生物與農業工程學院孫舒暢 45090120
一，內燃機的理論迴圈
通常根據內燃機所使用的燃料、混合氣形成方式、缸內燃燒過程(加熱方式)等特點，把火花點火發動機的實際迴圈簡化為等容加熱迴圈，把壓燃式柴油機的實際迴圈簡化為混合加熱迴圈或等壓加熱迴圈，這些迴圈稱為內燃機的理論迴圈。根據不同的假設和研究目的，可以形成不同的理論迴圈，如圖1，a、b和c所示為四衝程內燃機的理想氣體理論迴圈的p-v示功圖。為建立這些內燃機的理論迴圈，需對內燃機的實際迴圈中大量存在的湍流耗散、溫度壓力和成分的不均勻性以及摩擦、傳熱、燃燒、節流和工質洩漏等一系列不可逆損失作必要的簡化和假設，歸納起來有：
1)忽略發動機進排氣過程，將實際的開口迴圈簡化為閉口迴圈。
2)將燃燒過程簡化為等容、等壓或混合加熱過程，將排氣過程簡化為等容放熱過程。
3)把壓縮和膨脹過程簡化成理想的絕熱等熵可逆過程，忽略工質與外界的熱量交換及其洩漏等的影響。
4)以空氣為工質，並視為理想氣體，在整個迴圈牛工質物理及化學性質保持不變，比熱容為常數。
圖1 四衝程內燃機典型的理論迴圈
a)等容加熱迴圈 b)等壓加熱迴圈 c)混合加熱迴圈
通過對理論迴圈的熱力學研究，可以達到以下目的：
1)用簡單的公式來闡明內燃機工作過程中各基本熱力引數間的關係，明確提高以理論迴圈熱效率為代表的經濟性和以迴圈平均壓力為代表的動力性的基本途徑。
2)確定迴圈熱效率的理論極限，以判斷實際內燃機工作過程的經濟性和迴圈進行的完善程度以及改進潛力。
3)有利於比較內燃機各種熱力迴圈的經濟性和動力性。
各種理論迴圈的熱效率和迴圈平均壓力可以依照熱力學的方法進行推導[1-3]。內燃機理論迴圈熱效率和迴圈平均壓力的表示式及特點見表1。
表1 內燃機理論迴圈的比較
注：為等熵指數，為壓縮比，為壓力公升高比，為初始膨脹比。
分析表1中三種理論迴圈的熱效率和平均壓力表示式，不難發現：
1)三種理論迴圈的熱效率均與壓縮比有關，提高壓縮比可以提高迴圈的熱效率。高壓縮比可以提高工質的最高燃燒溫度，擴大了迴圈的溫度階梯，從而使熱效率增加，但熱效率增加率隨著壓縮比的提高而逐漸減小。
2)增大壓力公升高比，可以增加混合加熱迴圈中等容部分的加熱量，使迴圈的最高溫度和壓力增加，因而提高了燃料熱量的利用率，即迴圈的熱效率。
3)增大初期膨脹比，使等壓部分加熱量增加，將導致混合加熱迴圈熱效率的降低，因為這部分熱量是在活塞下行的膨脹行程中加入的，做功能力較低。
4)所有提高內燃機理論迴圈熱效率的措施，以及增加迴圈始點的進氣壓力，降低進氣溫度，增加迴圈供油量(，即迴圈加熱量)等措施，均有利於迴圈平均壓力的提高。
理論上能夠提高內燃機理論迴圈熱效率和平均壓力的措施，往往受到內燃機實際工作條
件的限制：
1)結構強度的限制。儘管從理論迴圈的分析可知，提高內燃機的壓縮比和壓力公升高比。對提高迴圈熱效率和平均壓力均起著有利的作用，但和壓力公升高比的增加將導致最高燃燒壓力和壓力公升高率dp/d的公升高，使發動機的負荷水平、振動和雜訊大大增加，因而受到發動機結構及強度的限制。
為保證發動機的可靠性和使用壽命，考慮發動機的製造成本，在實際選擇上述引數時，須根據具體情況權衡利弊而定。
