【正文】 燃料的化學(xué)能先通過燃燒變?yōu)闊崮埽缓笤偻ㄟ^工質(zhì)的狀態(tài)變化使熱能變?yōu)闄C(jī)械能。柴油機(jī)的實(shí)際循環(huán)是由一系列非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程所組成的。為了掌握內(nèi)燃機(jī)熱功轉(zhuǎn)換的主要規(guī)律，需要對(duì)實(shí)際循環(huán)作某些簡(jiǎn)化和假定，抽象成為理論循環(huán)，這樣才有利于分析和研究。這些假定條件是：(1) 以空氣作為循環(huán)的工質(zhì)，其比熱容為常數(shù)，不隨溫度變化；(2) 研究的體系是封閉的。以熱源的傳熱代替燃料燃燒的放熱，以向冷源傳熱代替排氣過程向大氣放熱，工質(zhì)的質(zhì)量和成份自始至終都保持不變；(3) 構(gòu)成循環(huán)的各個(gè)過程均是可逆的 [3]。理論循環(huán)和實(shí)際循環(huán)雖然存在一定的差別，但這種從實(shí)際到理論的抽象、概括和簡(jiǎn)化是合理的，并接近實(shí)際，這樣對(duì)理論循環(huán)的分析和計(jì)算結(jié)果不僅具有一般的理論指導(dǎo)意義，而且也具有一定的精確性。通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的研究，可以確定出最大可能的熱量利用率（循環(huán)熱效率）和氣缸容積利用程度（循環(huán)平均壓力） ，由此可以分析出來影響內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的主要因素，從而找到提高內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)的基本途徑。在內(nèi)燃機(jī)的理論循環(huán)中，工質(zhì)的放熱過程一般在等容積方式下進(jìn)行，而吸熱過程則有三種不同的方式：一是先在等容后在等壓方式下進(jìn)行；二是在等容積方式下進(jìn)行；三是在等壓方式下進(jìn)行 [4]。因此，在內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)中有三種不同循環(huán)可供考慮，即混合循環(huán)、等容循環(huán)和等壓循環(huán)。圖 21 理論循環(huán)示功圖圖 21(a)表示混合循環(huán)的燃料在氣缸中的變化情況，這是將燃料壓力容積的變化畫在PV 坐標(biāo)紙上，稱為 PV 示功圖。在壓縮過程中燃料的容積變化以壓縮比表示，即柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析6cscaV???式中， 為全壓縮行程中活塞排量容積， 為燃燒室容積。sV在壓縮行程后，燃料先以等容積方式沿 cy 線自熱源吸入熱量 ，之燃料氣體壓力達(dá)39。1Q到 值；然后燃料以等壓方式自熱源吸入另一部分熱量 ，這一吸熱過程是沿 zy 線進(jìn)行zp 39。1的。 即循環(huán)從熱源吸入的總熱量。沿 cy 等容線的壓力升高以壓力升高比表示，139。39。1Q??即 ；而沿 yz 線的容積變化以初膨脹比 表示，即 。cz/? ?czV/?當(dāng)活塞自 z 點(diǎn)繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，燃料沿 zb 線膨脹至 b 點(diǎn)。這一膨脹過程可用方程式表示，膨脹的容積比叫做后膨脹比，以 表示，即 。 與 及 的關(guān)系CpVk? ?zb/???如下式所示： ??????zcbzV在膨脹行程的終了，燃料中的熱量 排出至冷源，燃料的壓力沿等容積線 ba 變化。2Q比值 、 、 及 是與循環(huán)性能有關(guān)的主要參數(shù)。????循環(huán)所做的功以 表示，若示功圖按照一定的比例繪制時(shí)，則面積 acyzba 表示 。