德国版汽车工程手册：内燃机技术基础

1.概述

内燃机是一种能量转换器，它将燃料的化学能转换为机械能，即有用功。在内燃机燃烧时释放的热能推动活塞完成热力循环，并向外输出压力—容积功。能量转换器的能量平衡式（图5.2-3）为：

图5.2-3 内燃机能量转换

E_燃料+E_燃烧空气+W_有用功+∑E_损失=0

从经济性考虑，能量损失应尽量小。当前，单纯的经济要求已不再足够。物质和能量转换都要以最小的环境负荷达到最大的效率。这个要求已经并还将花费大量的研究和开发费用，并使狄塞尔的简单柴油机变成一个复杂的综合性系统（图5.2-4）。图中不包括废气再循环和增压空气冷却子系统。现代柴油机大量使用电气和电子器件和部件，以及从开环控制转换为闭环控制。由于竞争原因要减少材料和生产费用。

2.发动机燃烧方式比较

在着火/点火和燃烧前要制备大部分的液体燃料。必须制备具有着火/点火能力的气态燃料和空气混合气。柴油机和点燃式发动机的混合气制备过程是不同的（表5.2-2）。

柴油机在接近上止点时开始将燃料喷入高压、高温的燃烧室空气中（内部混合气形成）。经典的点燃式发动机则采用外部混合气形成工作：燃料在燃烧室外部通过化油器或喷入进气管经较长时间形成混合气并进入燃烧室。

图5.2-4 现代柴油机的综合性系统

表5.2-2 柴油机和点燃式发动机特征比较

在柴油机喷射燃料后，在燃烧室内由空气、燃料蒸气和微滴组成的混合气是不均匀的。而充入点燃式发动机气缸内的燃料与空气混合气是均匀的，

只要点燃式发动机内的均匀混合气在点火边界以内，通过火花塞放电可以触发点火、燃烧（预混火焰）。柴油机是自行着火燃烧，只要混合气在可着火的边界范围。

因为点燃式发动机是用可点燃的均匀混合气工作，所以只能通过混合气的量调节它的功率（量调节）。柴油机在富氧的混合气下工作，靠喷射的燃油量多少调节负荷，也即通过过量系数大小调节（质调节），而不像点燃式发动机那样靠有很大节流损失的节气门调节。

由于两者的混合气形成和燃烧方式不同，所以对燃料的要求也不同。柴油必须易着火（高的十六烷值），点燃式发动机燃料应避免不受控的自行点火，即不易着火（高的辛烷值）。

3.柴油机热力学

（1）气体理想状态变化　观察物体之间没有相互作用的一个闭式系统，并用热力学参数描述系统中物体的宏观状态。均匀的气体质量m的平衡状态可用两个热力参数（如压力、容积、温度、内能）的值确定。

理想气体的一般状态方程为：

p·V=m·R·T

式中，p为绝对压力（Pa）；T为温度（K）；V为容积（m³）；R为气体常数[J/（kg·K）]。

气体状态也可用p-V图表示。可以保持一个状态参数不变，计算另两个状态参数的变化。等压时p=常数，等温时T=常数，等容时V=常数。

如果物体绝热（气体与周围没有热变换），且气体所处的外部条件足够慢地变化，则称这个过程为绝热过程。熵不变，即绝热过程是可逆的。按泊松（Poisson）方程，有：

p·V^κ=常数

式中，绝热指数κ为定压比热容C_p与定容比热容之比。

（2）理想工作循环和理想热力循环　在理想工作循环中气体内部发生状态变化。在准稳态工作循环后气体又回到初始状态。按热力学第一定律（能量守恒：内能的变化ΔU等于从外部加入的热量ΔQ和所做的机械功ΔW之和）。在工作循环转换的热能是以机械功的形式表现出来的，

0=ΔU=ΔQ+ΔW

即压力—容积的变化是理想工作循环的理论有用功

-dW=p_a·dV

在理想气体条件下可以取消外部压力p_a和系统内部压力p_i之间的差别，这样，工作循环按准稳态进行。当蓄热器温度T_a与系统温度T_i的差非常小时则可视为T_a=T_i。

狄塞尔在他的发明中想到按等压加热循环工作的发动机（图5.2-5a）。气缸中的气体首先沿1→2线绝热压缩，在等压燃烧后体积增大（2→3），接着加热的气体膨胀（3→4），未利用的热量排出。(www.xing528.com)

在柴油机工作循环的p-V图上，燃烧过程（2→3）是等压的，因为在等压时供入热量Q。

如果要使热机的燃烧过程符合实际情况，则理想工作循环要成为等容和等压组合加热的工作循环或限压加热工作循环（Seiliger工作循环）。在图5.2-5b中，气体沿1→2线被压缩，一部分在等容时加热气体（2→3），一部分在等压时加热气体（3→4），气体沿4→5线膨胀，但不膨胀到环境压力（大气压力），因为活塞行程是有限的。Seiliger工作循环既包括极限情况的柴油机等压加热工作循环，也包括理想点燃式发动机等容加热工作循环。

图5.2-5 加热工作循环

a）等压加热工作循环 b）等容、等压组合加热工作循环

图5.2-6 实际四冲程发动机工作循环和各项损失分布

a）实际四冲程发动机工作循环

b）各项损失分布

1）在整个范围内的损失<1%

这里作如下假设：

1）气缸中的充量是理想气体。

2）有规律的燃烧。

3）绝热的工作循环。

4）缸内没有摩擦。

5）没有流动损失。

在实际四冲程发动机工作循环中（图5.2-6a）有两个环形线包围的表示做功的面积。一个是高压做功，一般为正功；另一个是充量更换功，大多为负功。增压发动机充量更换功为正功。

完善发动机热效率η_V和实际发动机平均有效效率η_e的差别是实际发动机存在各项损失。检测这些损失是要将这些损失分开，并分别找出原因：

1）不完善的燃料热能转换（转换损失）。

2）不是理想的燃烧过程。

3）燃烧室壁面散热。

4）活塞环漏气。

5）主燃烧室和辅助燃烧室间的气体流动。

6）充量更换。

7）机械摩擦。

图5.2-6b是1.5L涡流室柴油机在3000r/min时各项损失随负荷（平均有效压力η_e）的变化。η_e为平均有效效率，η_i为指示效率，η_iHD为没有充量更换损失的指示效率，η_V为理想循环效率，Δη_m为机械摩擦引起的效率损失，Δη_Lad为充量更换引起的效率损失，Δη_ü为主燃烧室和辅助燃烧室间的气体流动引起的效率损失，Δη_Leck为漏气引起的效率损失，Δη_w为燃烧室壁面散热引起的效率损失，Δη_V为不理想的燃烧引起的效率损失，Δη_u为热能转换引起的效率损失。上面所说的所有效率或效率损失是与供入的燃料热能有关的，并表示为：

η_e=η_V-Δη_u-Δη_V-Δη_w-Δη_Leck-Δη_ü-Δη_Lad-Δη_m

各项损失随负荷的变化都不相同（本身的变化和各项之间的变化都不相同）。燃烧、传热（散热）、摩擦引起的效率损失要远大于充量更换、主燃烧室与辅助燃烧室间的气体流动、漏气和不完善的燃料热能转换引起的效率损失。

（3）模型计算边界 在观察理想工作循环时作的假设，从物理角度不能将它们转用在实际工作循环上。表5.2-3说明，为得出相对结论（如参数研究），至少必须建立各个热力学模型。精度要求要比增压或冷却系的设计稍高。

表5.2-3 理想工作循环和实际工作循环中各分模型比较