2）機械效率的限制。內燃機的機械效率與氣缸中的最高燃燒壓力密切相關，而決定曲柄連桿機構的設計。相同轉速下，的增加不僅會使活塞與氣缸套之間的摩擦損失增加，也使得活塞、連桿等運動件的質量及其慣性力增加，軸承的承壓面積加大，從而進一步增加發動機的摩擦損失，因此不加限制地提高或壓力公升高比，將導致機械效率的下降，從有效效能指標上看，使得由壓縮比和壓力公升高比提高而獲得的收益得而復失。
這一點對於本來壓縮比已經很高的柴油機來說更為明顯。
3）燃燒方面的限制。若壓縮比定得過高，汽油機將會產生爆燃、表面點火等不正常燃燒的現象。對於柴油機而言，過高的壓縮比將使壓縮終了時的氣缸容積變得很小，燃燒室的設計和製造難度增加，也不利於混合氣的形成和燃燒的高效進行。
4）排放方面的限制。迴圈供油量的增加取決於實際吸人氣缸內的空氣量，即有空燃比的限制，否則將導致燃燒不完全而出現冒煙、熱效率下降和發動機的hc、co排放激增。另外，內燃機壓縮比的上公升，使最高燃燒溫度和壓力上公升，發動機的nox的排放物增加，振動雜訊增加。
一般地，柴油機的壓縮比在12—22之間，最高爆發壓力不超過14mpa；汽油機的壓縮
比在6-12之間，最高爆發壓力不超過8.5mpa。
二，內燃機的實際迴圈
與內燃機的理論迴圈相比，內燃機的實際迴圈存在著許多不可逆損失，因而不可能達到理論迴圈的熱效率和迴圈平均壓力。分析這些損失，有助於掌握兩者之間的差異及成因，為提高內燃機工作過程的熱效率指明方向。圖2所示為以混合加熱迴圈自然吸氣壓燃式發動機為例的理論迴圈與實際迴圈示功圖，以下將兩者之間的差別分別闡述如下。
一、工質的影響
理論迴圈的工質是理想的雙原子氣體，其物理化學性質在整個迴圈過程中是不變的。在內燃機的實際迴圈過程中，燃燒前的工質是由新鮮空氣、燃料蒸氣和上一迴圈殘留廢氣等組成的混合氣體。在燃燒過程中，工質的成分及質量不斷地變化。
二氧化碳、水蒸氣等三原子氣體成分增加，使工質的比熱容增大，且隨著溫度的公升高而增大，導致實際氣體溫度下降。
同時，燃燒產物還存在著高溫分解及在膨脹過程中的復合放熱現象。
上述因素中，以工質比熱容的影。向為最大，其他各項的影。向相對較小。
這就意味著，由於工質比熱容隨溫度增加而增大，對於相同的加熱量(燃料燃燒的放熱量)，實際迴圈所能夠達到的最高燃燒溫度和氣缸壓力均小於理論迴圈的，其結果是使迴圈的有用功減少，熱效率下降。例如，對於乙個壓縮比為18、過量空氣係數為1．5、最高壓力為8mpa的自然吸氣混合加熱迴圈，其理論熱效率為0．63，當考慮到工質的影響時，其熱效率降為0．51。
圖2所示的內燃機p-v示功圖顯示了工質熱物性對理論迴圈的影響。由於比熱容隨溫度的公升高而增大，使燃燒膨脹過程線(虛線)低於理論迴圈的燃燒膨脹線(點實線)。工質對壓縮過程的影響較小。
上述虛線所圍成的示功圖面積小於理論迴圈點實線所圍成的示功圖面積。
二、傳熱損失
理論迴圈假設，與工質相接觸的燃燒室壁面是絕熱的，兩者間不存在熱量的交換，因而沒有傳熱損失。實際上，缸套內壁面、活塞頂面以及氣缸蓋底面等(統稱壁面)與缸內工質直接接觸的表面，始終與工質發生著熱量交換。在壓縮行程初期，由於壁面溫度高於工質溫度，工質受到加熱，隨著壓縮過程的進行，工質溫度在壓縮後期將超過壁面溫度，熱量由工質流向壁面。
特別是在燃燒和膨脹期，工質大量向壁面傳熱。傳熱損失造成迴圈的熱效率和迴圈的指示功有所下降，同時增加了內燃機受熱零部件的熱負荷。
圖2 自然吸氣壓燃式內燃機
理論和實際迴圈p-v圖的比較
三、換氣損失