tW tW循環(huán)所做功的熱當(dāng)量等于吸入熱量與排出熱量之差，即 21At??式中，A——單位功的熱當(dāng)量，A=1/427 千卡/。循環(huán)的熱效率以 表示，即t? (21)121QAWtt ???循環(huán)熱效率表示在一個(gè)理想發(fā)動(dòng)機(jī)中熱量轉(zhuǎn)換為功的完善程度。在工程熱力學(xué)課程中已知混合循環(huán)的熱效率用下式表示： (22))1(1?????????kkt式中，K 為絕熱指數(shù), ； 為氣體在等壓下的比熱； 為氣體在等容下的比熱。vpCk/p vC公式（22 ）為理想的燃料（比熱不隨溫度變化的氣體）在一個(gè)理想發(fā)動(dòng)機(jī)混合循環(huán)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析7所達(dá)到的熱效率。等容循環(huán)的示功圖如圖 21（b） 所示。圖中所示的熱力過程說明如下：ac 線——?dú)怏w等溫壓縮， ；CpVk?cz 線— —?dú)怏w在等容下由熱源吸入熱量 ；1Qzb 線——?dú)怏w等溫膨脹， ；kba 線——?dú)怏w在等容下排出熱量 至冷源。2等容循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量 的規(guī)律不同。在等容循環(huán)中，因?yàn)?所以初膨脹比為czV? ?czV?其后膨脹比為 ??cbz即循環(huán)壓縮比 等于膨脹比 。將 代入式（22）中，可得等容循環(huán)的熱效率為?1?? （23）1?kt??等壓循環(huán)的示功圖如圖 21(c)所示，圖中所示的熱力過程說明如下：ac 線——?dú)怏w等溫壓縮， ；CpVk?cz 線— —?dú)怏w在等壓下由熱源吸入熱量 ；1Qzb 線——?dú)怏w等溫膨脹， ；kba 線——?dú)怏w在等容下排出熱量 至冷源。2等壓循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量 的規(guī)律不同。在等壓循環(huán)中，由于熱1Q量 加入時(shí)壓力不變，即 ，因此其壓力升高比為：1Qczp?1?czp?將 代入式（22） ，可得等壓循環(huán)的熱效率為1?? （24）)1(1????kt對(duì)上述三種理論循環(huán)的熱效率進(jìn)行比較得知，在當(dāng)壓縮比相同時(shí)，等容循環(huán)的熱效柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析8率大于等壓循環(huán)的，而混合循環(huán)的熱效率界于兩者之間，即 等 壓混 合等 容 ttt ??如果三種理論循環(huán)在最大壓力相同、加入熱量相同而不同進(jìn)行比較，則等壓循環(huán)的熱效率將大于等容循環(huán)的，而混合循環(huán)的熱效率居兩者之間，即 等 容混 合等 壓 ttt?這是由于在溫度不變的情況下等壓循環(huán)的最大而等容循環(huán)的最小的緣故 [5]。 柴油機(jī)的實(shí)際熱循環(huán) 內(nèi)燃機(jī)理論循環(huán)的分析是以各種假定條件為前提的，但在實(shí)際的內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中不可避免的有許多方面的損失，使其不能達(dá)到理論循環(huán)的指標(biāo)。為了改善內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)，必須分析比較實(shí)際循環(huán)和理論循環(huán)之間的差距，以及引起各種差距的原因 [6]。(1) 工質(zhì)變化的影響在理論循環(huán)中，假定工質(zhì)為空氣，而在實(shí)際循環(huán)中，燃燒前的工質(zhì)是新鮮空氣與上一循環(huán)殘留廢氣的混合物，燃燒后的工質(zhì)變?yōu)槿紵a(chǎn)物——廢氣。