发动机循环过程的研究

李忠涛重庆交通大学

发动机循环过程的研究

李忠涛
重庆交通大学

首先，通过分析四冲程发动机等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环3个理论循环过程，得出循环热效率和循环平均压力两个指标的影响因素。然后，通过对发动机实际循环过程中进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程的研究，以及对柴油机的理论循环和实际循环的差异分析，总结了影响发动机实际循环过程中损失的因素。最后，强调了分析发动机循环过程对提高发动机的热效率具有重要意义。

发动机；理论循环；实际循环；热效率

前言

随着经济水平的不断提高，家用轿车和工程机械的数量在不断地增加，据统计，截至2014年，我国民用汽车拥有量为14598.11万辆。其中，不管是家用轿车还是工程机械，它们核心部件是发动机，可以说发动机是它们的心脏。同时，任何发动机都有各自的工作循环过程，这个循环过程有理论循环和实际循环过程。现阶段，由于发动机的理论循环和实际循环过程的差异比较大，造成了发动机循环效率比较低。为了改善发动机实际循环和减少与理论循环指标的差距，研究发动机的循环过程对提高发动机的热效率就显着尤为重要。

1.发动机循环过程简介

1.1理论循环过程

由于发动机在工作过程中的过程是十分复杂的，为了对发动机进行定量分析，将它的实际工作过程加以简化，得出了发动机的理论循环过程。在讨论发动机的理论循环过程是必须要对实际过程进行简化，假设条件如下：①假设汽缸内的工质在标准状况下为理想气体，在整个循环过程中工质的性质不发生变化，比热容为固定值，且数量不变，即不考虑进、排气过程，且忽略漏气的影响；②假设在压缩和膨胀过程均是绝热过程，不考虑热损失；③假设燃烧过程为等容或等压过程，且循环过程为可逆循环。

1.1.1三种基本理论循环过程

发动机有三种基本理论循环过程，即：等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环。在四冲程发动机中，这三种理论循环过程均只研究压缩和燃烧过程。1）对于汽油发动机来说，其油气混合气燃烧速度快，导致其气缸内的温度和压力增长迅速，所以认为其燃烧过程基本上是在容积不变的条件下进行的，即可简化为等容加热循环。2）对于高增压和低速大型柴油发动机来说，由于受到燃烧最高压力的限制，大部分燃料是在活塞到达上止点以后燃烧的，所以认为其燃烧过程基本上是在压力不变的条件下进行的，即可简化为等压加热循环。3）对于高速柴油发动机来说，其燃烧过程可以认为是先等容加热、后等压加热的组合，即可简化为混合加热循环。

1.1.2影响循环热效率和循环平均压力的因素

根据工程热力学的知识，可以得出影响循环热效率和循环平均压力的因素。

循环热效率ηt的影响因素。1）压缩比ε：在其他条件不变的情况下，随着压缩比的增加，等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环这3种理论循环过程的热效率均提高。2）绝热指数k：在其他条件不变的情况下，随着k值的增大循环热效率ηt提高。3）压力升高比λ和预胀比ρ：等容加热循环中，随着压力升高比λ的增加循环热效率ηt不变；等压加热循环中，随着预胀比ρ的增大循环热效率ηt减小；混合加热循环中，压力升高比λ越大循环热效率ηt越大，预胀比ρ越大循环热效率ηt越小。

1.2实际循环过程

在发动机的实际工作中，燃料燃烧的热能连续不断地通过工质的膨胀转化为机械能，这种循环过程就是实际循环过程。四冲程发动机的实际循环过程较理论循环过程复杂的多，包括了进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个工作过程，故在实际循环过程中存在着许多的能量损失，且相较理论循环过程的循环效率也低得多。

①进气过程。将外界新鲜空气吸入汽缸的过程。在进气过程中，曲轴旋转通过连杆带动活塞自上止点移向下止点，由于存在进气提前角，在活塞接近上止点时，进气门便开启，同时由于排气迟后角，在活塞离开上止点后，排气门关闭。

②压缩过程。将汽缸内的工质进行压缩增温增压的过程。在压缩过程中，曲轴旋转通过连杆带动活塞自下止点移向上止点，进、排气门均处于关闭状态，工质被压缩，其压缩程度用压缩比ε表示。对工质进行压缩的目的是使工质获得最大的膨胀比，提高循环的热效率，为燃烧过程创造良好的燃烧条件。一般来说，柴油机的压缩比为16～20，汽油机的为6～9。

③燃烧过程。将工质的化学能转变为热能的过程。在燃烧过程中，进、排气门均处于关闭状态，活塞在上止点附近。事实上，无论是柴油机还是汽油机，燃烧都不是瞬时完成的，因此还存在非瞬时燃烧。

④膨胀过程。将热能转变为机械能的过程。在膨胀过程中，曲轴旋转通过连杆带动活塞自上止点移向下止点，进、排气门均处于关闭状态，汽缸内工质的压力和温度不断下降。膨胀过程是一个非常复杂的多变过程，而且还进行补燃，存在着多种损失。

⑤排气过程。将汽缸内的废气排出到外界当中的过程。在排气过程中，曲轴旋转通过连杆带动活塞自下止点移向上止点，由于存在排气气提前角，在活塞接近下止点时，排气门便开启，同时由于进气迟后角，在活塞离开下止点后，进气门关闭。

2.发动机实际循环与理论循环的差异

发动机的实际循环与理论循环存在着很大的差异，主要体现在实际循环相较理论循环存在着各种损失。

2.1工质变化引起的损失。在实际循环中，由于汽缸内工质的组分、比热和数量是不断变化的，导致发动机产生部分损失。

2.2换气损失。将外界新鲜空气吸入汽缸和将汽缸内废气排出的过程中存在的损失。换气损失包括自由排气损失和强制排气损失。

2.3非瞬时燃烧和补燃损失。在燃烧过程中，由于燃烧的非瞬时性，致使燃烧存在一定的延时，因此存在非瞬时燃烧损失；在膨胀过程中，由于存在补燃，形成了补燃损失。

2.4传热损失。在实际循环中，由于压缩和膨胀过程均不是绝热过程且为复杂的多变过程，工质始终通过机体与外界进行热交换，使循环功降低，即传热损失。

在各种损失中，损失最大的是燃烧和传热损失。柴油发动机的理论热效率约为60%，由于各种损失的存在，导致柴油发动机的实际热效率仅为40%左右。由此可见，通过研究发动机的循环过程来找出循环过程中的各种损失，从而寻找最佳的解决方案，对提高发动机的热效率有着非常重要的意义。

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[3]胡晓丽.谈四冲程发动机的理论循环与热效率[J].黑龙江科技信息，2013.（8）.