發動機循環過程的研究

李忠濤重慶交通大學

發動機循環過程的研究

李忠濤
重慶交通大學

首先，通過分析四沖程發動機等容加熱循環、等壓加熱循環和混合加熱循環3個理論循環過程，得出循環熱效率和循環平均壓力兩個指標的影響因素。然后，通過對發動機實際循環過程中進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個過程的研究，以及對柴油機的理論循環和實際循環的差異分析，總結了影響發動機實際循環過程中損失的因素。最后，強調了分析發動機循環過程對提高發動機的熱效率具有重要意義。

發動機；理論循環；實際循環；熱效率

前言

隨著經濟水平的不斷提高，家用轎車和工程機械的數量在不斷地增加，據統計，截至2014年，我國民用汽車擁有量為14598.11萬輛。其中，不管是家用轎車還是工程機械，它們核心部件是發動機，可以說發動機是它們的心臟。同時，任何發動機都有各自的工作循環過程，這個循環過程有理論循環和實際循環過程。現階段，由于發動機的理論循環和實際循環過程的差異比較大，造成了發動機循環效率比較低。為了改善發動機實際循環和減少與理論循環指標的差距，研究發動機的循環過程對提高發動機的熱效率就顯著尤為重要。

1.發動機循環過程簡介

1.1理論循環過程

由于發動機在工作過程中的過程是十分復雜的，為了對發動機進行定量分析，將它的實際工作過程加以簡化，得出了發動機的理論循環過程。在討論發動機的理論循環過程是必須要對實際過程進行簡化，假設條件如下：①假設汽缸內的工質在標準狀況下為理想氣體，在整個循環過程中工質的性質不發生變化，比熱容為固定值，且數量不變，即不考慮進、排氣過程，且忽略漏氣的影響；②假設在壓縮和膨脹過程均是絕熱過程，不考慮熱損失；③假設燃燒過程為等容或等壓過程，且循環過程為可逆循環。

1.1.1三種基本理論循環過程

發動機有三種基本理論循環過程，即：等容加熱循環、等壓加熱循環和混合加熱循環。在四沖程發動機中，這三種理論循環過程均只研究壓縮和燃燒過程。1）對于汽油發動機來說，其油氣混合氣燃燒速度快，導致其氣缸內的溫度和壓力增長迅速，所以認為其燃燒過程基本上是在容積不變的條件下進行的，即可簡化為等容加熱循環。2）對于高增壓和低速大型柴油發動機來說，由于受到燃燒最高壓力的限制，大部分燃料是在活塞到達上止點以后燃燒的，所以認為其燃燒過程基本上是在壓力不變的條件下進行的，即可簡化為等壓加熱循環。3）對于高速柴油發動機來說，其燃燒過程可以認為是先等容加熱、后等壓加熱的組合，即可簡化為混合加熱循環。

1.1.2影響循環熱效率和循環平均壓力的因素

根據工程熱力學的知識，可以得出影響循環熱效率和循環平均壓力的因素。

循環熱效率ηt的影響因素。1）壓縮比ε：在其他條件不變的情況下，隨著壓縮比的增加，等容加熱循環、等壓加熱循環和混合加熱循環這3種理論循環過程的熱效率均提高。2）絕熱指數k：在其他條件不變的情況下，隨著k值的增大循環熱效率ηt提高。3）壓力升高比λ和預脹比ρ：等容加熱循環中，隨著壓力升高比λ的增加循環熱效率ηt不變；等壓加熱循環中，隨著預脹比ρ的增大循環熱效率ηt減小；混合加熱循環中，壓力升高比λ越大循環熱效率ηt越大，預脹比ρ越大循環熱效率ηt越小。

1.2實際循環過程

在發動機的實際工作中，燃料燃燒的熱能連續不斷地通過工質的膨脹轉化為機械能，這種循環過程就是實際循環過程。四沖程發動機的實際循環過程較理論循環過程復雜的多，包括了進氣、壓縮、燃燒、膨脹和排氣5個工作過程，故在實際循環過程中存在著許多的能量損失，且相較理論循環過程的循環效率也低得多。

①進氣過程。將外界新鮮空氣吸入汽缸的過程。在進氣過程中，曲軸旋轉通過連桿帶動活塞自上止點移向下止點，由于存在進氣提前角，在活塞接近上止點時，進氣門便開啟，同時由于排氣遲后角，在活塞離開上止點后，排氣門關閉。

②壓縮過程。將汽缸內的工質進行壓縮增溫增壓的過程。在壓縮過程中，曲軸旋轉通過連桿帶動活塞自下止點移向上止點，進、排氣門均處于關閉狀態，工質被壓縮，其壓縮程度用壓縮比ε表示。對工質進行壓縮的目的是使工質獲得最大的膨脹比，提高循環的熱效率，為燃燒過程創造良好的燃燒條件。一般來說，柴油機的壓縮比為16～20，汽油機的為6～9。

③燃燒過程。將工質的化學能轉變為熱能的過程。在燃燒過程中，進、排氣門均處于關閉狀態，活塞在上止點附近。事實上，無論是柴油機還是汽油機，燃燒都不是瞬時完成的，因此還存在非瞬時燃燒。

④膨脹過程。將熱能轉變為機械能的過程。在膨脹過程中，曲軸旋轉通過連桿帶動活塞自上止點移向下止點，進、排氣門均處于關閉狀態，汽缸內工質的壓力和溫度不斷下降。膨脹過程是一個非常復雜的多變過程，而且還進行補燃，存在著多種損失。

⑤排氣過程。將汽缸內的廢氣排出到外界當中的過程。在排氣過程中，曲軸旋轉通過連桿帶動活塞自下止點移向上止點，由于存在排氣氣提前角，在活塞接近下止點時，排氣門便開啟，同時由于進氣遲后角，在活塞離開下止點后，進氣門關閉。

2.發動機實際循環與理論循環的差異

發動機的實際循環與理論循環存在著很大的差異，主要體現在實際循環相較理論循環存在著各種損失。

2.1工質變化引起的損失。在實際循環中，由于汽缸內工質的組分、比熱和數量是不斷變化的，導致發動機產生部分損失。

2.2換氣損失。將外界新鮮空氣吸入汽缸和將汽缸內廢氣排出的過程中存在的損失。換氣損失包括自由排氣損失和強制排氣損失。

2.3非瞬時燃燒和補燃損失。在燃燒過程中，由于燃燒的非瞬時性，致使燃燒存在一定的延時，因此存在非瞬時燃燒損失；在膨脹過程中，由于存在補燃，形成了補燃損失。

2.4傳熱損失。在實際循環中，由于壓縮和膨脹過程均不是絕熱過程且為復雜的多變過程，工質始終通過機體與外界進行熱交換，使循環功降低，即傳熱損失。

在各種損失中，損失最大的是燃燒和傳熱損失。柴油發動機的理論熱效率約為60%，由于各種損失的存在，導致柴油發動機的實際熱效率僅為40%左右。由此可見，通過研究發動機的循環過程來找出循環過程中的各種損失，從而尋找最佳的解決方案，對提高發動機的熱效率有著非常重要的意義。

[1]曹源文，馬麗英等.工程機械發動機原理與底盤理論[M].北京：人民交通出版社，2010:3-11.

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