柴油发动机及其曲柄连杆机构动力分析(2)

柴油发动机及其曲柄连杆机构

动力分析

在压缩行程后，燃料先以等容积方式沿cy线自热源吸入热量Q1'，之燃料气体压力达到pz值；然后燃料以等压方式自热源吸入另一部分热量Q1''，这一吸热过程是沿zy线进行的。Q1'?Q1''?Q1即循环从热源吸入的总热量。沿cy等容线的压力升高以压力升高比表示，即??pz/pc；而沿yz线的容积变化以初膨胀比?表示，即??Vz/Vc。

当活塞自z点继续向外运动时，燃料沿zb线膨胀至b点。这一膨胀过程可用方程式

pVk?C表示，膨胀的容积比叫做后膨胀比，以?表示，即??Vb/Vz。?与?及?的关系

如下式所示：

??VbVbVc???? VzVcVz?在膨胀行程的终了，燃料中的热量Q2排出至冷源，燃料的压力沿等容积线ba变化。

比值?、?、?及?是与循环性能有关的主要参数。

循环所做的功以Wt表示，若示功图按照一定的比例绘制时，则面积acyzba表示Wt。循环所做功的热当量等于吸入热量与排出热量之差，即

AWt?Q1?Q2

式中，A——单位功的热当量，A=1/427千卡/公斤.米。

循环的热效率以?t表示，即

?t?AWtQ1?Q2 ?Q1Q1 (2-1)

循环热效率表示在一个理想发动机中热量转换为功的完善程度。在工程热力学课程中已知

混合循环的热效率用下式表示：

??k?1?t?1?k?1?

??1?k?(??1)?1 (2-2)

式中，K为绝热指数,k?Cp/Cv；Cp为气体在等压下的比热；Cv为气体在等容下的比热。

公式（2-2）为理想的燃料（比热不随温度变化的气体）在一个理想发动机混合循环所达到的热效率。

等容循环的示功图如图2-1（b） 所示。图中所示的热力过程说明如下： ac线——气体等温压缩，pVk?C；

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cz线——气体在等容下由热源吸入热量Q1； zb线——气体等温膨胀，pVk?C；

ba线——气体在等容下排出热量Q2至冷源。

等容循环与混合循环的差别仅在于吸入热量Q1的规律不同。在等容循环中，因为Vz?Vc所以初膨胀比为

??其后膨胀比为

Vz?1 Vc??VbVb??? VzVc即循环压缩比?等于膨胀比?。将??1代入式（2-2）中，可得等容循环的热效率为

?等压循环的示功图如图2-1(c)所示，图中所示的热力过程说明如下： ac线——气体等温压缩，pVk?C； cz线——气体在等压下由热源吸入热量Q1； zb线——气体等温膨胀，pVk?C； ba线——气体在等容下排出热量Q2至冷源。

?t?1?1k?1 （2-3）

等压循环与混合循环的差别仅在于吸入热量Q1的规律不同。在等压循环中，由于热量

Q1加入时压力不变，即pz?pc，因此其压力升高比为：

??pz?1 pc将??1代入式（2-2），可得等压循环的热效率为

?t?1?1?k?1?k?1

k(??1) （2-4）

对上述三种理论循环的热效率进行比较得知，在当压缩比相同时，等容循环的热效率大于等压循环的，而混合循环的热效率界于两者之间，即

?t等容??t混合??t等压

如果三种理论循环在最大压力相同、加入热量相同而不同进行比较，则等压循环的热效率将大于等容循环的，而混合循环的热效率居两者之间，即

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?t等压??t混合??t等容

这是由于在温度不变的情况下等压循环的最大而等容循环的最小的缘故[5]。

2.2 柴油机的实际热循环

内燃机理论循环的分析是以各种假定条件为前提的，但在实际的内燃机循环中不可避

免的有许多方面的损失，使其不能达到理论循环的指标。为了改善内燃机的实际循环，必须分析比较实际循环和理论循环之间的差距，以及引起各种差距的原因[6]。

(1) 工质变化的影响

在理论循环中，假定工质为空气，而在实际循环中，燃烧前的工质是新鲜空气与上一循环残留废气的混合物，燃烧后的工质变为燃烧产物——废气。

在理论循环中，假定工质的比热容为定值，而在实际上空气和燃气具有其比热容随温度的上升而增大的性质，其结果是使循环热效率和平均压力有所降低。

(2) 换气损失

理论循环假定研究的体系是封闭的，以向冷源定容放热代替排气过程，即不考虑进气和排气过程，无需进行工质的替换。但事实上，燃烧废气的排出和新鲜空气的吸入是维持实际循环得以周而复始地进行所必不可少的。在换气过程中，排气门必须提前打开，让废气在下止点前便利用本身的压力排出，这将使有用功面积有所减少；接下去进行排气和进气过程时，由于进排气系统的流动阻力，又需要消耗一部分功，这俩者之和就是实际循环的换气损失。

(3) 传热损失

在理论循环中，假定构成循环的各过程是可逆的，即假定燃料与气缸盖、活塞顶、气缸壁、进排气阀等受热件完全没有热交换。但在实际循环中，汽缸壁（包括汽缸套、汽缸盖、活塞、活塞环、气门、喷油嘴等）和工质之间始终存在着热量的交换，特别是在燃烧和膨胀期间具有强烈的传热损失，减少了有用功的面积；另一方面，在压缩过程初期，由于汽缸壁温度较高而使工质加热，而在压缩过程后期，随着工质温度超过汽缸壁温度便发生了从工质向汽缸壁相反的热量传递。此外，由于工质比热容的变化以及工质与汽缸壁之间的热量交换，是实际的压缩过程和膨胀过程不是绝热的，而是按照平均多变指数进行。

