【正文】 程式CpVk ? 表示，膨 脹的容積比叫做后膨脹比，以 ? 表示，即 zb VV /?? 。 比值 ? 、 ? 、 ? 及 ? 是與循環(huán)性能有關(guān)的主要參數(shù)。循環(huán)所做功的熱當量等于吸入熱量與排出熱量之差，即 21 AWt ?? 式中， A—— 單位功的熱當量， A=1/427 千卡 /公斤 .米。在工程熱力學課程中已知混合循環(huán)的熱效率 用 下式表示： )1(1 111 1 ??? ???? ? ??? ???? kkkt (22) 式中， K 為絕熱指數(shù) , vp CCk /? ； pC 為氣體在等壓下的比熱； vC 為氣體在等容下的比熱。 等容循環(huán)的示功圖如圖 21（ b） 所示。 等容循環(huán)與混合循環(huán)的差別僅在于吸入熱量 1Q 的規(guī)律不同。將 1?? 代入式（ 22）中，可得等 容循環(huán)的熱效率為 111 ??? kt ?? （ 23） 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 —— 氣體等 溫 壓縮， CpVk ? ； cz 線 —— 氣體在等壓下由熱源吸入熱量 1Q ； zb 線 —— 氣體等 溫 膨脹， CpVk ? ； ba 線 —— 氣體在等容下排出熱量 2Q 至冷源。在等壓循環(huán)中，由于熱量1Q 加入時壓力不變，即 cz pp ? ，因此其壓力升高比為： 1?? czpp? 將 1?? 代入式（ 22），可得等壓循環(huán)的熱效率為 )1( 111 1 ???? ? ???? kkkt （ 24） 對上述三種理論循環(huán)的熱效率進行比較得知，在當壓縮比相同時 ，等容循環(huán)的熱效率大于等壓循環(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 柴油 發(fā)動機 及其曲柄連桿機構(gòu) 動力分析 8 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]。為了改善內(nèi)燃機的實際循環(huán)，必須分析比較實際循環(huán)和理論循環(huán)之間的差距，以及引起各種差距的原因 [6]。 在理論循環(huán)中，假定工質(zhì)的比熱容為定值，而在實際上空氣和燃氣具有其比熱容隨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。但事實上，燃燒廢氣的排出和新鮮空氣的吸入是維持實際循環(huán)得以周而復(fù)始地進行所 必 不可少的。 (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、進排氣閥等受熱件完全沒有熱交換。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)進行。在等壓加熱時，加熱的速度又能與活塞的速度密切配合，以實現(xiàn)等壓加熱。為了使整個燃燒過程能在上止點后不久即結(jié)束，以保證燃料輸入的熱量能充分的膨脹而有效利用，實際上總是將燃料提前噴入汽缸，以使著火能在上止點以前開始，其結(jié)果增加了壓縮消耗功；此外，由于燃燒期間存在著傳熱損失，活塞的高速運動以及不完全燃燒現(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。但是在實際循環(huán)中，當接近 Z 點時，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。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。當采用分開式燃燒室時，工質(zhì)在主、副燃燒室之間的流入和噴出將引起強烈的節(jié)流損失。 活塞環(huán)在往復(fù)運動中不可避免地會造成少量工質(zhì)的泄露，而產(chǎn)生泄露損失。因此，對四沖程的柴油機來說，理論循環(huán)的熱效率一般可達 60%左右，但是，由于各項損失的存在，使實際循環(huán)的的熱效率一般僅為 40%左右，即實際循環(huán)的熱效率約 為理論循環(huán)的 70%左右。