在理論循環(huán)中，假定工質(zhì)的比熱容為定值，而在實(shí)際上空氣和燃?xì)饩哂衅浔葻崛蓦S溫度的上升而增大的性質(zhì)，其結(jié)果是使循環(huán)熱效率和平均壓力有所降低。(2) 換氣損失理論循環(huán)假定研究的體系是封閉的，以向冷源定容放熱代替排氣過程，即不考慮進(jìn)氣和排氣過程，無需進(jìn)行工質(zhì)的替換。但事實(shí)上，燃燒廢氣的排出和新鮮空氣的吸入是維持實(shí)際循環(huán)得以周而復(fù)始地進(jìn)行所必不可少的。在換氣過程中，排氣門必須提前打開，讓廢氣在下止點(diǎn)前便利用本身的壓力排出，這將使有用功面積有所減少；接下去進(jìn)行排氣和進(jìn)氣過程時(shí)，由于進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，又需要消耗一部分功，這倆者之和就是實(shí)際循環(huán)的換氣損失。(3) 傳熱損失在理論循環(huán)中，假定構(gòu)成循環(huán)的各過程是可逆的，即假定燃料與氣缸蓋、活塞頂、氣缸壁、進(jìn)排氣閥等受熱件完全沒有熱交換。但在實(shí)際循環(huán)中，汽缸壁（包括汽缸套、汽缸蓋、活塞、活塞環(huán)、氣門、噴油嘴等）和工質(zhì)之間始終存在著熱量的交換，特別是在燃燒和膨脹期間具有強(qiáng)烈的傳熱損失，減少了有用功的面積；另一方面，在壓縮過程初期，由于汽缸壁溫度較高而使工質(zhì)加熱，而在壓縮過程后期，隨著工質(zhì)溫度超過汽缸壁溫度便發(fā)生了從工質(zhì)向汽缸壁相反的熱量傳遞。此外，由于工質(zhì)比熱容的變化以及工質(zhì)與汽缸壁之間的熱量交換，是實(shí)際的壓縮過程和膨脹過程不是絕熱的，而是按照平均多變指數(shù)進(jìn)行。(4) 燃燒損失燃燒損失包括時(shí)間損失和后燃及不完全燃燒損失兩項(xiàng)： (a)時(shí)間損失在時(shí)間概念上，理論循環(huán)假定活塞以無限緩慢的速度運(yùn)動(dòng)，以保持汽缸內(nèi)的工質(zhì)始終處于平衡狀態(tài)，并且假定由熱源向工質(zhì)進(jìn)行等容加熱的速度極快，是瞬時(shí)完成的。在等壓加熱時(shí)，加熱的速度又能與活塞的速度密切配合，以實(shí)現(xiàn)等壓加熱。但是，實(shí)際柴油機(jī)的活塞都具有相當(dāng)高的運(yùn)動(dòng)速度，而且燃料著火至完全燃燒需要一定的時(shí)間。為了使整個(gè)燃燒過程能在上止點(diǎn)后不久即結(jié)束，以保證燃料輸入的熱量能充分的膨脹而有效利用，實(shí)際上總是將燃料提前噴入汽缸，以使著火能在上止點(diǎn)以前開始，其結(jié)果增加了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析9壓縮消耗功；此外，由于燃燒期間存在著傳熱損失，活塞的高速運(yùn)動(dòng)以及不完全燃燒現(xiàn)象，使循環(huán)最高壓力和初期膨脹比有所降低，減少了膨脹有用功。(b) 后燃及不完全燃燒損失在理論循環(huán)中，全部熱量是在 Z 點(diǎn)以前輸入完畢，然后轉(zhuǎn)入絕熱膨脹過程。但是在實(shí)際循環(huán)中，當(dāng)接近 Z 點(diǎn)時(shí)，由于氧氣濃度的降低而引起燃燒速度下降，因而直到膨脹線以前還在繼續(xù)燃燒著，這就是所謂的后燃現(xiàn)象。后燃期間熱功轉(zhuǎn)換的效率，由于膨脹比小和傳熱損失大而大大下降，造成了燃燒中的后燃損失，使燃燒膨脹線位置下移。此外，由于空氣不足，或者混合氣形成不良多引起的不完全燃燒，使燃料的熱值未得到充分利用，這也促使燃燒膨脹線下移，產(chǎn)生不完全燃燒損失。(5) 氣流運(yùn)動(dòng)及泄露損失活塞的高速運(yùn)動(dòng)使工質(zhì)在汽缸內(nèi)產(chǎn)生渦流而造成壓力損失。