第二章 内燃机的工作循环
2-1 内燃机理想循环
在热机中, 确定工质所经历的过程称为循环 。 内燃机的实
际热力循环是由进气, 压缩, 燃烧, 膨胀和排气等多个过程所
组成的, 循环中工质存在着质和量的变化, 整个过程是不可逆
的 。
要确切地描述内燃机中实际的热力过程, 在目前条件下还
非常困难 。 为了了解内燃机的
① 热能利用的完善程度;
② 能量相互转换的效率;
③ 寻求提高热量利用率的途径 。
将内燃机的实际循环进行若干简化, 提出一种假想循环, 这种
假想循环就称为, 理想循环, 。
利用理想循环能够清楚的比较说明影响内燃机热能利用完善程
度的主要因素 。
理想循环的简化假定,
① 工质是一种理想的完全气体,在整个循环中保持物理及
pV=mRT
② 不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失, 工质数量保
持不变, 循环是在定量工质下进行的 。
③ 把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵
过程, 工质与外界不进行热交换, 无摩擦, 流动损失,工质比
热容为常数 。
④ 用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程, 用定
容放热代替实际排气带走的热量 。
图 2-1
图 2-1( b)为等容循环(也称奥托循环)
a— c 为绝热压缩;
c— z 为等容加入热量 Q1;
z— b 为绝热膨胀;
b— a 为等容释放热量 Q2。
在压缩、膨胀过程,工质状态用 表示。
kPV C?
根据加热方式的不同,理想循环有三种形式可供分析选择。
压缩过程的容积变化用压缩比 表示 。
膨胀过程的容积变化用后膨胀比 表示 。
a s c
cc
V V V
VV?
???
1Q
b
z
V
V??
定容加热的压力升高,以压力升高比 表示。
图 2( c)为等压循环(也称狄赛尔 diesel循环)
a— c 为绝热压缩;
c— z 为定压加入热量 Q1;
z— b 为绝热膨胀;
b— a 为等容释放热量 Q2。
定压加热过程的容积变化用初膨胀比 表示,其它同等
容循环。
z
c
P
P??
z
c
V
V??
图 2( a)为混合循环
a → c 为绝热压缩;
c → z 为定容加入热量 Q'1;
y → z 为定压加热量 Q''1;
z → b 为绝热膨胀;
b → a 为等容释放热量 Q2。
由热力学知,混合循环
( 2— 1)
在定压循环中,= 1, 代入 ( 2— 1), 则得定压循环
的热效率公式为,
( 2— 2)
z
c
P
P??
1
111
1 ( 1 )
k
t k k
???
? ? ? ??
???
? ? ?
)1(
111
1,?
???
? ?
?
?? k
k
kt vp
在等容循环中,初 膨胀比 =1,代入( 2— 1)式则
热效率的公式为
( 2— 3)
分析上式可知,
( 1) ε ↑,则 ↑,但随 ε 不断增大, 提高幅度逐渐降
低。
( 2) ↑,则混合循环中等容加热量 ↑, ↑ 。
( 3) ↑,则 负荷 pt ↑,但 下降,因此,按等压循环的发
动机,pt ↑,则 下降。
( 4) k ↑,则 ↑,但在发动机中 k变化不大。
( 5)当 ε 相同时,
( 6)当 pz相同,Q1相同,ε 不相同时,
这是因 pz不变时,等压循环的 ε 最大,而等容循环的 ε
最小之故。
z
c
V
V??
t? t?
? t?
? t?
t?
t?
vtvptpt,,,??? ??
p t vp t v t,,,? ? ? ? >
1,
11
??? kVt ??
2.2 涡轮增压内燃机 的 理想循环
在非增压的内燃机中,工质只膨胀到 b点,然后由 b点等容
放热至 a点,损失了排气中的一部分热能,如果工质由 Pz一直
膨胀到 Pa,即在 b点后继续膨胀至 g 点,如图 2- 2所示,那么这
种循环,比无涡轮增压循环要来的完善,它在相同的加热条件
下,多获得一部分功( b— g),使 提高了。我们称这种循
环为继续膨胀循环。
这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现,将使气缸加长,
使发动机重量增加,通常是在发动机排气管处加一涡轮,使废
气在涡轮中继续膨胀作功,涡轮再带动一个压气机,将空气压
缩后再进入气缸中,提高进缸空气量,这样可提高 Pt。
对涡轮增压内燃机理想循环而言,一般涡轮增压内燃机涡
轮后的排气压力略高于大气压力,但压力脉动的幅度不大,因
此假定循环的放热过程等压,并假定气体由气缸流向涡轮,无
流动损失与传热损失等。其它假定与非增压时一样。
t?
涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式,
(1) 脉冲涡轮增压:从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀,
排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大,充
分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能量变化大,涡
轮效率较低,当 <2.5时使用,
(2) 定压涡轮增压:将各缸中排出的废气导入一根容积很大的
排气总管,使涡轮前的压力保持恒定,这种方式的脉冲能
量不能利用。但在涡轮中废气能量转换是稳定的,涡轮效
率较高。当 > 2.5时,定压的效率高于脉冲的效率,此时
常采用定压涡轮增压方式。
带脉冲涡轮增压的内燃机理想循环如图 2- 2所示。
a'— a 为压气机中的绝热压缩;
a — c 为气缸中的绝热压缩过程
c — y 为气缸中的定容加热过程 ;
y — z 为气缸中的定压加热过程
k?
k?
图 2- 2 无中冷脉冲涡轮增 图 2— 3 带 中冷脉冲涡轮增
压 内燃机的理想循环 压 内燃机的理想循环
z— b 为气缸中的绝热膨胀过程;
b— g 为涡轮中的绝热膨胀过程;
g— a‘ 为涡轮中的定压放热过程。
也可将脉冲涡增压内燃机的理想循环视为内燃机的理想循
环 acyzba和定容燃烧式燃气轮机理想循环 a‘ abg a‘ 两部分叠加。
为了提高进气密度,通常对增压器后的进缸空气冷却,工
作循环只是比无中冷的多了一个 k— a等压向冷却器放热过程。
带空气冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率的公式
为
( 2- 4)
无空气中冷的脉冲涡轮增压内燃机的理想循环热效率只需
将 温降比 代入( 2- 4)即可得,
( 2- 4')
1/ ?? TT akC?