因為，進行設(shè)計柴油機的熱力計算時，柴油機還沒有制造出來，當然無法量取示功圖。平均指示壓力 mip 的計算分為兩步：第一步先求出理論示功圖的平均指示壓力的值 39。mip 乘以示功圖的豐滿 系數(shù) ? ，得出近似實際值 mip [8]。mip 值的計算 在圖 22 的理論示功圖上，一個循環(huán)的理論指示功 39。 （ 25） 由熱力學知 柴油 發(fā)動機 及其曲柄連桿機構(gòu) 動力分析 10 )1()1( ?????? ?? ccczczczzzyz VpVVVpVpVpW 式中，czzc VVpp ?? ?? 。 )11(1])(1[1 1112 11 ?? ?????? ncacccac n VpVVn VpW ? 式中caVV?? 為壓縮比。 12 ????????? ?? ?????? （ 26） 上式等號兩層各以 sV 相除并以 11?? 代scVV ，得 )]11(11)11(1)1([1 111239。 12 ?? ?????????? nnesimi nnpVWp ??????? kg/m2 （ 27） 式（ 27）為四沖程等容 等壓混合循環(huán)的理論平均指示壓力 39。這一式子對增壓柴油機和非增壓柴油機都是適用的。mip 計算式是以氣缸的單位工作容積為準，而與氣缸的幾何尺寸無關(guān)，所以 39。 (2) 示功圖的豐滿系數(shù) ? 及 mip 值 由圖 22 可以看出，理論示功圖（帶方棱的實線部分）大于實際示功圖（圖中虛線部分），主要是由于： (a) cyz 部分圓整所損失的面積。 (b) ba 部分圓整損失的面積。 實際示功圖面積 pF 與理論示功圖面積 TF 之比叫做示功圖豐滿系數(shù) ? ，即 柴油 發(fā)動機 及其曲柄連桿機構(gòu) 動力分析 11 TpFF?? 在四沖程非增壓柴油機中， ? =~，這一豐滿系數(shù)不包括進氣排氣行程的泵氣損失，一般，將泵氣損失計算在機械損失之內(nèi)，所以非增壓四沖程柴油機的 pi 值為 39。 在四沖程增壓柴油機中，理論示功圖 cyz 部分圓整和四沖程非增壓柴油機一樣。 小結(jié) 本章對 WD175 的熱力學過程進行了理論分析 ， 對其實際循環(huán)與理論循環(huán)作了全面的闡述 ， 為以后動力學過程分析 中 缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn) 角 (或時間 )變化的計算提供依據(jù)。它只考慮燃料在氣缸內(nèi)有關(guān)參數(shù)的各種損失，而不考慮燃料膨脹對活塞做功傳到曲軸輸出端所引起的各種摩擦損失。 平均指示壓力 平均指示壓力 mip 為內(nèi)燃機單位氣缸工作容積的指示功。這樣，平均指示壓力 mip 就與氣缸的工作容積大小無關(guān)了，使之成為從柴油機實際工作循環(huán)的角度來衡量氣缸工作容積 Vs 利用率高低的一個參數(shù)。因此，平均指示壓力是衡量柴油機實際循環(huán) 做功 能力大小的一個很重要的性能參數(shù)。額定工況下的 mip 值一般為： 四沖程增壓柴油機 mip =850~2600kPa； 四沖程非增壓柴油機 mip =686~981kPa； 二沖程柴油機 mip =350~1300kPa； 影響柴油機平均指示壓力 mip 的主要因素一般有如下五個方面： (1)增壓度 當柴油機的過量空氣系數(shù) α不變時，提高增壓度即提高進缸空氣質(zhì)量，并相應(yīng)地提高柴油 發(fā)動機 及其曲柄連桿機構(gòu) 動力分析 13 每循環(huán)的噴油量，平均指示壓力 mip 將隨著 pk 的提高成正比的提高。 α增大意味著空氣 的 燃油比逐漸變大。當 ≥α＞ 2 時，隨著 α的提高，混合氣逐 漸變的比較稀薄， mip 的增加就變得很緩慢。 (3)換氣質(zhì)量 柴油機的換氣質(zhì)量愈好，殘余廢氣就愈少，氣缸中新鮮空氣填充愈充分，燃油燃燒速度愈高，在膨脹點 z 的利用系數(shù) ξz 愈高， mip 值也就愈大。 (5)燃燒完全程度 柴油機燃燒完善程度主要可以從完全、及時、柔和、無煙、低排污等幾個方面來加以衡量，燃燒愈完善，膨脹始點的 熱利用系數(shù)就愈高， mip 值也就愈大，這也就是研究燃燒過程所努力追求的目標。所以，組織好一個較為良好的燃燒過程并非容易，往往要在理論上和實驗上下很大的工夫，即使這樣，有時還難于取得預(yù)想的結(jié)果，這就是組織好一個燃燒過程的困難所在 [13]。 設(shè)一臺內(nèi)燃機的缸數(shù)為i ，缸徑為 D ，行程為 S ，每個氣缸的工作容積為 sV ，轉(zhuǎn)速為 n ，平均指示壓力為 mip 。 對于四沖程內(nèi)燃機 3101 2 0 ??? inVpP smii （ kW） （ 33） 對于二沖程柴油機 31060 ??? inVpP smii (kW) （ 34） 指示熱效率與指示燃油油耗 指示熱效率 it? 是內(nèi)燃機實際循環(huán)的指示功與 所消耗的燃料熱量之比值。h 的熱當量 [KJ/(kW通常以每指示千瓦小時功的耗油量表示。h） (37) 根據(jù) ib 的定義 ??uiit Hb? （ 38） ib 、 it? 是評定內(nèi)燃機實際工作循環(huán)經(jīng)濟性能的重要指標。h)] 二沖程柴油機 it? =～ ib =175～ 210 [g/(kW在內(nèi)燃機內(nèi)部的傳遞過程中，不可避免地有許多損失， 這些損失主要有：內(nèi)燃機內(nèi)部運動件的摩擦損失，驅(qū)動附屬機構(gòu)的損失 等。內(nèi)燃機的指示功率減去機械損失功率所得到的是功率輸出軸上所能輸出的凈功率，稱之為有效功率。運用 下列公式即可求出內(nèi)燃機的有效功率 eP 。m）； n—— 轉(zhuǎn)速（ r/min）。 機械效率 m? 值的一般范圍是： 汽油機 m? =~ 四沖程非增壓柴油機 m? =~ 四 沖程增壓柴油機 m? =~ 平均有效壓力和升功率 (1) 平均有效壓力 mep 內(nèi)燃機單位氣缸工作容積所作的有效功，稱為平均有效壓力 mep 。 對于四沖程內(nèi)燃機 310120 ??? inVpP see （ kW ） (313) 對于二沖程內(nèi)燃機 31060 ??? inVpP smee (kW) (314) 由式（ 312）得 31030 ??inV Pp s eme ? (kPa) 柴油 發(fā)動機 及其曲柄連桿機構(gòu) 動力分析 17 將式（ 310）代入上式得 iVTiVTp stqstqme ?? ???(kPa) (315) 對于排量（ ivs）一定的內(nèi)燃機來說， mep 正比于 tqT ，所以 mep 業(yè)反映了內(nèi)燃機單位氣缸工作容積輸出轉(zhuǎn)矩的大小。 mep 值是內(nèi)燃機重要的動力性指標。 33 103010130 ?? ?????? ?? npiVinVpiVPP mehsmeseL(kW/L) （ 316） 式中 eP —— 發(fā)動機的標定功率（ kW）； i —— 氣缸數(shù)； Vs—— 每個氣缸的工作 容積（ L）； mep —— 在標定工況下的平均有效壓力（ MPa）； n—— 標定轉(zhuǎn)速（ r/min）。 升功率是內(nèi)燃機的強化指標之一。 升功率 LP 的一般范圍是： 柴油 發(fā)動機 及其曲柄連桿機構(gòu) 動力分析 18 農(nóng)用柴油機 LP =9～ 15（ kPa） 汽車用柴油機 LP =11～ （ kPa） 強化高速柴油機 LP =15～ 40（ kPa） 載貨汽車用汽油機 LP =22～ 26（ kPa） 小客車用汽油機 LP =40～ 70（ kPa） 二沖程小型風冷汽油機 LP =～ （ kPa） 有效熱效率和有效燃油消耗率 (1) 有效燃油消耗率 eb 有效熱效率 eb 是指單位有效功的耗油量。 1000??ee PBb [g/(kWh)]； B—— 每小時耗油量（ kg/h）； (2) 有效熱效率 et? 有效熱效率是內(nèi)燃機有效功 eW 與所消耗的熱量 Q 之比值。h)] （ 320） eb 、 et? 是標志整個內(nèi)燃機經(jīng)濟性能的指標。h)] 中速柴油機 et? =～ eb =195～