柴油机的工作循环.doc

第四节 柴油机的工作循环 一、柴油机的两种示功图 研究柴油机气缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映缸内实际情况的实验数据来。最常见的是测量气缸的压力，因为容易测量，且测得工质压力后，利用热力学的基本公式，还能求出工质温度、内能、计算焓、功和热量等热力参数，这样即可分析循环了。 表示气缸内工质压力变化的图形叫示功图。它有p-V示功图和p-(示功图两种形式，现结合柴油机的实际循环加以说明。 1．p-V示功图 气缸内的工质压力随气缸容积变化的图形叫p-V示功图，又称压力－容积图，亦可视为压力与活塞位置的函数关系，如图1-4-1所示。该图上曲线包围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，故习惯上称为示功图。 在图1-4-1中，draa为进气过程，ac为压缩过程，cze是燃烧过程，eb为膨胀过程，bbrr 是排气过程，drr为进、排气阀重叠开启、燃烧室扫气阶段。上面的环形面积faczebbf表示工质从压缩行程到膨胀行程作的正功（向外输出），下面的环形面积fdrrf代表工质在进、排气行程中作的功，在增压柴油机中亦为正值；但在非增压四冲程柴油机的p-V示功图（图1-4-2）中，此功（即环形面积aafrrda）为负，即消耗功，（因为进气压力线rda在排气压力线brr下面）。此负功在柴油机循环的分析中称泵气损失。 图1-4-3为二冲程柴油机的p-V示功图。进、排气过程没有占用单独的活塞行程，因而也没有相应的环形面积。图中，b、a－排气口开启、关闭，d、g－扫气口开启、关闭，bdfga－进、排气过程。环形面积aczebfa代表工质在一个循内对外作的功。 2．p-(示功图 气缸内的工质压力随曲轴转角变化的图形叫p-(示功图。p-V示功图不适于研究燃烧过程，因为燃烧过程发生在上止点附近，此时活塞运动速度（相当于气缸容积变化速率）很慢，难以从p-V图上看出这一区间内压力变化的特点。若以曲轴转角为横座标就清楚了，这等于把上止点附近的压力变化图形展开，故又称展开示功图，在柴油机性能研究中得到广泛的应用。 图1-4-4为p-(示功图，由于它主要用于分析燃烧过程，故只画出了压缩与膨胀行程部分，即360(。b为排气阀开启时刻，a为进气阀关闭时刻，其他点号与图1-4-1同。增压与非增压柴油机有类似的图形，二冲程柴油机的p-(示功图也与此基本相同。必须指出，p-(示功图曲线下的面积不能直接代表工质在一个循环内对活塞作的功，需经一定的数学运算才能求出。 上述两种示功图均可用电子示功器测出，活塞位移与曲轴转角两者可互相转换。 二、柴油机的理想循环 在柴油机中，为了连续实现燃料化学能——热能——机械能的转换，需不断重复由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程组成的循环，其实际进行情况十分复杂。 为了能用热力学的基本理论和公式分析研究柴油机循环，需将实际循环理想化和抽象化。基于热力学基本理论建立起来的柴油机循环称为理想循环，对它作了如下几点假定： （1） 工质为理想气体，其分子量与比热同纯空气在物理标准状态时的相同。在整个循环中，比热和化学成分不变。燃料的燃烧过程用外界热源向工质加热过程代替，其方式可以是定容、或定压、或定容与定压混合过程； （2）循环为闭口体系，不更换工质，其数量也不变，故无进、排气过程与气体的漏泄； （3）压缩与膨胀过程为绝热过程，与外界没有热交换，也不存在摩擦； （4）废气排出带走热量的过程用工质向外界冷源放热过程代替。 因此，这样的理想循环是一个闭口体系的可逆热力循环。在能量转换过程中只有冷源损失，对四冲程和二冲程柴油机都适用。由于对工质所作的假定，有人称它为空气标准循环。 柴油机的理想循环有四种（图1-4-5）： （1）定压加热循环（图a）。此循环只有定压加热过程2-3而没有定容加热过程。现代高增压柴油机为防止pz过高，限制NOx的排放又要求功率大而采用定压燃烧方式工作的柴油机，即近似按此循环工作。理论热效率(t和平均理论压力pt公式见表1-4-1。 （2）定容加热循环（图b）。与混合加热循环的区别是只有定容加热过程5-6而没有定压加热过程。减功率经济（低油耗）型柴油机或柴油机在部分负荷工作时，即近似按此循环工作。 （3）混合加热循环（图c）。其过程包括：1-8——绝热压缩，8-9-10——混合加热（定容加热8-9和定压加热9-10），10-11——绝热膨胀，11-1——定容放热。一般柴油机按此循环工作。 （4）继续膨胀混合加热循环（图d）。工质由11点一直膨胀到12，此时压力与循环始点1的压力pa相等，然后定压放热12-1。 若在柴油机气缸内实现这种循环，气缸势必做得很长。故令膨胀分两步完成：10-11在气缸内，11-12