柴油机的工作循环Word下载.docx

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上面的环形面积faczeb'

bf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；

但在非增压四冲程柴油机的p-V示功图（图1-4-2）中，此功（即环形面积a'

afr'

rda'

）为负，即消耗功，（因为进气压力线rda'

在排气压力线br'

r下面）。

此负功在柴油机循环的分析中称泵气损失。

图1-4-3为二冲程柴油机的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。

图中，b、a－排气口开启、关闭，d、g－扫气口开启、关闭，bdfga－进、排气过程。

环形面积aczebfa代表工质在一个循内对外作的功。

图1-4-3二冲程柴油机的p-V示功图

2．p-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。

若以曲轴转角为横座标就清楚了，这等于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。

图1-4-4四冲程柴油机的p-示功图

图1-4-4为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，其他点号与图1-4-1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。

上述两种示功图均可用电子示功器测出，活塞位移与曲轴转角两者可互相转换。

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，对它作了如下几点假定：

（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。

图1-4-5柴油机的四种理想循环

柴油机的理想循环有四种（图1-4-5）：

（1）定压加热循环（图a）。

此循环只有定压加热过程2-3而没有定容加热过程。

现代高增压柴油机为防止pz过高，限制NOx的排放又要求功率大而采用定压燃烧方式工作的柴油机，即近似按此循环工作。

理论热效率t和平均理论压力pt公式见表1-4-1。

（2）定容加热循环（图b）。

与混合加热循环的区别是只有定容加热过程5-6而没有定压加热过程。

减功率经济（低油耗）型柴油机或柴油机在部分负荷工作时，即近似按此循环工作。

图1-4-6脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环图

（3）混合加热循环（图c）。

其过程包括：

1-8——绝热压缩，8-9-10——混合加热（定容加热8-9和定压加热9-10），10-11——绝热膨胀，11-1——定容放热。

一般柴油机按此循环工作。

（4）继续膨胀混合加热循环（图d）。

工质由11点一直膨胀到12，此时压力与循环始点1的压力pa相等，然后定压放热12-1。

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：

10-11在气缸内，11-12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1-4-6）：

压缩过程亦分压气机内压缩10-1和柴油机内压缩1-8两步。

此即脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环，热效率公式只要将换为总压缩比即可。

上述四种理想循环亦可依次称为狄塞尔（Diesel）循环、奥托（Otto）循环、萨巴蒂（Sabathe）循环和修正的阿特金逊（Atkinson）循环。

表1-4-1柴油机理想循环的t和pt

循环名称

t

pt（MPa）

混合加热

定容加热

定压加热

继续膨胀混合加热

符号说明

——压缩比；

——压力升高比；

——初期膨胀比；

k——工质绝热指数（空气k=1.4）；

——循环始点a的压力（MPa）

分析表1-4-1中各式可得出如下重要结论：

图1-4-7理论热效率的影响因素

（1）加大，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。

由混合加热循环的t公式可知，循环热效率t随着压缩比及压力升高比=pz/pc的升高而提高。

图1-4-7表示热效率t与压缩比和压力升高比的关系。

由该图可看出：

①当一定时，t随pz的提高而升高，随的提高而升高。

②当一定时，要提高t，必须提高pz和。

③当pz一定时，提高，则t也提高。

但随的增大，t提高的速率下降。

近年，提高最高爆发压力pz是提高理论热效率t，提高柴油机的经济性的基本措施之一。

目前，新型柴油机随着pz的提高，也随之升高。

