胀功减少 由于理论循环假设等容加热是瞬时完成的，其余热量是在等压的条件下于某一点(z点)前完全加入，而后进入绝热膨胀过程，而实际循环的燃烧持续期长，部分热量是在膨胀行程的后期加入，这部分热量的做功能力低，循环获得的膨胀功减少。,(1) 压缩负功增加 为了使燃烧能够在上止点附近完成，燃料的燃烧在上止点前开始，由此造成了压缩负功的增加(图中面积c1cc)。,(2) 最高压力下降 由于燃烧速度的有限性，等容加热部分达不到瞬时完成加热的要求，再加上活塞在上止点后的下行运动使工质体积膨胀，实际循环的压力升高率有限，使得实际循环的最高压力下降，循环的平均压力和做功能力下降。,(3) 膨胀功减少,图3-3 燃烧效率随混合气当量燃空比的变化,2.不完全燃烧损失,理论上在空气充分的条件下，燃料能够完全燃烧，释放出所有化学能，用来加热空气但实际上仍会有很少一部分燃油由于附着到燃烧室壁面、熄火等原因，没有燃烧或没有完全燃烧，以未燃HC、CO和碳烟颗粒等形式排出机外，此外还存在一定的高温分解等，所有这一切造成了燃料的不完全燃烧损失。,第四节 内燃机的热平衡,一、有效功率Pe 二、冷却项Qcool 三、排气项Qex 四、杂项损失Qmisc,第四节 内燃机的热平衡,图3-4 内燃机的热流图,一、有效功率Pe,有效功率是通过发动机曲轴输出的，不同转速和负荷工况下，发动机的有效功率可以在0 Pemax之间变化。同一Pe工况下，越大越好，其他项的热损失就越小，则就有更多的燃料燃烧释放的热量转化为有用功。,二、冷却项Qcool,冷却项专指由发动机的冷却介质带走的那部分热量。内燃机缸内高温工质和与其接触的缸盖、缸套和活塞表面之间进行热量传递，再通过与它们接触的冷却介质实现热量的传导，避免受热零件温度(温差)过高造成破坏。如水冷机冷却水通过换热器带走的热量即为内燃机的冷却项，这部分热量包括了诸如活塞缸套之间摩擦热源等所产生的部分热量，但并不包括机器外表面与空气之间的对流换热量，虽然该部分热量的一部分是由冷却水传递的。如果使用水冷式机油冷却器，则机油冷却带走的那部分热量也属该冷却项。水冷的增压中冷器的换热也归此项。,三、排气项Qex,发动机热平衡中的排气项表示由排气带走的热量，用排气的焓来计算。,四、杂项损失Qmisc,图3-5 增压中冷柴油机热平衡图 a) 20%负荷工况 b) 50%负荷工况 c) 100%负荷工况,第五节 内燃机工作过程的热力学模型,一、模型假定 二、基本微分方程组 三、缸内实际工作过程的计算 四、进排气过程的计算 五、内燃机性能的计算,一、模型假定,1) 不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度的差异，认为缸内的状态是均匀的。 2) 工质的比热容、比热力学能和比焓等热力学参数仅与气体的温度和气体的成分有关。 3) 不考虑进排气系统压力和温度波动对进排气过程的影响，气体流动视为准稳定流动，且不计气体流入或流出时的动能。 4) 不考虑通过活塞环组、气门等处的气体泄漏损失。,二、基本微分方程组,(1) 气缸工作容积 根据活塞连杆机构运动学的几何关系式导出气缸工作容积随曲轴转角的变化关系，其方程为 (2) 气体流动 工质流进、流出气缸的质量流率，可根据流体力学中气体流经节流元件的计算关系导出，其一般的形式为 (3) 热交变换 工质与活塞顶面、气缸壁面及缸盖底面的传热量计算式为 (4) 放热规律 燃料的燃烧放热较为复杂，在本类模型中一般用一个简化的燃烧放热规律来代替实际燃烧放热过程，即认为燃料是按照一定的函数形式进行燃烧放热的，并且所放出的总热量以及所产生的结果(性能指标)与实际过程是一致的。 (5) 工质物性 由于内燃机的工质是由空气与燃油组成的混合气，其组成成分在燃烧过程前后有明显的不同，精确计算其比热容、比焓、摩尔热力学能等物性参数，涉及缸内不同区域温度、未燃或已燃产物平衡等复杂的计算。,二、基本微分方程组,图3-6 气缸内工作过程计算简图,三、缸内实际工作过程的计算,应用上一小节建立的微分方程式(3-12)，结合补充的各种计算关系式式(3-13)式(3-18)，即可对内燃机的实际工作过程进行零维热力学模拟计算。计算一般从压缩始点(进气门关闭时刻)开始，并预设一个缸内空气质量和残余废气系数，依次完成一个工作循环。当计算回到压缩始点时，比较两次计算结果，如果达不到精度要求，则将计算得到的终点参数作为初始参数，重新迭代计算，直至达到满意的精度。 根据缸内实际过程在各个阶段的不同特点，上述微分方程式中的有些项可以简化，具体计算时应注意赋给该项“0”值。下面依工作过程顺序对压缩、燃烧、膨胀和换气阶段(排气、叠开和进气)各个时期的计算要点分别作一些简要说明。,四、进排气过程的计算,对于进排气过程热力参数的计算，不仅要求解缸内过程的热力参数，有时还希望了解进排气道及管内的压力及温度波动情况，以预测或验证进排气系统的设计结果，开展发动机的增压匹配计算等。 进排气过程计算的最简单的方法是容