發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程的研究

李忠濤重慶交通大學(xué)

發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程的研究

李忠濤
重慶交通大學(xué)

首先，通過分析四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)3個(gè)理論循環(huán)過程，得出循環(huán)熱效率和循環(huán)平均壓力兩個(gè)指標(biāo)的影響因素。然后，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)過程中進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個(gè)過程的研究，以及對(duì)柴油機(jī)的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)的差異分析，總結(jié)了影響發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)過程中損失的因素。最后，強(qiáng)調(diào)了分析發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率具有重要意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)；理論循環(huán)；實(shí)際循環(huán)；熱效率

前言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，家用轎車和工程機(jī)械的數(shù)量在不斷地增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2014年，我國民用汽車擁有量為14598.11萬輛。其中，不管是家用轎車還是工程機(jī)械，它們核心部件是發(fā)動(dòng)機(jī)，可以說發(fā)動(dòng)機(jī)是它們的心臟。同時(shí)，任何發(fā)動(dòng)機(jī)都有各自的工作循環(huán)過程，這個(gè)循環(huán)過程有理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)過程?，F(xiàn)階段，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)過程的差異比較大，造成了發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)效率比較低。為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)和減少與理論循環(huán)指標(biāo)的差距，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過程對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率就顯著尤為重要。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程簡介

1.1理論循環(huán)過程

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中的過程是十分復(fù)雜的，為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定量分析，將它的實(shí)際工作過程加以簡化，得出了發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)過程。在討論發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)過程是必須要對(duì)實(shí)際過程進(jìn)行簡化，假設(shè)條件如下：①假設(shè)汽缸內(nèi)的工質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下為理想氣體，在整個(gè)循環(huán)過程中工質(zhì)的性質(zhì)不發(fā)生變化，比熱容為固定值，且數(shù)量不變，即不考慮進(jìn)、排氣過程，且忽略漏氣的影響；②假設(shè)在壓縮和膨脹過程均是絕熱過程，不考慮熱損失；③假設(shè)燃燒過程為等容或等壓過程，且循環(huán)過程為可逆循環(huán)。

1.1.1三種基本理論循環(huán)過程

發(fā)動(dòng)機(jī)有三種基本理論循環(huán)過程，即：等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)中，這三種理論循環(huán)過程均只研究壓縮和燃燒過程。1）對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其油氣混合氣燃燒速度快，導(dǎo)致其氣缸內(nèi)的溫度和壓力增長迅速，所以認(rèn)為其燃燒過程基本上是在容積不變的條件下進(jìn)行的，即可簡化為等容加熱循環(huán)。2）對(duì)于高增壓和低速大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，由于受到燃燒最高壓力的限制，大部分燃料是在活塞到達(dá)上止點(diǎn)以后燃燒的，所以認(rèn)為其燃燒過程基本上是在壓力不變的條件下進(jìn)行的，即可簡化為等壓加熱循環(huán)。3）對(duì)于高速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來說，其燃燒過程可以認(rèn)為是先等容加熱、后等壓加熱的組合，即可簡化為混合加熱循環(huán)。

1.1.2影響循環(huán)熱效率和循環(huán)平均壓力的因素

根據(jù)工程熱力學(xué)的知識(shí)，可以得出影響循環(huán)熱效率和循環(huán)平均壓力的因素。

循環(huán)熱效率ηt的影響因素。1）壓縮比ε：在其他條件不變的情況下，隨著壓縮比的增加，等容加熱循環(huán)、等壓加熱循環(huán)和混合加熱循環(huán)這3種理論循環(huán)過程的熱效率均提高。2）絕熱指數(shù)k：在其他條件不變的情況下，隨著k值的增大循環(huán)熱效率ηt提高。3）壓力升高比λ和預(yù)脹比ρ：等容加熱循環(huán)中，隨著壓力升高比λ的增加循環(huán)熱效率ηt不變；等壓加熱循環(huán)中，隨著預(yù)脹比ρ的增大循環(huán)熱效率ηt減?。换旌霞訜嵫h(huán)中，壓力升高比λ越大循環(huán)熱效率ηt越大，預(yù)脹比ρ越大循環(huán)熱效率ηt越小。