)1(1
11
1
1 ???
???
? ???
??
?
?
k
k k
kt
)1(1 11
1
1 ???
???
? ???
???? kk k
kt
定压涡轮增压内燃机理想循环如图 2- 4所示,
图 2- 4 定压涡轮增压内燃机的理想循环
带空气中冷定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式为,
( 2- 5)
1
1
0
1 ( 1 ) ( 1 )1
[ 1 ( 1 ) ]
k
k k
ck
t k
k
k
? ? ? ??
? ? ? ?
?
?
? ? ? ???
? ? ?
当 = 1,即变为无空气中冷的定压涡轮增压内燃机理想循环
热效率公式,
( 2- 5`)
2- 3 内燃机理想循环热效率
如图 2- 5所示,
图 2- 5涡轮增压内燃机理想循环
c?
据热效率的定义,依图,内燃机理想循环的热效率为,
( 2- 6)
式中
利用绝热循环、等容循环、等压循环过程,确定 Q2’和 Q2’’
中的 Tg,Ta’,Tk于是内燃机理想循环的热效率为,
( 2- 7)
式( 2- 7)是内燃机理想循环热效率的通用表达式。它包含了
已讨论过的各种循环方式。下面讨论各循环方式的热效率及其
影响因素。
( 1)空气冷却的影响
在其它条件相同的情况下,若采用空气冷却,( 2- 7)式
中与 有关的项为,
若不采用空气冷却,则 = 1,上述相关项仅为- k,显然有,
采用空气冷却比无中冷循环的总效率低,但影响很小,例
如:当增压压力为 Pk=0.2MPa时,空气冷却后的温降 △ T= 30K,
而 η t只下降 0.4%。
在实际发动机中,对空气进行冷却,提高进缸空气密度是
提高内燃机强化程度的有效措施,并对发动机的经济性有益处。
实际的发动机带中冷的比不带中冷的油耗率要低 。
c?
c?
1( 1 ) k
kc k ck k k? ? ?
?? ? ? ?
kk ckkkc ??? ?? ? 1)1(
( 2)废气能量利用的影响
在压缩比和加热量一定的情况下,废气能量的利用有三种
情况,
① 当 达到最大时,导致 η t 达最大。此时
代入( 2- 7)式 得有空气冷却脉冲涡轮增压内燃机理想循环
的热效率公式
这种循环因充分利用了废气能量,在涡轮中继续膨胀作
功,热效率比定压涡轮增压的要高。
② 当 = 1,即,为带中冷得定压涡轮增压内燃机
得情况。将 = 1代入式( 2- 7)中,得热效率公式 ;
/TK??
' ' ' '/ ( / ) / ( / ) ( / ) / ( / ) / kT K b f k a b f a f b ap p p p p p p p p p? ? ? ?? ? ? ?
/Tk?? 'f k
ga
p p
pp?
/Tk??
理论上,定压涡轮的效率小于脉冲涡轮的效率。
在实际发动机中,因脉冲涡轮的效率较之定压涡轮的要低,
因此,当 π k<2.5时,常采用脉冲涡轮增压,
π k>2.5时,一般采用定压涡轮增压。
这一点在第七章中将会详细描述。
③ 当 最小时,即 π T= 1,而 π k >1时,这时相当于不
利用废气能量带中冷的机械增压内燃机循环。以 π T= 1代入
( 2- 7)中的热效率公式为,
( 2- 8)
由( 2- 8)式可知,在 一定下,当 π k 上升,则 下降,
由此可得出,增压压力越高,经济性越低,机械增压不宜采
用较高的增压比。
/TK??
0? t?
( 3)若 π k= 1,π T= 1,= 1,以 ε 代替 代入( 2- 7)
式,即得到一般非增压内燃机混合循环热效率的公式( 2- 1)。
非增压热效率的影响因素及其比较前面已讲授,这里不再重述。
2.4 内燃机实际循环
内燃机实际循环有着许多不可避免的损失, 它的热效率和
循环功比理论循环的要小, 为了减少实际循环与理论循环在指
标上的差距, 有必要分析其原因 。
c? 0?
图 2- 6 四冲程内燃机实际循环的 p-V示功图
(1) 工质不同 ( 理想循环为双原子气体;实际的为空气和燃烧
产物的混合物 ),
① 工质成分变化
柴油机中, 燃烧前是新鲜空气与上循环的残留废气的混合
物, 燃烧后, 工质成分为燃烧产物 。
② 工质比热变化
a,理想循环工质的比热是不随温度变化的,
实际工质 ( 空气和燃气的混合物 ) 的比热随温度上升而上
升 。
t???
t???
t???
b,理想的双原子气体( O2, N2,空气等)比热比实际的多原
子燃气( CO2,H2O,SO2等)比热小。
如加热量相同,实际循环能达到的最高温度较理想循环的为
低,小些。
③ 工质高温分解
在 1300k以上,燃烧产物发生高温分解,分解会吸收热量,
使循环的最高燃烧温度下降,
④ 工质分子数发生变化 →
燃料燃烧后气体的千摩值会增大, 当工质 V,T相同时, P
会增大, 这有利于循环作功 。
以上四中变化, 以 ② 变化影响最大, 其他影响较小 。
(2) 换气损失
理想循环是闭式循环, 无工质更换, 无流动损失 。 实际循
环, 工质必须更换, 有进, 排气过程 。 工质在进入气缸和排出
气缸时, 以一定的速度流经进, 排气管, 进, 排气道和
t?
t???
t???
t???
t??
