往复式内燃机的动力循环优化

在往复式内燃机中，燃料直接在气缸中燃烧，工质的一系列热力过程都是在气缸内完成的，由于这种动力装置具有热效率高、功率范围广、便于移动等特点，因此被广泛地用作各种运输车辆、舰船和发电站的原动机。

内燃机中的工质由于燃烧发生了化学变化，不可能再回到它原来的状态。所以，内燃机的往复运动虽然属于机械循环工作的，但不是按热力循环工作的。由于工质的化学变化及部件间的摩擦和传热等因素，内燃机的实际工作过程极其复杂，难于分析和找出提高热效率的途径。在热力学中，常把内燃机的实际工作过程简化为理想的热力循环，然后对该循环进行热力计算和分析。

往复式内燃机的进气、压缩、燃烧和膨胀、排气四个工作过程是由活塞在四个行程内完成的，称为“四冲程内燃机”，在两个行程内完成的，称为“二冲程内燃机”。

一、机械喷射式柴油机工作过程的理想化

内燃机气缸中工质的压力随体积变化的关系可用示功图表示。图10-1为四冲程机械喷射式柴油机的实际示功图。

在图10-1中：0—1线表示吸气过程。由于阀门的阻力，吸入气缸内空气的压力略低于大气压力pb。

1—2线表示压缩过程。在过程的前一阶段，高温气缸壁对新鲜空气加热，q＞0，压缩过程的多变指数n＞κ；而后一阶段，被压缩后的空气温度高于气缸壁的温度，则空气对气缸壁放热，即q＜0，n＜κ。在一般情况下，压缩过程的平均多变指数n＝1.34～1 37；终点的压力为4～14MPa（目前，大型船用增压低速二冲程柴油机，终压可达13 MPa）；终点的温度超过燃油的自燃点（柴油的自燃点是335℃左右），达600～700℃，燃油喷入后即能自行燃烧。

图10-1 机械喷射式柴油机的示功图

2—3—4—5线表示燃烧和膨胀过程。其中2—3—4线表示燃烧过程，4—5线表示膨胀过程。在压缩过程终了前，一部分燃油就由高压油泵提前喷入气缸，当压缩过程终了时，这部分雾化很好的燃油已被高温空气加热而迅速燃烧，因而活塞在上止点附近运动速度很小的情况下，气缸中的压力迅速上升到6～17MPa（大型船用增压低速二冲程柴油机的最高爆压可达15MPa），接近于定容过程。随后喷入的雾化燃油陆续燃烧，而活塞离开上止点向下移动，两者的综合效果表现为压力基本不变，接近于定压过程。燃烧过程终了时燃气的温度可达1400～1800℃。高温高压燃气推动活塞向下止点移动，进行膨胀作功。和压缩过程相类似，膨胀过程也是一个多变过程，平均多变指数n一般为1.2～1.38。膨胀终了的废气压力为0.25～0.45MPa。

5—6—0线表示排气过程。活塞处于下止点附近时，排气阀打开，废气排入大气中，气缸内压力迅速下降到略高于大气压力，而活塞几乎没有移动，如图中5—6线所示；活塞转过下止点后继续向上止点移动，将气缸中的废气排入大气中。由于排气系统的流动阻力，6—0线表示排气压力略高于大气压力。

综上所述，内燃机从大气中吸入新鲜空气，经过压缩、燃烧和膨胀作功后，以废气的形式排回大气中，下一个循环需要重新吸入新鲜空气。过程本身并不是一个封闭循环，加之实际的进气、排气以及燃烧过程都是不可逆过程，只有进行简化，才能形成理想循环，具体简化原则为：

（1）不计吸气和排气过程，将内燃机的工作过程看做是气缸内工质的状态进行变化的封闭循环。示功图10-1中0—1线和6—0线为进、排气的质量变化过程，工质的状态几乎没有改变。进气过程中工质对活塞作的功与排气过程中活塞对工质作的功近似相等而抵消，因此，可以取消这两个过程对循环热效率的影响。