（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”，还应在靠近上止点的区间发生，即“及时”。

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。

要比较混合加热循环、定容加热循环和定压加热循环三种循环，哪种效率高，应用分析计算法较困难，同时也不全面。

最简单的方法就是在T-S图上作定性比较。

图1-4-8不变的T-S图

（1）对某既定柴油机而言：

不变。

见图1-4-8。

三种循环不变，绝热压缩线1-2不变，放热q2相同。

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。

（2）对设计新柴油机而言：

pz、Tmax相同。

见图1-4-9因为q1定压q1混合q1定容，而q2相同，所以t定压

t混合t定容。

以上热力学结论对改进柴油机性能有重要指导意义，但用于实际柴油机时应注意考虑实际因素的限制，权衡利弊，综合分析而定。

自由排气阶段。

当排气阀开启时，气缸压力远高于排气管压力，排气管压力与气缸压力之比小于临界值，气体流动为超临界流动，气缸内废气在超临界压比作用下以当地音速流过排气阀最小截面处。

气缸压力迅速下降，排气管压力上升。

当排气管压力与气缸压力比大于临界压比时，气体流动转入亚音速流动阶段。

到某一时刻，气缸压力接近于排气管压力，自由排气阶段即告结束。

强制排气阶段。

活塞上行将气缸内的废气强制推挤入排气管的阶段，即为强制排气阶段。

由于排气阀延迟关闭，此阶段末尾可利用排气管中废气的流动惯性把气缸内的废气继续吸出。

进气过程。

进气阀提前开启，气缸中废气压力低于进气管进气压力时开始进气。

进气流具有一定惯性。

进气阀滞后关闭可使气柱的动能转化为压力能，使进气终了时气缸压力接近或略高于进气管压力。

气阀叠开和燃烧室扫气过程。

在气阀叠开期间，进气管、燃烧室和排气管连通起来，当进气管中压力比排气管内压力高时，新鲜空气进入气缸，驱赶残留在燃烧室中的废气并一起进入排气管。

这既有利于清扫残余废气，增加新鲜空气充量，也有利于降低燃烧室部件冷却液难以冷却到的高温壁面的温度。

但是应该指出，气阀叠开角并不是大的就好，因为进气阀开启过早，会造成废气倒冲入进气管；

排气阀关闭过迟，过量的扫气空气会增加增压空气的消耗，会降低涡轮前的排气温度，减少增压器涡轮获得的可用能，使柴油机的油耗率增加。

在换气过程中，新鲜空气与废气是不相掺混的。

因此，四冲程柴油机的换气质量较高。

图1-4-11二冲程柴油机的换气过程曲线

2）二冲程柴油机的换气过程

图1-4-11示出二冲程柴油机换气过程曲线图。

根据缸内气体压力变化的特点，可把换气过程分成三个主要阶段。

第一阶段：

自由排气阶段（B→R）

在膨胀冲程的末尾，下行的活塞把排气口打开（B点），此时气缸内的压力pb比排气管中的压力pr高得多，pr/pb之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气口进入排气管。

超临界流动持续到pr/pb之比值等于临界值的K点。

此后废气以亚临界速度自由排出气缸。

当气缸内压力约等于扫气箱空气压力ps时（即R点），自由排气阶段结束。

如图所示，扫气口刚打开时（D点），气缸压力仍略高于扫气压力。

但因压差不大而时间很短，倒流可忽略。

如果排气不畅、排气阀开启正时偏迟，废气倒冲就会变严重，甚至可能引起扫气箱着火。

第二阶段：

强制排气和扫气阶段（R→C）

此阶段开始时，由于扫气口开度小，排气口已开得很大，气缸中废气正以很高流速流入排气管，气缸内压力继续迅速降低。

由于废气流的惯性作用，气缸内压力进一步降低。

然后，随着扫气口开度的增加，扫气大量进入，气缸中压力逐渐升高。

在扫气口关闭而结束此阶段前，气缸内压力趋于稳定。

在本阶段中，主要是利用扫气空气进入气缸把气缸内的废气排挤出去，故称为强制排气及扫气阶段。

第三阶段：

过后排气阶段（C→E）

活塞上行先关闭扫气口（C点）。

此时，气缸中的残余废气掺混部分新鲜空气经由仍然开启的排气口（阀）继续排入排气管，直至排气口（阀）于E点关闭。

在E点之后，气缸内开始进行压缩过程。

二冲程柴油机换气的持续时间约为120˚～150˚曲轴转角，而四冲程柴油机实现换气过程所占的时间则相当于400˚～500˚曲轴转角。

如果转速相同，则二冲程柴油机的换气时间只有四冲程柴油机的大约1/3。

因此二冲程柴油机进行完善的换气较困难，高、中速柴油机尤其困难。

3）时面值、角面值

在一次换气过程中各个阶段气口或气阀的通流能力是以它们所拥有的时面值来衡量的（f为气口或气阀瞬时通流面积，t1与t2为各个阶段开始与终了时刻）。

它不仅考虑了气口或气阀开启面积的大小，还同时考虑了开启时间的长短。

由于,。

（1与2为与t1和t2相对应的曲柄转角，为气口或气阀的几何通流面积随曲柄转角变化的规