实际发动机应用中的2.3.2优化方案

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：在实际发动机上测量燃烧最大压力p3和空气过量系数λ，利用此数据推导出理论热效率和平均有效压力计算式，并对此结果进行探讨。对于实际发动机性能的评价，还需要最大压力p3和初始状态p1、T1值。爆燃是因异常燃烧导致的，会给发动机带来运行不稳定和耐久性降低的问题。发动机因有机械强度局限性，其最大压力p3一定时，获得与此压力成比例的输出功率。

在实际发动机上测量燃烧最大压力p₃和空气过量系数λ，利用此数据推导出理论热效率和平均有效压力计算式，并对此结果进行探讨。

1.热效率和平均有效压力

在空气标准理想循环中，除了奥托循环外的热效率（或供给热量），其他循环的热效率不仅与压缩比ε有关，还与压力比ξ和定压预胀比φ有关。在实际发动机中供给热量与空气过量系数λ有关，因此把压力比ξ和定压预胀比φ表示为空气过量系数，并加以计算。

空气过量系数λ与理论空燃比（A/F）_s的定义为

式中，m_a，s为燃料完全燃烧所需的理论空气量；m_a为实际供给的空气量；m_f为燃料量。下标s表示理论空燃比。利用上述两个公式推导出实际空气量为

m_a=m_a，sλ=m_f（A/F）_sλ

每一循环所供给混合气的质量m为供给燃料量m_f与实际空气量m_a[=λm_a，s=λm_f（A/F）_s]之和，即

m=m_f+m_a=m_f[1+λ（A/F）_s]

另外，供给热量Q₁定义为燃料完全燃烧所产生的热量：

Q₁=m_fH_l

式中，H_l为1kg燃料的低热值（kJ/kg_燃料）。

在沙巴特循环中，1kg混合气所供给的热量q₁用上述两个公式推导为

式中，根据燃料类型得出理论空燃比（A/F）_s，对排气进行分析得出空气过量系数λ。对于实际发动机性能的评价，还需要最大压力p₃和初始状态p₁、T₁值。假设初始状态等同于外部状态p₀、T₀，并通过实际测量得出最大压力p₃。

下边对1kg混合气的供给热量q₁进行计算。为了简要表示，如下定义无量纲供给热量并加以利用。

沙巴特循环单位质量的供给热量q₁为定容加热量q_V与定压加热量q_p之和。此时，无量纲供给热量与压力比ξ、定压预胀比φ之间的关系为

把压力比ξ和定压预胀比φ用ε、、p₃、p₁等表示如下，即压力比为

把上述公式代入到式（2.52），可以推导出定压预胀比φ为

把式（2.52）～式（2.54）代入沙巴特循环热效率式（2.43）和理论平均有效压力式（2.44）中，可以推导出

计算沙巴特循环理论热效率η_s和理论平均有效压力p_th，s时，利用上述公式可以不使用燃料定压预胀比φ和压力比ξ，而是用空气过量系数λ和最大压力p₃，比式（2.43）和式（2.44）更加便利。

2.对结果的观察

根据式（2.55），空气标准沙巴特循环的热效率与质量热容比κ、燃烧最大压力p₃和无量纲供给热量有关。由式（2.51）可知无量纲供给热量为空气过量系数λ的函数。

对于相同的压缩比和未燃混合气的结构，在图2-15中显示了各循环无量纲p-V线图。纵轴为相对进气压力p₁的压力p，横轴为相对燃烧室容积V_c的气缸体积V。各循环条件为，压缩比ε=12、绝热指数κ=1.3、无量纲供给热量、（κ-1）/κ=8.525、p_3a/p₁=67。

图2-15 空气标准循环的比较

利用无量纲供给热量式（2.51）进行计算。空气的质量定容热容为c_V=946J/（kg·K），温度T₁=333K（60℃），1kg混合气的供给热量Q₁以1kg异辛烷理论混合气为对象，是2685.53kJ/kg。此循环的性能特性显示在表2-6中。从此表中可以得出，本条件的压缩比一定时，热效率以奥托循环为最高，柴油循环为最低。在每一循环供给热量均相同的情况下对比各循环的热效率，平均有效压力p_th和最大压力p_max以奥托循环为最大。

（1）热效率如图2-16所示，当质量热容比κ=1.3恒定时，随压缩比的各种空气标准理想循环的热效率。在图中，a为奥托循环；e为柴油循环；b、c、d为p₃/p₁，即相对于初始压力的最大压力比值各为100、68、34时的沙巴特循环。

表2-6 空气标准循环的比较

可以看出，奥托循环、柴油循环、沙巴特循环的理论热效率均为压缩比ε的函数，其值随着压缩比的增大而增加。沙巴特循环随压缩比的增大而增加的理论热效率的增加率小于奥托循环和柴油循环。另外，压力比p₃/p₁越大，即最大压力p₃越大，效率越高，越接近奥托循环的效率。但是，当压力比p₃/p₁相同时，即使把压缩比增加8～10以上，其效率几乎没有变化。

目前汽油机不能满足压缩比越大其热效率越高的条件，其压缩比最大也就是11左右。这是因为，如果压缩比过大，在压缩行程末期可燃混合气的温度过高，会发生爆燃。爆燃是因异常燃烧导致的，会给发动机带来运行不稳定和耐久性降低的问题。

（2）平均有效压力比较发动机性能的唯一指标为，与发动机的排气量、尺寸无关的平均有效压力。

发动机因有机械强度局限性，其最大压力p₃一定时，获得与此压力成比例的输出功率。如图2-17所示为在最大压力和供给热量一定的状态下，随压缩比ε的平均有效压力与最大压力之比p_th/p₃。因所有循环的最大压力p₃相同，可以把压力比p_th/p₃直接理解为平均有效压力p_th。即，在压缩比相同的条件下，平均有效压力越大，单位容积每一循环所做的功，即功率密度越大。从图中可以得出，压缩比ε为8～12时，柴油循环e的功率密度最大，其次是沙巴特循环b、c、d，奥托循环a为最小。这与图2-12所描述的内容一致。

图2-16 随压缩比的空气循环热效率

图2-17 随压缩比的空气循环平均有效压力

实际发动机应用中的2.3.2优化方案

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