第八章柴油机工作循环和主要性能指标如前所述，柴油机是将燃料的化学能转变为热能，并将热能转变为机械能的动力机械而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。因此，工作循环完成的情况将直接影响到能量转换的完善程度，而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参数。本章将对工作循环及工作过程进行分析和研究，从而了解影响柴油机性能的主要因素，掌握提高其性能的基本途径和具体措施。第一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、计算恰、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-β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，又称压力一容积图，亦可视为压力与活塞位置的函数关系，如图8-1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
第八章 柴油机工作循环和主要性能指标 如前所述，柴油机是将燃料的化学能转变为热能，并将热能转变为机械能的动力机械， 而这种能量的转换是在柴油机的每一个工作循环中完成的。因此，工作循环完成的情况将直 接影响到能量转换的完善程度，而柴油机的主要性能指标则是表示工作循环完成情况的参 数。本章将对工作循环及工作过程进行分析和研究，从而了解影响柴油机性能的主要因素， 掌握提高其性能的基本途径和具体措施。 第一节 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 8-1 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
+ld上止点1下止点V.V.图8-1四冲程增压柴油机的p-V示功图图8-1四冲程增压柴油机的p-V示功图在图8-1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faczeb'bf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fdrf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8-2）中，此功（即环形面积a'afrrda）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。P-专上止点下止点V.图8-2四冲程非增压柴油机的p-V示功图图8-2四冲程非增压柴油机的p-V示功图图83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一排气口开启、关闭，d、g一扫气口开启、关闭，bdfga一进、排气过程。环形面积aczebfa代表工质在一个循内对外作的功
图 8-1 四冲程增压柴油机的 p-V 示功图 在图 8-1 中，dra'a 为进气过程，ac 为压缩过程，cze 是燃烧过程，eb'为膨胀过程，b'brr' 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 faczeb'bf 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 fdrr'f 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 8-2）中，此功（即环形面积 a'afr'rda'）为负，即消耗功，（因为进气压力线 rda'在排气压力 线 br'r 下面）。此负功在柴油机循环的分析中称泵气损失。 图 8-2 四冲程非增压柴油机的 p-V 示功图 图 8-3 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
排气口扫气口1(+)开（关）开（关）1111b!1atigV0V上正点V.-V.(1-)下止点V.图8-3二冲程柴油机的P-V示功图图8-3二冲程柴油机的p-V示功图2.p-Φ示功图气缸内的工质压力随曲轴转角变化的图形叫pβ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8-4为p-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8-1同。增压与非增压柴油机有类似的图形，二冲程柴油机的p-β示功图也与此基本相同。必须指出，P-β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
图 8-3 二冲程柴油机的 p-V 示功图 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 8-4 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 8-1 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
MeC.36--180°0180*下止点上止点下止点图8-4四冲程柴油机的p-Φ示功图图8-4四冲程柴油机的p-β示功图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一一热能一一机械能的转换，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8-5）：（1）混合加热循环（图a）。其过程包括：ac一一绝热压缩，cyz一一混合加热（定容加热cy和定压加热yz，zb一一绝热膨胀，ba一一定容放热。一般柴油机按此循环工作。【理论】热效率nt和平均理论压力pt公式见表8-1
图 8-4 四冲程柴油机的 p- 示功图 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 8-5）： （1）混合加热循环（图 a）。其过程包括：ac——绝热压缩，cyz——混合加热（定容加 热 cy 和定压加热 yz），zb——绝热膨胀，ba——定容放热。一般柴油机按此循环工作。【理 论】热效率 t 和平均理论压力 pt 公式见表 8-1
QQ.04a)c)Q2pb)d)柴油机的理想循环图图8-5图8-5柴油机的理想循环图表 8-1柴油机理想循环的n和pt柴油机理想循环的n和p表 8-1循环名称nep,(MPa)[ -1 + (p- 1) nApt-1 11Ek-混合加热=1--1+(p-1)(8-1)(8-1a)ekPa1定容加热1(8-2)(- 1)n(8-2a)+-pt-11Et(β- 1)定压加热nI-(8-3)(8-3a)Peke-i k(p--1)etPa(p-1)[-1+-1)]pe1维续膨胀混合加热E-Ik-I(8-4)=1—-(-)(8-4a)V.V.压缩比符号一压力升高比；入=E=V.初膨胀比：V.P说明k循环始点a的压力，MPa工质绝热指数（空气k=1.4），pa~（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cy而没有定压加热过程。【高速强载】【低速经济（低油耗）型】柴油机或柴油机在〖低〗【部分】负荷工作时，即近似按此循环工作。令式（8-1）和（8-1a）中的p=1，即得其n和pt公式（表8-1)。（3）定压加热循环（图c）。此循环只有定压加热过程cz而没有定容加热过程。早期的空气喷射式柴油机以及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。令式（8-1）和（8-1a）中的入=1，即得其n和p公式（表8-1)。IC（4）继续膨胀混合加热循环（图d)。工质由z点一直膨胀到循环始点a的压力pa，然后定压放热（fa），定压放热量为Q2p。热效率和平均理论【压力】公式亦见表8-1。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：zb在气缸内，bf在燃气涡轮内。它相当于柴油机与燃气涡轮联合装置的工作。如果涡轮直接带动压气机进行增压，则理想循环略有改变（图8-6）：压缩过程亦分压气机内压缩aoa【aoa】和柴油机内压缩ac两步。此即脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环，热效率公式只要将式Vao6cV即可。（8-4）中的ε换为总压缩比图8-6脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环图上述四种理想循环亦可依次称为萨巴蒂（Sabathe）循环、奥托（Otto）循环、狄塞尔（Diesel)循环和修正的阿特金逊（Atkinson）循环。分析表8-1中各式可得出如下重要结论：（1）加大ε，由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，故热效率n增加，但其提
图 8-5 柴油机的理想循环图 柴油机理想循环的 t 和 pt 表 8-1 （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 cy 而没有定 压加热过程。〖高速强载〗【低速经济（低油耗）型】柴油机或柴油机在〖低〗【部分】负荷 工作时，即近似按此循环工作。令式（8-1）和（8-1a）中的 =1，即得其 t 和 pt 公式（表 8-1）。 （3）定压加热循环（图 c）。此循环只有定压加热过程 cz 而没有定容加热过程。早期 的空气喷射式柴油机以及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。令式（8-1）和（8-1a） 中的 =1，即得其 t 和 pt 公式（表 8-1）。 〖 （4）继续膨胀混合加热循环（图 d）。工质由 z 点一直膨胀到循环始点 a 的压力 pa， 然后定压放热（fa），定压放热量为 Q2p。热效率和平均理论【压力】公式亦见表 8-1。 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：zb 在气 缸内，bf 在燃气涡轮内。它相当于柴油机与燃气涡轮联合装置的工作。如果涡轮直接带动 压气机进行增压，则理想循环略有改变（图 8-6）：压缩过程亦分压气机内压缩 aoa【aoa】和 柴油机内压缩 ac 两步。此即脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环，热效率公式只要将式 （8-4）中的 换为总压缩比 c a c V V 0 = 即可。 图 8-6 脉冲式废气涡轮增压柴油机的理想循环图 〗 上述四种理想循环亦可依次称为萨巴蒂（Sabathe）循环、奥托（Otto）循环、狄塞尔（Diesel） 循环和修正的阿特金逊（Atkinson）循环。 分析表 8-1 中各式可得出如下重要结论： （1）加大 ，由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，故热效率 t 增加，但其提