8柴油机工作循环
本次课2课时内容1、柴油机工作循环思考与分析1、柴油机有哪两种示功图，各有何用途？2、二冲程柴油机与四冲程柴油机的p-V示功图有何不同？3、理想循环有哪几点假定？柴油机的理想循环有哪四种？4、分析三种加热循环的热效率。5、分析pz、t、 在不同理想循环的关系。,1,第八章 柴油机工作循环和主要性能指标,2,第一节 柴油机的工作循环,一、柴油机的两种示功图 二、柴油机的理想循环 三、柴油机的实际循环 1换气过程 2压缩过程 3燃烧过程 4膨胀过程,3,第八章 柴油机工作循环和主要性能指标（P199）柴油机是将燃料的化学能转变为热能，并将热能转变为机械能的动力机械，而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。因此，工作循环完成的情况将直接影响到能量转换的完善程度，而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参数。本章将对工作循环及工作过程进行分析和研究，从而了解影响柴油机性能的主要因素，掌握提高其性能的基本途径和具体措施。 第一节 柴油机的工作循研究柴油机气缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映缸内实际情况的实验数据。最常用的是测量气缸的压力，因压力容易测量，且测得工质压力后，利用热力学的基本公式，能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数，可进行循环分析。,4,一、柴油机的两种示功图表示气缸内工质压力变化的图形叫示功图。示功图有p-V示功图和p-示功图两种形式，,draa为进气过程。ac为压缩过程。cze是燃烧过程。eb为膨胀过程。bbrr是排气过程。drr为进、排气阀重叠开启、燃烧室扫气阶段。上面的环形面积faczebbf表示工质从压缩行程到膨胀行程作的正功（向外输出）。下面的环形面积fdrr'f代表工质在进、排气行程中作的功，在增压柴油机中亦为正值；,1p-V示功图 气缸内的工质压力随气缸容积变化的图形叫p-V示功图，又称压力容积图，亦可视为压力与活塞位置的函数关系。（1）增压柴油机p-V示功图曲线包围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，故习惯上称为示功图。,（2）非增压四冲程柴油机的p-V示功图图中，环形面积aafrrda为负功，即消耗功，（因为进气压力线rda在排气压力线brr下面）。此负功在柴油机循环的分析中称泵气损失。,（3）二冲程柴油机的p-V示功图。进、排气过程没有占用单独的活塞行程，因而也没有相应的环形面积。b、a排气口开启、关闭。d、g扫气口开启、关闭。bdfga进、排气过程。aczebfa面积代表工质在一个循内对外作的功。,7,2p-示功图 气缸内的工质压力随曲轴转角变化的图形叫p-示功图。p-V示功图不适于研究燃烧过程，因为燃烧过程发生在上止点附近，此时活塞运动速度（相当于气缸容积变化速率）很慢，难以从p-V图上看出这一区间内压力变化的特点。以曲轴转角为横座标，把上止点附近的压力变化图形展开，故又称展开示功图，在柴油机性能研究中得到广泛的应用。,p-示功图由于它主要用于分析燃烧过程，故只画出了压缩与膨胀行程部分，即360。b为排气阀开启时刻。a为进气阀关闭时刻。其他点与P-V图相同。增压与非增压柴油机有类似的图形。二冲程柴油机的p-示功图也与此基本相同。必须指出，p-示功图曲线下的面积不能直接代表工质在一个循环内对活塞作的功，需经一定的数学运算才能求出。,二、柴油机的理想循环 在柴油机中，为了连续实现燃料化学能热能机械能的转换，需不断重复由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的循环，其实际进行情况十分复杂。 为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机循环，需将实际循环理想化和抽象化。