內燃機的理論迴圈不考慮換氣過程中氣體流動的阻力損失，而實際迴圈中，在吸人新鮮充量、排出廢氣的過程中，不可避免地造成多種損失，主要有膨脹損失、活塞推出功損失和吸氣功損失。為了保證內燃機有乙個較好的效能，排氣門需要在膨脹行程接近下止點前提前開啟，以排出更多廢氣，降低缸內壓力，減少活塞強制排氣的推出功損失。燃氣在膨脹下止點前開始從氣缸內排出，迴圈沿^，d，線進行，造成了示功圖上有用功面積的減少(圖中陰影區面積6，d：
^)，稱為膨脹損失。在強制排氣和自然吸氣行程中，氣體在流經進排氣管、進排氣道以及進排氣門時，由於各種流動阻力損失，形成活塞推出功和吸氣功損失(自然吸氣)。上述排氣門提前開啟造成的膨脹損失、強制排氣的推出功和吸氣損失功，統稱為換氣損失。
由於進氣節流造成壓力損失，壓縮始點壓力降低。低於進氣管壓力，使整個壓縮線oc處於理論壓縮線iztc，的下方，從而影響到整個迴圈的平均壓力。
四、燃燒損失
根據理論迴圈對燃燒過程的處理，燃燒是外界熱源向工質在等容和等壓條件下的加熱過程。燃燒(加熱)速度根據加熱方式的不同而有差異：在等容條件下加熱，熱源向工質的加熱速度極快，可以在活塞上止點瞬時完成；在等壓條件下加熱，加熱的速度是與活塞的運動速度相配合的，以保證缸內壓力不變。
實際的燃燒過程{柴油機)要經歷著火準備、預混燃燒、擴散燃燒、後燃等階段，燃燒速度受到多種因素的影響，與理論迴圈有較大的差異，這種差異所造成的燃燒損失體現在以下兩個方面。
(一)燃燒速度的有限性
實際的燃料燃燒速度是有限的，燃燒需要足夠的時間來完成，這就造成了內燃機實際迴圈中乙個由燃燒速度的有限性所造成的損失，也稱為時間損失。歸納起來，它給整個迴圈帶來了以下幾方面的不利影響：
(1)壓縮負功增加為了使燃燒能夠在上止點附近完成，燃料的燃燒在上止點前就已經開始了，由此造成了壓縮負功的增加(圖中面積)。
(2)最高壓力下降由於燃燒速度的有限性，等容加熱部分達不到瞬時完成加熱的要求，再加上活塞在上止點後的下行運動使工質體積膨脹，使得實際迴圈的最高壓力有所下降，迴圈的平均壓力和做功能力下降。
(3)膨脹功減少由於理論迴圈假設等容加熱是瞬時完成的，其餘熱量是在等壓的條件下於某一點(z點)前完全加入，而後進入絕熱膨脹過程，而實際迴圈的燃燒持續期長(至e點)，部分熱量是在膨脹行程的z點後加入，這部分熱量的做功能力低，迴圈獲得的膨脹功減少。
(二)不完全燃燒損失
理論上在空氣充分的條件下，燃料能夠完全燃燒，釋放出所有化學能，但實際上仍會有很少一部分燃油由於附著到燃燒室壁面、熄火等原因，沒有燃燒或沒有完全燃燒，以未燃hc、co和碳煙顆粒等形式排出機外，此外還存在一定的高溫分解等，所有這一切造成了燃料的不完全燃燒損失。
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2 1 內燃機的動力效能和經濟效能指標為什麼要分為指示指標和有效指標兩大類？表示動力效能的指標有哪些？它們的物理意義是什麼？它們之間的關係是什麼？表示經濟效能的指標有哪些？它們的物理意義是什麼？它們之間的關係是什麼？答 1 指示效能指標是以工質對活塞做功為基礎的指標。能評定工作迴圈進行的好壞。有效效...
內燃機溫度測量
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十內燃機技術
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