进、排气门,有
流动损失。另外
为使废气排除干
净,排气门在下
止点前打开;使
P-V图上的有用功
面积减少 b1— d1 。
图中 b1b1’d1 b1和
d1rtatd1面积
为换气损失。
图 2- 6′ 非增压柴油机理论循环和实际循环 p-V图的比较
( 3)涡流与节流损失
活塞的高速运动使工质在缸内产生涡流, 对分开式燃烧室,
工质流入流出副室时, 会在通道中产生节流损失 。 使
(4) 传热损失
理想循环时假设气缸壁与工质无热交换,实际循环中,
工质与气缸盖,活塞顶,气缸壁,进、排气门有热交换,使
( 5) 燃烧不及时,后燃及不完全燃烧损失
① 燃烧不及时
理想循环假定定容加热是瞬间完成的, 实际循环时, 燃烧
需要一定时间 。
a,喷油常提前:使着火在上止关前开始, 增加了压缩负功
ct’ c1ct ct’ 。
b,燃烧速度有限, 传热损失及在燃烧过程中活塞离开上
止点的运动, 使压力增长 ct z1” < cz’.初膨胀比 减少, 损失
了 cz1”z1。
② 后燃
当接近 z1’点时, 氧浓度降低, 使燃烧速度下降, 在膨胀线 e
t???
t??
t???
t??
t???
?
点还在燃烧。这就是后燃现象。 e点的位置取决于混合气形成
的完善程度,供油规律,过量空气系数的大小及发动机的转速
等因素。一般好的情况下在上止点后 40℃A ~ 70℃A,也可能拖
延到排气门打开。后燃是在后膨胀比较小的情况下进行的,所
以损失了 z1z1’ez1,。
③ 不完全燃烧
由于混合气形成不良引起不完全燃烧, 使燃料热值未充分
利用, 使燃烧膨胀线下移,。
( 6) 漏气损失
理想循环中工质质量不变 。
实际循环中, 气门, 活塞环处有泄露, 一般约为总量的
0.2%。
上面已就实际循环与理论循环的差异做了一般性的比较,
下面将继续讨论压缩, 膨胀过程, 燃烧与换气过程将在后面的
章节详细论述 。
t???
t???
t???
t???
一, 压缩过程
理想循环中, 压缩过程始于下止点, 止于上止点, 是一
个等熵过程, 在整个过程工质数量与比热无变化, 与周壁无
热交换 。
实际循环中,压缩过程始于下止点后一定角度(进气
门完全关闭,为使多进气),结束于上止点前燃油着火时止
(提前喷油,因为燃烧有一定滞后),存在失效行程,它是
一个多变过程,有泄露,比热有变化,与周壁有热交换。
( 1) 压缩过程的作用,
① 扩大了工作循环的温度范围
② 使循环的工质得到更大的膨胀比, 可对活塞多作功 。
③ 提高了工质的温度压力, 为冷起动及着火创造了条件 。
( 2) 压缩比
压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数, 定义
为压缩始点容积比上压缩终点容积, 即, 对不同类型的
t??
a
c
V
V??
?
发动机有不同的要求。
理论上,希望 越大越好。实际上对 有一定
的限制。
原因如下,
① 的上限
a,对点燃式内燃机 ( 如汽油机, 煤气机 ), 在缸内被压缩
的是空气与燃料的混合物, 上限受到可燃混合气早燃或爆
燃的限制 。 因此, 上限取值应考虑到燃料的性质, 传热条
件及燃烧室结构等因素 。
b.对压燃式发动机(如柴油机),上限受到机械负荷 Pc、
Pz,噪声、排放(温度高,NOX上升 ;高温下 CO2 分 解形成 CO)
的限制。当 上升到一定程度时,上升的程度明显减少,
太高反而得不偿失。
② 的下限
a,对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使 高些 。
?? t??? ? ?
?
?
? t?
?
?
?
b,对压燃式发动机(如柴油机),应保证压缩终点的
温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。实际上为便于起动,
比这一要求的温度还应高些。这是因为,
提高 燃烧柔和。
Tc ↑ 改善冷起动性能,一般比自燃温度高 200-300k
一般分开式燃烧室的内燃机以及小缸径内燃机均应有较
高的压缩比 。
化油器式汽油机 6.5~ 11.0
煤气机 6~ 10
非增压柴油机 16~ 22( 直喷式 16~ 18,间喷式 18~ 23 )
11~ 17
( 3) 多变压缩指数
实际循环中, 压缩过程是一个多变过程, 其压缩多变指
数在整个压缩过程中是变化的 。
cT??? ()??? 滞燃期
??? t??
工质受热, n1>k1,工质放热, n1<k1
在压缩初期, 工质的温度低于周围表面的温度, 工质从这
些表面吸热, 此时, n1按大于绝热指数 k1变化 。 实际压缩
曲线 ab比绝热压缩曲线 an要陡 。 当继续压缩, 工质温度与周壁
温度相等, 这时无换热,,n1=k1。 压缩继续进行, 工质
温度进一步增高, 这时工质向周壁传递热量,, n1按小于
绝热指数 k1变化, 实际压缩曲线 ec比绝热压缩曲线 em平坦 。
m-e 绝热压缩
a-n 绝热压缩
a-b-e-c 实际压缩多变过程
图 2-7 压缩曲线图
0dQ? 0dQ?
0dQ?
0dQ ?
0dQ?
实际压缩过程是一个按 n1变化的多变过程, 在实际循环近似
计算时, 采用变化的 n1是困难的, 可以用一个平均的 n1来代之 。
只要计算使压缩过程起点 a和终点 c的工质状态与实际过程相符
即可 。
压缩终点的状态参数可由多变状态方程确定,
MPa ( 2-9)
K ( 2-10)
一般的范围为 1.32~1.39
水冷汽油机 1.36~ 1.39
风冷汽油机 1.39~ 1.42 (因为 Qw ↓→ n1 ↑)
煤气机 1.37~ 1.39
非增压柴油机 1.35~ 1.40
(活塞冷却 )
增压柴油机 1.32~ 1.37 (因为 Ta ↑ → Qw ↑ → n1 ↓ )
(活塞冷却 )
1ncapp??
1 1ncaTT? ??
由 n1的大致范围可知, 实际压缩过程与理想的压缩过程还是
很接近 。
n1的大小主要取决于工质与周壁热交换的情况。因而主要受
下列因素影响,
(1) 转速
热交换时间 tn ↓→ 向气缸壁的传热量 Qw ↓漏气量 ↓ →
(2) 负荷 pt ↑ →
pt ↑ →周壁温度 →工质向周壁传热量 Qw ↓→
(3) 气缸尺寸 ↑ →
气缸尺寸 ↑ →面容比 ↓→工质向周壁传热量 Qw ↓→
(4) 分开式燃烧室的 n1<直接喷射式燃烧室的 n1
因相对散热表面积大,工质热损失多。
(5) 冷却强度 ↑ →
如:水冷比风冷的低
n?? 1n ?