1.2實(shí)際循環(huán)過程

在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作中，燃料燃燒的熱能連續(xù)不斷地通過工質(zhì)的膨脹轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，這種循環(huán)過程就是實(shí)際循環(huán)過程。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)過程較理論循環(huán)過程復(fù)雜的多，包括了進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個(gè)工作過程，故在實(shí)際循環(huán)過程中存在著許多的能量損失，且相較理論循環(huán)過程的循環(huán)效率也低得多。

①進(jìn)氣過程。將外界新鮮空氣吸入汽缸的過程。在進(jìn)氣過程中，曲軸旋轉(zhuǎn)通過連桿帶動(dòng)活塞自上止點(diǎn)移向下止點(diǎn)，由于存在進(jìn)氣提前角，在活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣門便開啟，同時(shí)由于排氣遲后角，在活塞離開上止點(diǎn)后，排氣門關(guān)閉。

②壓縮過程。將汽缸內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行壓縮增溫增壓的過程。在壓縮過程中，曲軸旋轉(zhuǎn)通過連桿帶動(dòng)活塞自下止點(diǎn)移向上止點(diǎn)，進(jìn)、排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，工質(zhì)被壓縮，其壓縮程度用壓縮比ε表示。對(duì)工質(zhì)進(jìn)行壓縮的目的是使工質(zhì)獲得最大的膨脹比，提高循環(huán)的熱效率，為燃燒過程創(chuàng)造良好的燃燒條件。一般來說，柴油機(jī)的壓縮比為16～20，汽油機(jī)的為6～9。

③燃燒過程。將工質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程。在燃燒過程中，進(jìn)、排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞在上止點(diǎn)附近。事實(shí)上，無論是柴油機(jī)還是汽油機(jī)，燃燒都不是瞬時(shí)完成的，因此還存在非瞬時(shí)燃燒。

④膨脹過程。將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程。在膨脹過程中，曲軸旋轉(zhuǎn)通過連桿帶動(dòng)活塞自上止點(diǎn)移向下止點(diǎn)，進(jìn)、排氣門均處于關(guān)閉狀態(tài)，汽缸內(nèi)工質(zhì)的壓力和溫度不斷下降。膨脹過程是一個(gè)非常復(fù)雜的多變過程，而且還進(jìn)行補(bǔ)燃，存在著多種損失。

⑤排氣過程。將汽缸內(nèi)的廢氣排出到外界當(dāng)中的過程。在排氣過程中，曲軸旋轉(zhuǎn)通過連桿帶動(dòng)活塞自下止點(diǎn)移向上止點(diǎn)，由于存在排氣氣提前角，在活塞接近下止點(diǎn)時(shí)，排氣門便開啟，同時(shí)由于進(jìn)氣遲后角，在活塞離開下止點(diǎn)后，進(jìn)氣門關(guān)閉。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的差異

發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)存在著很大的差異，主要體現(xiàn)在實(shí)際循環(huán)相較理論循環(huán)存在著各種損失。

2.1工質(zhì)變化引起的損失。在實(shí)際循環(huán)中，由于汽缸內(nèi)工質(zhì)的組分、比熱和數(shù)量是不斷變化的，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生部分損失。

2.2換氣損失。將外界新鮮空氣吸入汽缸和將汽缸內(nèi)廢氣排出的過程中存在的損失。換氣損失包括自由排氣損失和強(qiáng)制排氣損失。

2.3非瞬時(shí)燃燒和補(bǔ)燃損失。在燃燒過程中，由于燃燒的非瞬時(shí)性，致使燃燒存在一定的延時(shí)，因此存在非瞬時(shí)燃燒損失；在膨脹過程中，由于存在補(bǔ)燃，形成了補(bǔ)燃損失。

2.4傳熱損失。在實(shí)際循環(huán)中，由于壓縮和膨脹過程均不是絕熱過程且為復(fù)雜的多變過程，工質(zhì)始終通過機(jī)體與外界進(jìn)行熱交換，使循環(huán)功降低，即傳熱損失。

在各種損失中，損失最大的是燃燒和傳熱損失。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的理論熱效率約為60%，由于各種損失的存在，導(dǎo)致柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際熱效率僅為40%左右。由此可見，通過研究發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)過程來找出循環(huán)過程中的各種損失，從而尋找最佳的解決方案，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有著非常重要的意義。

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