當(dāng)采用分開式燃燒室時(shí)，工質(zhì)在主、副燃燒室之間的流入和噴出將引起強(qiáng)烈的節(jié)流損失。但這些損失由于氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)混合氣形成和燃燒的改善可以部分地彌補(bǔ)過來 [7]。活塞環(huán)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不可避免地會(huì)造成少量工質(zhì)的泄露，而產(chǎn)生泄露損失。以上各項(xiàng)損失中，除了工質(zhì)影響這一項(xiàng)人們很難加以改變外，使實(shí)際循環(huán)遭受較大損失的是傳熱損失和燃燒損失。因此，對(duì)四沖程的柴油機(jī)來說，理論循環(huán)的熱效率一般可達(dá) 60%左右，但是，由于各項(xiàng)損失的存在，使實(shí)際循環(huán)的的熱效率一般僅為 40%左右，即實(shí)際循環(huán)的熱效率約為理論循環(huán)的 70%左右。 熱力學(xué)計(jì)算即求平均指示壓力在進(jìn)行柴油機(jī)的熱計(jì)算時(shí)，常用分析法求出平均指示壓力 [2]。因?yàn)?，進(jìn)行設(shè)計(jì)柴油機(jī)的熱力計(jì)算時(shí)，柴油機(jī)還沒有制造出來，當(dāng)然無法量取示功圖。有時(shí)連計(jì)算的示功圖也沒有畫出來，這時(shí)分析方法就顯得方便些。平均指示壓力 的計(jì)算分為兩步：第一mip步先求出理論示功圖的平均指示壓力的值 ；第二步再將理論平均指示壓力的值 乘39。mip 39。mip以示功圖的豐滿系數(shù) ，得出近似實(shí)際值 [8]。?i圖 22 理論示功圖(1) 值的計(jì)算39。mip柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析10在圖 22 的理論示功圖上，一個(gè)循環(huán)的理論指示功 為39。iW （25）aczbyi ???39。由熱力學(xué)知 )1()1(???????cczczzy VppVpW式中， 為前膨脹比czzcVp???。 )1(])(1[212 22 ???nbzzzb Vpnp???式中， 為后膨脹比。zbV?? )1(])(1[121 ????naccac VpnVpW?式中 為壓縮比。caV??將上列 、 及 的式子代入式（25）中得yzbac （26）nmKgnnVpWnci /)]1()1()1([ 1239。 2 ????? ????上式等號(hào)兩層各以 相除并以 代 ，得s??sckg/m2 （27）)]1()1()1([ 1239。39。 2 ???? nnesimipV ?????式（27 ）為四沖程等容 等壓混合循環(huán)的理論平均指示壓力 的計(jì)算式。這一式子39。mip對(duì)增壓柴油機(jī)和非增壓柴油機(jī)都是適用的。上述的 計(jì)算式是以氣缸的單位工作容積為準(zhǔn)，而與氣缸的幾何尺寸無關(guān)，所以39。mip是便于作為各種氣缸尺寸的柴油機(jī)相互間進(jìn)行比較的依據(jù) [9]。39。mi(2) 示功圖的豐滿系數(shù) 及 值?mip柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析11由圖 22 可以看出，理論示功圖（帶方棱的實(shí)線部分）大于實(shí)際示功圖（圖中虛線部分） ，主要是由于： (a) cyz 部分圓整所損失的面積。這是由于噴油不是在上止點(diǎn)，而是有一定的噴油提前角；燃燒也不是瞬時(shí)完成，而是需要延續(xù)一定時(shí)間所引起的。(b) ba 部分圓整損失的面積。這是由于排氣閥開啟不是在下止點(diǎn)，而是在下止點(diǎn)前提前開啟所引起的。實(shí)際示功圖面積 與理論示功圖面積 之比叫做示功圖豐滿