1n ?wT ?
1n ?
1n ?
1n ?
1n?
n??
(6) ↑ →
因为传热量与漏气量 ↑ 。
(7) 进气终了温度 Ta↑ →工质向周壁传热量 Qw ↑ →
如:增压机 n1 <非增压机 n1
二、燃烧过程
在理想循环中, 燃烧是在等容与
等压下进行的, 不存在损失 。
在实际循环中,由于燃烧需要进
行一定的时间,需提前供油,燃烧速
度也不均匀(有急燃、缓燃),且与
活塞运动不同步。
另外,存在缺氧和高温分解,造
成燃烧滞后(不及时),后燃,不完
全燃烧。在图上反映是圆弧线。
? 1n?
1n?
三, 膨胀过程
1,作用:膨胀过程是内燃机的作功过程 。 一部分热能转变
为机械能 。
2,差异:在理想循环中, 膨胀过程为绝热等熵过程 。
在实际过程中是一个多变过程,
① 膨胀过程的前阶段是以燃烧,缓燃和后燃为主的过程,
后一阶段才是以工质膨胀为主的热力过程 。
② 膨胀过程中不仅放出热量, 也改变了工质的成分和数量;
还发生高温分解产物的重新化合;工质向周壁有传热, 传热
强度不断变化;存在漏气;比热变化 。
3,膨胀多变指数 n2
膨胀过程不是绝热过程, 多变指数 n2是变值 。
在膨胀过程中, 工质受热 dQ>0, n2 < k2
工质放热 dQ<0, n2 > k2
图 2-8 柴油机膨胀过程曲线示意图
z z1, 膨胀初期, 后燃较多, 过程接近等温过程, n2 ≈1。
z1 z2,后燃及分解产物重新化合, 工质受热量大于向缸壁
散热量, 所以 dQ>0 工质仍受热, 但比 zz1,少, 所以 n2 < k2 。
z2 z3,后燃减少,分解产物的化合作用仍在进行,工质受
热量等于向缸壁散热量 dQ=0,这时 n2 = k2 。
z3 b,后燃已消失,但高温分解产物化合作用仍在进行,发
出的热量小于工质向缸壁的传热量,工质放热 dQ<0, n2 >k2 。
在膨胀过程的简化计算中,与压缩过程一样,用一不变的
n2来代替变化的 n2,并用不变的 n2计算膨胀终点 pb和 Tb,使
之与实际相符。
膨胀过程可用多变方程表示,
( 2-11)
( 2-12)
Pb, Tb的大致范围,
汽油机 pb =0.35~ 0.5MPa,Tb =1200~ 1500K
非增压柴油机 pb =0.25~ 0.6MPa,Tb =1000~ 1200K
增压柴油机 pb =0.60~ 1.0MPa,Tb =1000~ 1200K
2
1
bz npp ??
2 1
1
bz nTT ? ??
n2的值一般如下,
高速内燃机 n2 =1.15~ 1.24
非冷却活塞柴油机 n2 =1.20~ 1.28
冷却活塞柴油机 n2 =1.25~ 1.30 ( )
汽油机 n2 =1.22~ 1.28
影响 n2的因素,
(1) 转速
当 → 膨胀过程时间
(2) 燃烧速度
后燃 ↓ → 燃烧阶段的热利用系数 工质受热 ↓
(3) 气缸尺寸 ↑ →
当 S/D一定,气缸尺寸大 → 相对散热表面积小,相对漏气
缝隙也小 → 工质受热 ↑ →,
,
2w n? ?? ?
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2
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工质受热
后燃
2
dx n
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dx
d? ??
2? ? 20,dQ n??
2n?
0dQ? 2n?
(4)负荷 pe ↓ → n2 ↓
n 一定,pe ↓→ 工质平均温度 ↓→ →工质受热 ↑ →
n2 ↓,
四, 换气过程 。
1,作用:更换工质, 使循环能不断进行 。
2.差异:理想循环是闭式循环, 无工质更换, 无换气过程 。
内燃机实际循环必须排除上一循环的废气, 进入新鲜空气,
才能使燃料混合燃烧, 使循环得以进行下去 。
进气时经过进气管和进气道有阻力,非增压机进入气缸的
空气压力低于大气压,为使排气克服排气道、排气管阻力,排
气压力必须大于大气压力才能排出,因此,排气过程的压力大
于大气压力。
进、排气过程的曲线包容的封闭曲线表示作用于活塞上的
负功,人们称之为泵气功。所以换气过程有功的损失。
wQ? 0dQ?
2-5 内燃机工作循环举例
在内燃机中四冲程内燃机要完成一个循环需四个冲程,
二冲程内燃机完成一个循环需要二个冲程 。
一, 四冲程内燃机的工作原理
图 2-10 四冲程内燃机工作循环 ( 汽油机 )
( a) 进气行程 (b) 压缩行程 ( c) 膨胀行程 ( d) 排气行程
二, 二冲程内燃机的工作原理
图 2-11 二冲程内燃机的工作循环(汽油机)
三, 示功图
把内燃机在 1个循环中气缸工质状态的变化, 表示为压力
与容积的关系图 ( p-V 图 ) 或压力与曲轴转角的关系图 (
图 ) 称为示功图 。 示功图可用机械式弹簧示功器, 压电示功器
或气电示功器测录出来 。 目前常用压电示功器 ( 燃烧分析仪 )