(4) 燃烧损失

燃烧损失包括时间损失和后燃及不完全燃烧损失两项： (a)时间损失

在时间概念上，理论循环假定活塞以无限缓慢的速度运动，以保持汽缸内的工质始终处于平衡状态，并且假定由热源向工质进行等容加热的速度极快，是瞬时完成的。在等压加热时，加热的速度又能与活塞的速度密切配合，以实现等压加热。但是，实际柴油机的活塞都具有相当高的运动速度，而且燃料着火至完全燃烧需要一定的时间。为了使整个燃烧过程能在上止点后不久即结束，以保证燃料输入的热量能充分的膨胀而有效利用，实际上总是将燃料提前喷入汽缸，以使着火能在上止点以前开始，其结果增加了压缩消耗功；此外，由于燃烧期间存在着传热损失，活塞的高速运动以及不完全燃烧现象，使循环最高压力和初期膨胀比有所降低，减少了膨胀有用功。

(b) 后燃及不完全燃烧损失

在理论循环中，全部热量是在Z点以前输入完毕，然后转入绝热膨胀过程。但是在实际循环中，当接近Z点时，由于氧气浓度的降低而引起燃烧速度下降，因而直到膨胀线以前还在继续燃烧着，这就是所谓的后燃现象。后燃期间热功转换的效率，由于膨胀比小和

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传热损失大而大大下降，造成了燃烧中的后燃损失，使燃烧膨胀线位置下移。此外，由于空气不足，或者混合气形成不良多引起的不完全燃烧，使燃料的热值未得到充分利用，这也促使燃烧膨胀线下移，产生不完全燃烧损失。

(5) 气流运动及泄露损失

活塞的高速运动使工质在汽缸内产生涡流而造成压力损失。当采用分开式燃烧室时，工质在主、副燃烧室之间的流入和喷出将引起强烈的节流损失。但这些损失由于气流运动对混合气形成和燃烧的改善可以部分地弥补过来[7]。

活塞环在往复运动中不可避免地会造成少量工质的泄露，而产生泄露损失。以上各项损失中，除了工质影响这一项人们很难加以改变外，使实际循环遭受较大损失的是传热损失和燃烧损失。因此，对四冲程的柴油机来说，理论循环的热效率一般可达60%左右，但是，由于各项损失的存在，使实际循环的的热效率一般仅为40%左右，即实际循环的热效率约为理论循环的70%左右。

2.3 热力学计算即求平均指示压力

在进行柴油机的热计算时，常用分析法求出平均指示压力[2]。因为，进行设计柴油机的热力计算时，柴油机还没有制造出来，当然无法量取示功图。有时连计算的示功图也没有画出来，这时分析方法就显得方便些。平均指示压力pmi的计算分为两步：第一步先求出理论示功图的平均指示压力的值的丰满系数?，得出近似实际值

'pmi；第二步再将理论平均指示压力的值

'pmi乘以示功图

pmi[8]

。

图2-2 理论示功图

'(1) pmi值的计算

在图2-2的理论示功图上，一个循环的理论指示功Wi'为

Wi'?Wyz?Wzb?Wac （2-5）

由热力学知

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Wyz?pzVz?pzVc?pzVc(Vz为前膨胀比 VcWzb?Vb为后膨胀比。 VzWac?pcVcVpV1[1?(c)n1?1]?cc(1?n1?1) n2?1Van1?1?pzVzV??1[1?(z)n2?1]?pcVc(1?n2?1) n2?1Vbn2?1?Vz?1)??pcVc(??1) Vc式中，?pc?pz;??式中，??式中??Va为压缩比。 Vc将上列Wyz、Wzb及Wac的式子代入式（2-5）中得

Wi'?pcVc[?(??1)???n2?1(1?1?n2)??111(1?n?1)]Kg?m/n （2-6） n1?1?1上式等号两层各以Vs相除并以

V1代c，得 ??1Vsp'miWi'p??111??e[?(??1)?(1?n2?1)?(1?n1?1)]kg/m2 Vs??1n2?1n1?1?? （2-7）

'式（2-7）为四冲程等容-等压混合循环的理论平均指示压力pmi的计算式。这一式子对

增压柴油机和非增压柴油机都是适用的。

''上述的pmi计算式是以气缸的单位工作容积为准，而与气缸的几何尺寸无关，所以pmi是

便于作为各种气缸尺寸的柴油机相互间进行比较的依据[9]。

(2) 示功图的丰满系数?及pmi值

由图2-2可以看出，理论示功图（带方棱的实线部分）大于实际示功图（图中虚线部分），主要是由于：

(a) cyz部分圆整所损失的面积。这是由于喷油不是在上止点，而是有一定的喷油提前角；燃烧也不是瞬时完成，而是需要延续一定时间所引起的。

(b) ba部分圆整损失的面积。这是由于排气阀开启不是在下止点，而是在下止点前提前开启所引起的。

实际示功图面积Fp与理论示功图面积FT之比叫做示功图丰满系数?，即

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