基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环。1、理想循环的几点假定（1） 工质为理想气体。其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。在整个循环中，比热和化学成分不变。燃料的燃烧过程用外界热源向工质加热过程代替，其方式可以是定容、或定压、或定容与定压混合过程；（2）循环为闭口体系。不更换工质，其数量也不变，故无进、排气过程与气体的漏泄；（3）压缩与膨胀过程为绝热过程。与外界没有热交换，也不存在摩擦；（4）废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源放热过程代替。 因此，这样的理想循环是一个闭口体系的可逆热力循环。在能量转换过程中只有冷源损失，对四冲程和二冲程柴油机都适用。由于对工质所作的假定，有人称它为空气标准循环。,2、柴油机的四种理想循环 （1）等容加热循环如图所示： 等容加热循环的热效率用t表示，即压缩比，K工质的绝热指数,从公式中可以明显看出，等容加热循环的热效率只与压缩比和绝热指数K有关，公式中不包含压力升高比 （ =Pz/Pc），因此，等容加热循环的热效率与吸热量无关。也就是与负荷的大小无关。,k-1,t,= 1 ,1,ac绝热压缩。cz等容吸热。zb为绝热膨胀过程。ba等容放热。,当压缩比超过10时， t的提高速度巳很缓慢，但循环的最高压力Pz却增加了很多，造成了柴油机机械负荷的增大。因此不能采用太大的压缩比。 汽油机属点燃式内燃机，燃油的燃烧迅速、及时，这个过程可简化为等容加热循环。一般汽油机的压缩比为6.59。目前也有达到10的。,图中曲线表示等容加热循环的热效率t和最高压力Pz与压缩比和绝热指数K的变化关系。图中可以看出绝热指数k的变化对t的影响不大，而t随压缩比的增大而提高。,（2）等压加热循环如图所示：ac绝热压缩。cZ等压吸热。zb为绝热膨胀过程。ba等容放热。 等压加热循环与等容加热循环不同之处仅是吸热过程全部是在等压下进行的。,等压加热循环的热效率亦用t表示，式中 初膨胀比 ( =Vz/Vc） 从公式中可以看出，等压加热循环的热效t与压缩比绝热指数k和初膨胀比有关。图10一4所示为t与、k、的变化关系。t随着与k的增大而提高，随的增大而下降， 值标志着负荷的大小。因此，按等压加热循环工作的内燃机热效率随负荷的增大而下降。要提高按等压加热循环工作的内燃机热效率可以通过提高来实现 高增压及低速柴油机的工作过程可简化为等压加热循环。,(3) 混合加热循环 混合加热循环如图所示, ac绝热压缩。cz等容吸热。zz等压吸热。zb为绝热膨胀过程。ba等容放热。在混合加热循环中，吸热过程一部分是在等容下进行的，另一部分是在等压下进行的，放热则只在等容下进行。,混合加热循环的热效率为t, 从公式可以看出，混合加热循环的热效率t不仅与压缩比 和绝热指数k有关,而且还与初膨胀比压力升高比以及在等容与等压下吸热量的分配有关。,15,图中虚线表示初膨胀比 为常数时t, 随 和吸热量变化的曲线。当 增大时， t随着提高。 一般中、高速柴油机(即大多数渔船柴油机)，燃油于上止点前喷入气缸，靠压缩自行发火。喷入气缸的燃油可能在上止点前后开始燃烧，并使气缸内气体温度和压力急剧升高，而在发火后陆续喷入的燃油因随喷随燃致使缸内温度，压力处于均势。因此，这类柴油机的工作可简化为由等容和等压加热组合而成的混合循环。,混合加热循环 t与 、的关系曲线AB表示在压缩比 为常数，等容吸热量与等压吸热量之和(即总吸热量)等于定值的情况下，热效率t随压力升高比 之间的关系。从图上可以看出，热效率t随 的减小而提高。点相当于 1，是混合加热循环的一个极端情况，即等压加热循环。而点相当于 1，是混合加热循环的另一个极端情况，即等容加热循环此时t最大。,（4）继续膨胀混合加热循环工质由z点一直膨胀到循环始点a的压力pa，然后定压放热（fa），定压放热量为Q2p。热效率和平均理论压力公式见表8-1。