测录 图, 但可转换成 p-V 图 。
示功图包含了 许多 反映内燃机性能的信息和数据,是评价
分析内燃机性能的主要手段。
图 2-12( a) 是四冲程汽油机的示功图, 指示功是
W1是正功, W2是泵气功, 对非增压机而言是负功 。
图 2-12( b) 是二冲程汽油机 ( 非增压 ) 的示功图, 二冲
程机没有单独的进排气行程, 只有 ac压缩过程, cd燃烧过程,
da膨胀 ( 作功 ) 过程和 eab扫气过程 。 指示功 abcdea为正功 。
21 WWW i ??
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图 2-12 内燃机示功图
2-1 内燃机理想循环
在热机中, 确定工质所经历的过程称为循环 。 内燃机的实
际热力循环是由进气, 压缩, 燃烧, 膨胀和排气等多个过程所
组成的, 循环中工质存在着质和量的变化, 整个过程是不可逆
的 。
要确切地描述内燃机中实际的热力过程, 在目前条件下还
非常困难 。 为了了解内燃机的
① 热能利用的完善程度;
② 能量相互转换的效率;
③ 寻求提高热量利用率的途径 。
将内燃机的实际循环进行若干简化, 提出一种假想循环, 这种
假想循环就称为, 理想循环, 。
利用理想循环能够清楚的比较说明影响内燃机热能利用完善程
度的主要因素 。
理想循环的简化假定,
① 工质是一种理想的完全气体,在整个循环中保持物理及
pV=mRT
② 不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失, 工质数量保
持不变, 循环是在定量工质下进行的 。
③ 把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理想的绝热等熵
过程, 工质与外界不进行热交换, 无摩擦, 流动损失,工质比
热容为常数 。
④ 用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程, 用定
容放热代替实际排气带走的热量 。
图 2-1
图 2-1( b)为等容循环(也称奥托循环)
a— c 为绝热压缩;
c— z 为等容加入热量 Q1;
z— b 为绝热膨胀;
b— a 为等容释放热量 Q2。
在压缩、膨胀过程,工质状态用 表示。
kPV C?
根据加热方式的不同,理想循环有三种形式可供分析选择。
压缩过程的容积变化用压缩比 表示 。
膨胀过程的容积变化用后膨胀比 表示 。
a s c
cc
V V V
VV?
???
1Q
b
z
V
V??
定容加热的压力升高,以压力升高比 表示。
图 2( c)为等压循环(也称狄赛尔 diesel循环)
a— c 为绝热压缩;
c— z 为定压加入热量 Q1;
z— b 为绝热膨胀;
b— a 为等容释放热量 Q2。
定压加热过程的容积变化用初膨胀比 表示,其它同等
容循环。
z
c
P
P??
z
c
V
V??
图 2( a)为混合循环
a → c 为绝热压缩;
c → z 为定容加入热量 Q'1;
y → z 为定压加热量 Q''1;
z → b 为绝热膨胀;
b → a 为等容释放热量 Q2。
由热力学知,混合循环
( 2— 1)
在定压循环中,= 1, 代入 ( 2— 1), 则得定压循环
的热效率公式为,
( 2— 2)
z
c
P
P??
1
111
1 ( 1 )
k
t k k
???
? ? ? ??
???
? ? ?
)1(
111
1,?
???
? ?
?
?? k
k
kt vp
在等容循环中,初 膨胀比 =1,代入( 2— 1)式则
热效率的公式为
( 2— 3)
分析上式可知,
( 1) ε ↑,则 ↑,但随 ε 不断增大, 提高幅度逐渐降
低。
( 2) ↑,则混合循环中等容加热量 ↑, ↑ 。
( 3) ↑,则 负荷 pt ↑,但 下降,因此,按等压循环的发
动机,pt ↑,则 下降。
( 4) k ↑,则 ↑,但在发动机中 k变化不大。
( 5)当 ε 相同时,
( 6)当 pz相同,Q1相同,ε 不相同时,
这是因 pz不变时,等压循环的 ε 最大,而等容循环的 ε
最小之故。
z
c
V
V??
t? t?
? t?
? t?
t?
t?
vtvptpt,,,??? ??
p t vp t v t,,,? ? ? ? >
1,
11
??? kVt ??
2.2 涡轮增压内燃机 的 理想循环
在非增压的内燃机中,工质只膨胀到 b点,然后由 b点等容
放热至 a点,损失了排气中的一部分热能,如果工质由 Pz一直
膨胀到 Pa,即在 b点后继续膨胀至 g 点,如图 2- 2所示,那么这
种循环,比无涡轮增压循环要来的完善,它在相同的加热条件
下,多获得一部分功( b— g),使 提高了。我们称这种循
环为继续膨胀循环。
这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现,将使气缸加长,
使发动机重量增加,通常是在发动机排气管处加一涡轮,使废
气在涡轮中继续膨胀作功,涡轮再带动一个压气机,将空气压
缩后再进入气缸中,提高进缸空气量,这样可提高 Pt。
对涡轮增压内燃机理想循环而言,一般涡轮增压内燃机涡
轮后的排气压力略高于大气压力,但压力脉动的幅度不大,因
此假定循环的放热过程等压,并假定气体由气缸流向涡轮,无
流动损失与传热损失等。其它假定与非增压时一样。
t?
涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式,
(1) 脉冲涡轮增压:从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀,
排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大,充
分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能量变化大,涡
轮效率较低,当 <2.5时使用,
(2) 定压涡轮增压:将各缸中排出的废气导入一根容积很大的
排气总管,使涡轮前的压力保持恒定,这种方式的脉冲能
量不能利用。但在涡轮中废气能量转换是稳定的,涡轮效
率较高。当 > 2.5时,定压的效率高于脉冲的效率,此时
常采用定压涡轮增压方式。
带脉冲涡轮增压的内燃机理想循环如图 2- 2所示。
a'— a 为压气机中的绝热压缩;
a — c 为气缸中的绝热压缩过程
c — y 为气缸中的定容加热过程 ;
y — z 为气缸中的定压加热过程
k?
k?
图 2- 2 无中冷脉冲涡轮增 图 2— 3 带 中冷脉冲涡轮增
压 内燃机的理想循环 压 内燃机的理想循环
z— b 为气缸中的绝热膨胀过程;
b— g 为涡轮中的绝热膨胀过程;
g— a‘ 为涡轮中的定压放热过程。
也可将脉冲涡增压内燃机的理想循环视为内燃机的理想循
环 acyzba和定容燃烧式燃气轮机理想循环 a‘ abg a‘ 两部分叠加。
为了提高进气密度,通常对增压器后的进缸空气冷却,工
作循环只是比无中冷的多了一个 k— a等压向冷却器放热过程。
带空气冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率的公式
为
( 2- 4)
无空气中冷的脉冲涡轮增压内燃机的理想循环热效率只需
将 温降比 代入( 2- 4)即可得,
( 2- 4')
1/ ?? TT akC?
)1(1
11
1
1 ???
???
? ???
??