（2）把燃烧过程看做是外界对工质的加热过程，并认为2—3是定容加热过程，3—4是定压加热过程，假定整个循环中工质化学成分不变，比热容也不变。

（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量交换，近似地认为是绝热过程。

（4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过程。工质从膨胀终点定容放热，压力降低，直到压缩始点，完成一循环。

作上述简化以后，可以得到内燃机的理想热力循环。图10-2为机械喷射式柴油机理想热力循环的p-υ图和T-s图。该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“混合加热循环”，也称“萨巴太循环”。图中1—2为绝热压缩过程；2—3为定容加热过程；3—4为定压加热过程；4—5为绝热膨胀过程；5—1为定容放热过程。

图10-2机械喷射式柴油机理想循环的p-υ图和T-s图

二、内燃机的特性参数及混合加热理想循环各典型点的状态参数

表征内燃机特性的有下列参数：

（1）压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，它是表征内燃机工作体积大小的结构参数。可表示为

ε＝υ1/υ2

（2）定容升压比：定容加热后的压力与加热前的压力之比，它是表示内燃机定容燃烧情况的特性参数。可表示为

λ＝p3/p2

（3）定压预胀比：定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。可表示为

ρ＝υ4/v3

对照图10-2，混合加热理想循环中各典型点上的状态参数，可以表示为初态参数及循环特性参数的函数。

1—2为定 过程，有

2—3为定容加热过程，有

3—4为定压加热过程，有

4—5为定熵过程，5—1及2—3为定容过程，因此有

同理有

各点的T及p确定之后，状态就完全确定，其他的状态参数可根据相应的热力学函数求得。各典型点的状态参数值，不仅是循环性能分析的基础，同时也具有重要的参考价值，如最高温度和最高压力等。

三、混合加热循环的能量分析和性能分析

为分析方便，下面按单位质量工质推导混合加热循环的热效率表达式。

设工质的比热容为定值，则在定容过程2—3中，工质从高温热源吸入的热量为

q1v＝cv（T3－T2）

在定压加热过程3—4中，工质从高温热源吸入的热量为

q1p＝cp（T4－T3）

上述两者之和为工质在混合循环中的总吸热量，即(www.xing528.com)

q1＝q1v＋q1p＝cv（T3－T2）＋cp（T4－T3）

在定容放热过程5—1中，工质向低温热源放出的热量为

q2＝cv（T5－T1）

混合加热循环的热效率为

引入特性参数作为基本变量可求得用循环特性参数表示的混合加热理想循环热效率的关系式为

设循环的净功和净热分别为w0和q0，可推导出（推导过程从略）

从式（10-2）中可以看出，热效率ηt是三个特性参数的函数，即

（1）在一定的λ、ρ条件下，压缩比ε越大，热效率ηt越高，如图10-3所示。由于柴油机气缸里被压缩的是空气，不能自行燃烧，提高压缩比不受这方面的限制，因此可以有较大的ε值。但是对于压缩比ε已经较高的柴油机来说，再提高ε，热效率ηt的提高并不显著，如图10-3所示；压缩比ε过大，会使压缩终点的压力p2和气缸内的最高压力p3过高，引起柴油机各部件受力过大，不得不采用粗大的机件，使全机过于笨重，同时也增加运动部件的磨损。现代柴油机的压缩比通常在12～22之间。

（2）在一定的ε条件下，提高定容升压比λ和降低定压预胀比ρ，混合加热循环的热效率ηt增高，其相互关系见图10-4。分析指出，混合加热循环的热效率ηt随压缩比ε、定容升压比λ的增大而增大，随定压预胀比ρ的减小而增大。因此，在组织燃烧过程时，应尽可能增加定容燃烧部分的比例，减少定压部分的比例。

图10-3 混合加热循环热效率ηt随ε变化曲线

从式（10-2）和式（10-3）还可以看出，在循环特性参数（ε、λ及ρ）一定的条件下，提高初态参数，对热效率虽无影响，但可以提高净功。因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的热效率。

