实际循环的损失和效率

与理论循环相比，实际循环存在各种损失。

（1）理论循环的工质是空气，比热设为定值，而实际循环的工质是空气、燃料和燃烧产物，其比热随温度上升而增大。

（2）为了使循环重复进行而更换工质所消耗的功，称为换气损失。

（3）由于燃料燃烧需要一定时间，所以喷油或点火在上止点前开始，且燃烧还延续到膨胀过程形成非瞬时燃烧损失和补燃损失。

（4）气缸壁散热使压缩、膨胀线均脱离理论循环的绝热压缩、膨胀线，从而引起传热损失。

为获得正确反映气缸内部实际情况的试验数据，通常利用不同形式的示功器或发动机数据采集系统来观察或记录相对于在不同活塞位置或曲轴转角时气缸内工质压力的变化，所得的结果即为p-V示功图或p-φ示功图。

发动机的工作过程就是实际循环不断重复进行的过程，发动机实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的，较之理论循环复杂得多，图1.8所示为非增压四冲程发动机实际循环示功图，rr′a为进气过程、ab″c′c为压缩过程、c′cz燃烧过程、zb′b为膨胀过程、b′bb″r为排气过程。

图1.8　非增压四冲程发动机实际循环示功图

p-V图中曲线所包围的面积表示工质完成一个实际循环所做的有用功，该图称为示功图（p-φ图称为展开示功图）。由示功图可以观察到发动机工作循环的不同阶段（压缩、燃烧、膨胀）以及进气、排气行程中的压力变化，所以示功图是研究发动机工作过程的一个重要依据。

一、进气过程

进气过程如图1.9所示（rr′a线）。

图1.9　四冲程发动机的工作过程

为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质。此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动，上一循环留在气缸中的残余废气膨胀，新鲜工质被吸入气缸。

由于进气系统的阻力，进气终点压力pa一般小于大气压力p0或增压压力pK，压力差p0-pa或pK-pa用来克服进气系统阻力，因为气流受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终点的温度Ta也总是高于大气温度T0或增压器出口温度TK。

二、压缩过程

压缩过程如图1.9所示（ac′c线）。

发动机进行压缩过程时，进、排气门均关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比εc表示。

压缩比εc是发动机的一个重要结构参数。在汽油机中，为了提高热效率，希望增加压缩比，但受到汽油机不正常燃烧的限制，压缩比εc不能过大。

在柴油机中，为保证喷入气缸的燃料能及时自燃以及在冷起动时可靠着火，必须使压缩终点有足够高的温度，因此要求有较高的压缩比。

εc的大致范围见表1.1。

表1.1　εc的大致范围

在使用中，对压缩过程而言，应主要注意气缸的密封。如果密封不良，压缩终点的工质、温度、压力就会下降，从而造成起动困难、功率减小。因此，在实际工作中，常以实测的压缩压力来检查发动机的技术状况。一旦发现压缩压力降低，就要查明原因，及时检修。

三、燃烧过程(www.xing528.com)

燃烧过程如图1.9所示（cz线）。

发动机在进行压缩过程时，进、排气门均关闭，活塞处在上止点前后。

由于燃料燃烧不是瞬时完成的，因此，在汽油机的燃烧过程中，汽油与空气形成的可燃混合气是在上止点前由电火花点火而燃烧（图1.9中的c′点），火焰迅速传播到整个燃烧室，工质的压力、温度剧烈上升，整个燃烧过程接近于定容加热。

燃烧过程中，柴油机应在上止点前就开始喷油，如图1.10（a）中的c′，柴油微粒迅速蒸发与空气混合，并借助于气缸中被压缩的具有很高内能空气的热量而自燃。开始时，燃烧速度很快，而气缸容积变化很小，所以工质的压力、温度剧增，接近于定容加热，如图1.10（a）中的c-z′段；接着一面喷油，一面燃烧，燃烧速度缓慢下来，且随着活塞向下止点移动，气缸容积增大，所以气缸压力升高不大，而温度继续上升，该过程接近于定压加热，如图1.10（a）中z′-z段。

图1.10　发动机实际循环的燃烧过程

（a）柴油机；（b）汽油机

燃烧的最高爆发压力及最高温度的大致范围见表1.2。

表1.2　pmax和Tmax的大致范围

可见，柴油机因压缩比高，燃烧的最高爆发压力pmax很高，但因相对于汽油机的空气量大（即柴油机的过量空气系数φa相对于汽油机大），所以最高燃烧温度Tmax值反而比汽油机低。

四、膨胀过程

膨胀过程如图1.9所示（zb′线）。

发动机在进行膨胀过程时，进、排气门均关闭，高温、高压的工质推动活塞，由上止点向下止点移动而膨胀做功，气体的压力、温度迅速降低。

膨胀过程也是一个多变过程，在膨胀过程初期，由于补燃，工质被加热，到某一瞬时，对工质的加热量与工质向缸壁等的散热量相等，此后，工质向缸壁散热，因此膨胀过程是非绝热过程，有散热损失、漏气损失、补燃和高温热分解的现象。

膨胀终点压力pex（kPa）、温度Tex（K）的大致范围见表1.3。

表1.3　pex和Tex的大致范围

五、排气过程

排气过程如图1.9所示（b′br线）。

当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气。当膨胀过程结束时，活塞移动由下止点返回上止点，将气缸内的废气排出。排气终了，压力pr高于大气压p0，压力差pr-p0克服排气系统阻力。

排气温度是检查发动机工作状况的一个参数，排气温度低，说明燃料在燃烧后，转变为有用功的热量多，工作过程进行得好。如果发现排气温度偏高，则应立即查明原因。

排气终了的压力pr（MPa）、Tr温度（K）的大致范围见表1.4。

表1.4　pr和Tr的大致范围

实际循环由上述五个过程组成，在图1.8所示的示功图中，闭合曲线czb′bb″c′c所包围的面积Ai代表工质对活塞所做的功，其是正功。曲线rb″ar′r所包围的面积A1称为泵气损失，对于非增压发动机是负功；对于增压发动机，由于进气压力高于排气压力，故是正功，Ai±A1为实际循环有用功。