?
?
k
k k
kt
)1(1 11
1
1 ???
???
? ???
???? kk k
kt
定压涡轮增压内燃机理想循环如图 2- 4所示,
图 2- 4 定压涡轮增压内燃机的理想循环
带空气中冷定压涡轮增压内燃机理想循环热效率公式为,
( 2- 5)
1
1
0
1 ( 1 ) ( 1 )1
[ 1 ( 1 ) ]
k
k k
ck
t k
k
k
? ? ? ??
? ? ? ?
?
?
? ? ? ???
? ? ?
当 = 1,即变为无空气中冷的定压涡轮增压内燃机理想循环
热效率公式,
( 2- 5`)
2- 3 内燃机理想循环热效率
如图 2- 5所示,
图 2- 5涡轮增压内燃机理想循环
c?
据热效率的定义,依图,内燃机理想循环的热效率为,
( 2- 6)
式中
利用绝热循环、等容循环、等压循环过程,确定 Q2’和 Q2’’
中的 Tg,Ta’,Tk于是内燃机理想循环的热效率为,
( 2- 7)
式( 2- 7)是内燃机理想循环热效率的通用表达式。它包含了
已讨论过的各种循环方式。下面讨论各循环方式的热效率及其
影响因素。
( 1)空气冷却的影响
在其它条件相同的情况下,若采用空气冷却,( 2- 7)式
中与 有关的项为,
若不采用空气冷却,则 = 1,上述相关项仅为- k,显然有,
采用空气冷却比无中冷循环的总效率低,但影响很小,例
如:当增压压力为 Pk=0.2MPa时,空气冷却后的温降 △ T= 30K,
而 η t只下降 0.4%。
在实际发动机中,对空气进行冷却,提高进缸空气密度是
提高内燃机强化程度的有效措施,并对发动机的经济性有益处。
实际的发动机带中冷的比不带中冷的油耗率要低 。
c?
c?
1( 1 ) k
kc k ck k k? ? ?
?? ? ? ?
kk ckkkc ??? ?? ? 1)1(
( 2)废气能量利用的影响
在压缩比和加热量一定的情况下,废气能量的利用有三种
情况,
① 当 达到最大时,导致 η t 达最大。此时
代入( 2- 7)式 得有空气冷却脉冲涡轮增压内燃机理想循环
的热效率公式
这种循环因充分利用了废气能量,在涡轮中继续膨胀作
功,热效率比定压涡轮增压的要高。
② 当 = 1,即,为带中冷得定压涡轮增压内燃机
得情况。将 = 1代入式( 2- 7)中,得热效率公式 ;
/TK??
' ' ' '/ ( / ) / ( / ) ( / ) / ( / ) / kT K b f k a b f a f b ap p p p p p p p p p? ? ? ?? ? ? ?
/Tk?? 'f k
ga
p p
pp?
/Tk??
理论上,定压涡轮的效率小于脉冲涡轮的效率。
在实际发动机中,因脉冲涡轮的效率较之定压涡轮的要低,
因此,当 π k<2.5时,常采用脉冲涡轮增压,
π k>2.5时,一般采用定压涡轮增压。
这一点在第七章中将会详细描述。
③ 当 最小时,即 π T= 1,而 π k >1时,这时相当于不
利用废气能量带中冷的机械增压内燃机循环。以 π T= 1代入
( 2- 7)中的热效率公式为,
( 2- 8)
由( 2- 8)式可知,在 一定下,当 π k 上升,则 下降,
由此可得出,增压压力越高,经济性越低,机械增压不宜采
用较高的增压比。
/TK??
0? t?
( 3)若 π k= 1,π T= 1,= 1,以 ε 代替 代入( 2- 7)
式,即得到一般非增压内燃机混合循环热效率的公式( 2- 1)。
非增压热效率的影响因素及其比较前面已讲授,这里不再重述。
2.4 内燃机实际循环
内燃机实际循环有着许多不可避免的损失, 它的热效率和
循环功比理论循环的要小, 为了减少实际循环与理论循环在指
标上的差距, 有必要分析其原因 。
c? 0?
图 2- 6 四冲程内燃机实际循环的 p-V示功图
(1) 工质不同 ( 理想循环为双原子气体;实际的为空气和燃烧
产物的混合物 ),
① 工质成分变化
柴油机中, 燃烧前是新鲜空气与上循环的残留废气的混合
物, 燃烧后, 工质成分为燃烧产物 。
② 工质比热变化
a,理想循环工质的比热是不随温度变化的,
实际工质 ( 空气和燃气的混合物 ) 的比热随温度上升而上
升 。
t???
t???
t???
b,理想的双原子气体( O2, N2,空气等)比热比实际的多原
子燃气( CO2,H2O,SO2等)比热小。
如加热量相同,实际循环能达到的最高温度较理想循环的为
低,小些。
③ 工质高温分解
在 1300k以上,燃烧产物发生高温分解,分解会吸收热量,
使循环的最高燃烧温度下降,
④ 工质分子数发生变化 →
燃料燃烧后气体的千摩值会增大, 当工质 V,T相同时, P
会增大, 这有利于循环作功 。
以上四中变化, 以 ② 变化影响最大, 其他影响较小 。
(2) 换气损失
理想循环是闭式循环, 无工质更换, 无流动损失 。 实际循
环, 工质必须更换, 有进, 排气过程 。 工质在进入气缸和排出
气缸时, 以一定的速度流经进, 排气管, 进, 排气道和
t?
t???
t???
t???
t??
进、排气门,有
流动损失。另外
为使废气排除干
净,排气门在下
止点前打开;使
P-V图上的有用功
面积减少 b1— d1 。
图中 b1b1’d1 b1和
d1rtatd1面积
为换气损失。
图 2- 6′ 非增压柴油机理论循环和实际循环 p-V图的比较
( 3)涡流与节流损失
活塞的高速运动使工质在缸内产生涡流, 对分开式燃烧室,
工质流入流出副室时, 会在通道中产生节流损失 。 使
(4) 传热损失
理想循环时假设气缸壁与工质无热交换,实际循环中,
工质与气缸盖,活塞顶,气缸壁,进、排气门有热交换,使
( 5) 燃烧不及时,后燃及不完全燃烧损失
① 燃烧不及时
理想循环假定定容加热是瞬间完成的, 实际循环时, 燃烧
需要一定时间 。
a,喷油常提前:使着火在上止关前开始, 增加了压缩负功
ct’ c1ct ct’ 。
b,燃烧速度有限, 传热损失及在燃烧过程中活塞离开上
止点的运动, 使压力增长 ct z1” < cz’.初膨胀比 减少, 损失
了 cz1”z1。
② 后燃
当接近 z1’点时, 氧浓度降低, 使燃烧速度下降, 在膨胀线 e
t???
t??
t???
t??
t???