需要特别指出的是：尽管动力循环希望高温热源的温度（燃烧温度）越高越好，但燃烧温度的提高不仅受到设备材料耐热性能的限制，也受到燃烧产物排放的限制，主要是氮氧化物NOx，即NO和NO2。这是燃料在高温燃烧反应过程中生成的，NO刺激人体的中枢神经，NO2影响呼吸系统，都属有害排放。

图10-4 混合加热循环热效率ηt随λ、ρ变化曲线

燃烧的火焰温度是影响NO生成量的主要因素之一，火焰的温度越高，NO就越容易生成。火焰温度在2000℃以上时，氮可以迅速氧化成NO；火焰降低到1500℃以下时，氮的氧化反应速度将明显减慢。在实际应用中，不能盲目提高燃烧温度，而要适当降低燃烧温度。

四、定容加热理想循环和定压加热理想循环

1.定容加热理想循环（汽油机的理想循环）

汽油机的特点是汽油和空气先在气缸外部充分混合，被吸入气缸后压缩的是汽油和空气的可燃混合物，活塞压缩至上止点时，由电火花塞点火而迅速燃烧。这种点燃式内燃机，由于燃烧的是气体燃料或易挥发的液体燃料，因而燃烧迅速，燃烧时活塞位移极小，可认为是定容加热理想循环，又称奥托循环。图10-5为定容加热理想循环的p-υ图和T-s图。

2.定压加热理想循环（早期柴油机的理想循环）

早期柴油机转速很低，都是应用压缩空气将燃油射入气缸中，使之分散成雾状，被高温空气加热后进行燃烧，由于喷油压力不高，喷油速度不快，柴油雾化不良，喷入的燃油不能“速燃”，因此其燃烧过程主要在活塞离开上止点后进行，这时燃油一边进行燃烧，一边膨胀，在整个燃烧过程中气缸内的压力基本保持不变，可以认为是一个定压加热过程。这种定压加热理想循环又称狄塞尔循环。图10-6表示定压加热理想循环的p-υ图及T-s图。

图10-5 定容加热理想循环-pυ图和T-s图

图10-6定压加热理想循环p-υ图和T-s图

定容加热循环及定压加热循环，可以采用与混合加热循环相同的分析方法来进行分析。从热力学的观点来看，这两种理想循环，都是混合加热循环的特例。

将ρ＝1代入式（10-2）和式（10-3），便可求得定容加热循环的热效率和净功为

由上式可知，定容加热理想循环的热效率ηt与压缩比ε和绝热指数κ有关，压缩比ε越大，热效率ηt越高。但ε过大，可能在活塞上行未达上止点前，处于气缸内的汽油空气混合物未经点火便自行发火爆燃起来。因此，用提高压缩比ε的办法来改善点燃式内燃机的经济性受到了严格限制。对于汽油机来说，一般允许ε为6～10。

将λ＝1代入式（10-2）和式（10-3），便可求得定压加热循环的热效率和净功为

可见，定压加热理想循环的热效率随着压缩比ε的增大、预胀比ρ的减小和采用高κ值的气体而增大。

例10-1 一台按奥托循环工作的4缸四冲程发动机，压缩比ε＝8.6，活塞排量V′h＝1000cm3，压缩过程的初始状态为p1＝100kPa，t1＝18℃，每缸向工质提供热量为135J。求循环的热效率以及加热过程终了的温度和压力。

解因为是理想循环，工质可视为理想气体的空气，故κ＝1.4，cv＝0.717kJ/（kg·K）。画出循环的p-υ和T-s图，如图10-5所示。

根据式（10—4）有

1—2是定熵过程，有

从上面的式子可得

还有V1＝余隙容积＋每缸的活塞排量，V2即为余隙容积，且有V2＝V1/ε。每缸的活塞排量

那么

或

每缸内工质的质量

2—3过程工质的吸热量为

由上式可得

从2—3的定容过程可得