,若在柴油机气缸内实现这种循环，气缸势必做得很长。故令膨胀分两步完成：z-b在气缸内，b-f在燃气涡轮内。它相当于柴油机与燃气涡轮联合装置的工作。如果涡轮直接带动压气机进行增压，则理想循环略有改变（图8-6）：压缩过程亦分压气机内压缩ao-a和柴油机内压缩a-c两步。此即脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环，热效率公式只要将式 (8-4）中的换为总压缩比 即可。,分析表8-1中各式可得出如下重要结论：（1）加大压缩比由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，故热效率t增加，但其提高率随加大而逐渐降低，而循环最高压力pz迅速上升。因而对t和机械负荷均有较大影响。,（2）如果其他条件不变，只增大，则循环最高温度增高，循环温差扩大，t提高，但pz亦升高。若仅是加大，则工质膨胀不充分，膨胀终点压力、温度均升高，t下降。在混合加热循环中，当加热量一定时，若上升，即定容加热量增多，必然下降（定压加热量减少），故t、pz增高。反之则t、pz降低。混合加热循环中、的分配反映加热规律，即燃烧规律。由上述分析可知，燃烧不仅要“完全”，还应靠近上止点的区间，即“及时燃烧”。 综合上述和对t的影响不难看出，提高循环最高压力pz是改善经济性的有效措施。,20,（3）柴油机在理想情况下对热量的最大利用率可用各类理想循环的t表示，按其实际使用的压缩比计算为0.7左右。在实际上虽然达不到，但可作为改进柴油机性能的根据。 （4）提高pz、和t均可加大平均理论压pt。pz、pt与柴油机进气总管压力pa成正比，因而采用增压以提高充入气缸的空气压力能够加大pt。,3、三种加热循环热效率比较 。（1）压缩比及加热量相同时的循环热效率比较 。图中各过程曲线下方的面积代表了该过程的吸热量或放热量。曲线cz下方的面积代表等容加热循环的吸热量。cz下方的面积即代表混合加热循环的吸热量。cz下方的面积则代表等压加热循环的吸热量。在吸热量相同的情况下，这三块面积应相等。图中代表等容加热循环放热量的曲线ab下面的面积，比代表等压加热循环放热量的曲线ab下面的面积和代表混合加热循环放热量的曲线ab下面的面积都要小。因为q1定容q1混合 q1定压，而q2相同，所以t定容t混合t定压。 t=1- q1/q2,（2）最高爆发力及加热量相同时的比较 接近实际情况的比较，应是在最高压力及加热量相同的条件下进行。当然，那时压缩比就不相同了。图中，等压加热循环的散热量最少，故热效率最高，混合循环次之，等容加热循环的热效率最低。 上述的理想循环是根据一些假设条件形成的，而与实际循环有较大差别。在考虑实际问题时，需要对分析的结论加以实践的检验和修正。,本次课3课时内容1、柴油机的实际循环2、提高柴油机功率和经济性的措施3、柴油机的热平衡思考与分析1、柴油机的实际循环和理想循环之间的差别有哪些？2、名词解释：残余废气系数、 p-V示功图、 p- 示功图、有效压缩比、充气系数、扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数、过量空气系数3、分析压缩比对柴油机性能的影响。4、分析实际与理论燃烧过程的区别。5、分析对柴油机性能的影响。,三、柴油机的实际循环1、柴油机的实际循环和理想循环的差别。 （1）实际循环是一个开口热力体系，而不是闭口热力体系。因为它需通过进、排气过程更换工质排出废气，吸进新鲜空气，以保证循环反复进行。这样，工质性质会改变，且存在流动阻力损失。（2）关于加热与放热过程不同。对工质的加热实际上是将燃油喷入气缸燃烧，将燃油的化学能转变为工质的热能，使其温度升高。因而存在不完全【燃烧】损失。由于燃烧速度的有限性（尽管很大）以及与活塞运动速度不一致，故燃烧过程中的压力、容积均在改变，燃烧亦会延续到膨胀过程。放热乃伴随废气排出进行。（3）工质的数量和成分变化，这是由进、排气过程更换工质、燃烧、高温分解与低温复合作用以及漏气等原因造成的。比热亦随工质的成分和温度而变。,