?
点还在燃烧。这就是后燃现象。 e点的位置取决于混合气形成
的完善程度,供油规律,过量空气系数的大小及发动机的转速
等因素。一般好的情况下在上止点后 40℃A ~ 70℃A,也可能拖
延到排气门打开。后燃是在后膨胀比较小的情况下进行的,所
以损失了 z1z1’ez1,。
③ 不完全燃烧
由于混合气形成不良引起不完全燃烧, 使燃料热值未充分
利用, 使燃烧膨胀线下移,。
( 6) 漏气损失
理想循环中工质质量不变 。
实际循环中, 气门, 活塞环处有泄露, 一般约为总量的
0.2%。
上面已就实际循环与理论循环的差异做了一般性的比较,
下面将继续讨论压缩, 膨胀过程, 燃烧与换气过程将在后面的
章节详细论述 。
t???
t???
t???
t???
一, 压缩过程
理想循环中, 压缩过程始于下止点, 止于上止点, 是一
个等熵过程, 在整个过程工质数量与比热无变化, 与周壁无
热交换 。
实际循环中,压缩过程始于下止点后一定角度(进气
门完全关闭,为使多进气),结束于上止点前燃油着火时止
(提前喷油,因为燃烧有一定滞后),存在失效行程,它是
一个多变过程,有泄露,比热有变化,与周壁有热交换。
( 1) 压缩过程的作用,
① 扩大了工作循环的温度范围
② 使循环的工质得到更大的膨胀比, 可对活塞多作功 。
③ 提高了工质的温度压力, 为冷起动及着火创造了条件 。
( 2) 压缩比
压缩比是一个描述工质容积变化和压缩程度的参数, 定义
为压缩始点容积比上压缩终点容积, 即, 对不同类型的
t??
a
c
V
V??
?
发动机有不同的要求。
理论上,希望 越大越好。实际上对 有一定
的限制。
原因如下,
① 的上限
a,对点燃式内燃机 ( 如汽油机, 煤气机 ), 在缸内被压缩
的是空气与燃料的混合物, 上限受到可燃混合气早燃或爆
燃的限制 。 因此, 上限取值应考虑到燃料的性质, 传热条
件及燃烧室结构等因素 。
b.对压燃式发动机(如柴油机),上限受到机械负荷 Pc、
Pz,噪声、排放(温度高,NOX上升 ;高温下 CO2 分 解形成 CO)
的限制。当 上升到一定程度时,上升的程度明显减少,
太高反而得不偿失。
② 的下限
a,对点燃式内燃机,在满足上限的限制下,尽量使 高些 。
?? t??? ? ?
?
?
? t?
?
?
?
b,对压燃式发动机(如柴油机),应保证压缩终点的
温度不低于燃料着火燃烧的自燃温度。实际上为便于起动,
比这一要求的温度还应高些。这是因为,
提高 燃烧柔和。
Tc ↑ 改善冷起动性能,一般比自燃温度高 200-300k
一般分开式燃烧室的内燃机以及小缸径内燃机均应有较
高的压缩比 。
化油器式汽油机 6.5~ 11.0
煤气机 6~ 10
非增压柴油机 16~ 22( 直喷式 16~ 18,间喷式 18~ 23 )
11~ 17
( 3) 多变压缩指数
实际循环中, 压缩过程是一个多变过程, 其压缩多变指
数在整个压缩过程中是变化的 。
cT??? ()??? 滞燃期
??? t??
工质受热, n1>k1,工质放热, n1<k1
在压缩初期, 工质的温度低于周围表面的温度, 工质从这
些表面吸热, 此时, n1按大于绝热指数 k1变化 。 实际压缩
曲线 ab比绝热压缩曲线 an要陡 。 当继续压缩, 工质温度与周壁
温度相等, 这时无换热,,n1=k1。 压缩继续进行, 工质
温度进一步增高, 这时工质向周壁传递热量,, n1按小于
绝热指数 k1变化, 实际压缩曲线 ec比绝热压缩曲线 em平坦 。
m-e 绝热压缩
a-n 绝热压缩
a-b-e-c 实际压缩多变过程
图 2-7 压缩曲线图
0dQ? 0dQ?
0dQ?
0dQ ?
0dQ?
实际压缩过程是一个按 n1变化的多变过程, 在实际循环近似
计算时, 采用变化的 n1是困难的, 可以用一个平均的 n1来代之 。
只要计算使压缩过程起点 a和终点 c的工质状态与实际过程相符
即可 。
压缩终点的状态参数可由多变状态方程确定,
MPa ( 2-9)
K ( 2-10)
一般的范围为 1.32~1.39
水冷汽油机 1.36~ 1.39
风冷汽油机 1.39~ 1.42 (因为 Qw ↓→ n1 ↑)
煤气机 1.37~ 1.39
非增压柴油机 1.35~ 1.40
(活塞冷却 )
增压柴油机 1.32~ 1.37 (因为 Ta ↑ → Qw ↑ → n1 ↓ )
(活塞冷却 )
1ncapp??
1 1ncaTT? ??
由 n1的大致范围可知, 实际压缩过程与理想的压缩过程还是
很接近 。
n1的大小主要取决于工质与周壁热交换的情况。因而主要受
下列因素影响,
(1) 转速
热交换时间 tn ↓→ 向气缸壁的传热量 Qw ↓漏气量 ↓ →
(2) 负荷 pt ↑ →
pt ↑ →周壁温度 →工质向周壁传热量 Qw ↓→
(3) 气缸尺寸 ↑ →
气缸尺寸 ↑ →面容比 ↓→工质向周壁传热量 Qw ↓→
(4) 分开式燃烧室的 n1<直接喷射式燃烧室的 n1
因相对散热表面积大,工质热损失多。
(5) 冷却强度 ↑ →
如:水冷比风冷的低
n?? 1n ?
1n ?wT ?
1n ?
1n ?
1n ?
1n?
n??
(6) ↑ →
因为传热量与漏气量 ↑ 。
(7) 进气终了温度 Ta↑ →工质向周壁传热量 Qw ↑ →
如:增压机 n1 <非增压机 n1
二、燃烧过程
在理想循环中, 燃烧是在等容与
等压下进行的, 不存在损失 。
在实际循环中,由于燃烧需要进
行一定的时间,需提前供油,燃烧速
度也不均匀(有急燃、缓燃),且与
活塞运动不同步。
另外,存在缺氧和高温分解,造
成燃烧滞后(不及时),后燃,不完
全燃烧。在图上反映是圆弧线。
? 1n?
1n?
三, 膨胀过程
1,作用:膨胀过程是内燃机的作功过程 。 一部分热能转变
为机械能 。
2,差异:在理想循环中, 膨胀过程为绝热等熵过程 。
在实际过程中是一个多变过程,
① 膨胀过程的前阶段是以燃烧,缓燃和后燃为主的过程,
后一阶段才是以工质膨胀为主的热力过程 。
② 膨胀过程中不仅放出热量, 也改变了工质的成分和数量;
还发生高温分解产物的重新化合;工质向周壁有传热, 传热
强度不断变化;存在漏气;比热变化 。
3,膨胀多变指数 n2
膨胀过程不是绝热过程, 多变指数 n2是变值 。
在膨胀过程中, 工质受热 dQ>0, n2 < k2
工质放热 dQ<0, n2 > k2
图 2-8 柴油机膨胀过程曲线示意图
z z1, 膨胀初期, 后燃较多, 过程接近等温过程, n2 ≈1。
z1 z2,后燃及分解产物重新化合, 工质受热量大于向缸壁
散热量, 所以 dQ>0 工质仍受热, 但比 zz1,少, 所以 n2 < k2 。
z2 z3,后燃减少,分解产物的化合作用仍在进行,工质受
热量等于向缸壁散热量 dQ=0,这时 n2 = k2 。
z3 b,后燃已消失,但高温分解产物化合作用仍在进行,发
出的热量小于工质向缸壁的传热量,工质放热 dQ<0, n2 >k2 。
在膨胀过程的简化计算中,与压缩过程一样,用一不变的
n2来代替变化的 n2,并用不变的 n2计算膨胀终点 pb和 Tb,使
之与实际相符。
膨胀过程可用多变方程表示,
( 2-11)
( 2-12)
Pb, Tb的大致范围,
汽油机 pb =0.35~ 0.5MPa,Tb =1200~ 1500K
非增压柴油机 pb =0.25~ 0.6MPa,Tb =1000~ 1200K
增压柴油机 pb =0.60~ 1.0MPa,Tb =1000~ 1200K
2
1
bz npp ??
2 1
1
bz nTT ? ??
n2的值一般如下,
高速内燃机 n2 =1.15~ 1.24
非冷却活塞柴油机 n2 =1.20~ 1.28
冷却活塞柴油机 n2 =1.25~ 1.30 ( )
汽油机 n2 =1.22~ 1.28
影响 n2的因素,
(1) 转速
当 → 膨胀过程时间
(2) 燃烧速度
后燃 ↓ → 燃烧阶段的热利用系数 工质受热 ↓
(3) 气缸尺寸 ↑ →
当 S/D一定,气缸尺寸大 → 相对散热表面积小,相对漏气
缝隙也小 → 工质受热 ↑ →,
,
2w n? ?? ?
2nn?? ?
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2
w n?? ? ?? ? ?? ????
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工质受热
后燃
2
dx n
d? ?? ?
dx
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2? ? 20,dQ n??
2n?
0dQ? 2n?
(4)负荷 pe ↓ → n2 ↓
n 一定,pe ↓→ 工质平均温度 ↓→ →工质受热 ↑ →
n2 ↓,
四, 换气过程 。
1,作用:更换工质, 使循环能不断进行 。
2.差异:理想循环是闭式循环, 无工质更换, 无换气过程 。
内燃机实际循环必须排除上一循环的废气, 进入新鲜空气,
才能使燃料混合燃烧, 使循环得以进行下去 。
进气时经过进气管和进气道有阻力,非增压机进入气缸的
空气压力低于大气压,为使排气克服排气道、排气管阻力,排
气压力必须大于大气压力才能排出,因此,排气过程的压力大
于大气压力。
进、排气过程的曲线包容的封闭曲线表示作用于活塞上的
负功,人们称之为泵气功。所以换气过程有功的损失。
wQ? 0dQ?
2-5 内燃机工作循环举例
在内燃机中四冲程内燃机要完成一个循环需四个冲程,
二冲程内燃机完成一个循环需要二个冲程 。
一, 四冲程内燃机的工作原理
图 2-10 四冲程内燃机工作循环 ( 汽油机 )
( a) 进气行程 (b) 压缩行程 ( c) 膨胀行程 ( d) 排气行程
二, 二冲程内燃机的工作原理
图 2-11 二冲程内燃机的工作循环(汽油机)
三, 示功图
把内燃机在 1个循环中气缸工质状态的变化, 表示为压力
与容积的关系图 ( p-V 图 ) 或压力与曲轴转角的关系图 (
图 ) 称为示功图 。 示功图可用机械式弹簧示功器, 压电示功器
或气电示功器测录出来 。 目前常用压电示功器 ( 燃烧分析仪 )
测录 图, 但可转换成 p-V 图 。
示功图包含了 许多 反映内燃机性能的信息和数据,是评价
分析内燃机性能的主要手段。
图 2-12( a) 是四冲程汽油机的示功图, 指示功是
W1是正功, W2是泵气功, 对非增压机而言是负功 。
图 2-12( b) 是二冲程汽油机 ( 非增压 ) 的示功图, 二冲
程机没有单独的进排气行程, 只有 ac压缩过程, cd燃烧过程,
da膨胀 ( 作功 ) 过程和 eab扫气过程 。 指示功 abcdea为正功 。
21 WWW i ??
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图 2-12 内燃机示功图