《船舶柴油机》课程授课教案（教材讲义）第八章 柴油机工作循环和主要性能指标

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

高率随ε加大而逐渐降低，而循环最高压力pz迅速上升。因而ε对nt和机械负荷均有较大影响。见补图8-3。压力升高比（入）60rnt5953Pas57H56Ss110假设54Pl=2.7kg/cm2k=1.385310112131415 缩补图8-3理论热效率补图8-3理论热效率的影响因素（2）如果其他条件不变，只增大入，则循环最高温度增高，循环温差扩大，提高，但pz亦升高。若仅是p加大，则工质膨胀不充分，膨胀终点压力、温度均升高，n下降。在混合加热循环中，当加热量一定时，若入上升，即定容加热量增多，P必然下降（定压加热量减少），故nt、【pe】【pz】增高。反之则nt、〖pe>【pz】降低。混合加热循环中入、p的分配反映加热规律，即燃烧规律。由上述分析可知，燃烧不仅要“完全”，还应在靠近上止点的区间发生，即“及时”。综合上述ε和入对n的影响不难看出，提高循环最高压力Pz是改善经济性的有效措施。（3）柴油机在理想情况下对热量的最大利用率可用各类理想循环的n表示，按其实际使用的压缩比计算为0.7左右。在实际上虽然达不到，但可作为改进柴油机性能的根据。（4）提高pz、入、p和n均可加大Pt。【pz>【pt】与柴油机进气总管压力【pa】成正比，因而采用增压以提高充入气缸的空气压力能够加大pt。6要比较混合加热循环、定容加热循环和定压加热循环三种循环，哪种效率高，应用分析计算法较困难，同时也不全面。最简单的方法就是在T-S图上作定性比较。（1）对某【既定】柴油机而言：8不变。如放热92相同，见补图8-1。336S5补图8-1三种循环ε不变，绝热压缩线1-2不变。因为q1定客>q1漫合>91定压，而q2相同，所以nt定客>nt混合>nt定压

高率随  加大而逐渐降低，而循环最高压力 pz迅速上升。因而  对 t 和机械负荷均有较大 影响。见补图 8-3。 补图 8-3 理论热效率的影响因素 （2）如果其他条件不变，只增大 ，则循环最高温度增高，循环温差扩大，t 提高， 但 pz亦升高。若仅是  加大，则工质膨胀不充分，膨胀终点压力、温度均升高，t 下降。 在混合加热循环中，当加热量一定时，若  上升，即定容加热量增多， 必然下降（定压加 热量减少），故 t、〖pc〗【pz】增高。反之则 t、〖pc〗【pz】降低。混合加热循环中 、 的 分配反映加热规律，即燃烧规律。由上述分析可知，燃烧不仅要“完全”，还应在靠近上止 点的区间发生，即“及时”。 综合上述  和  对 t 的影响不难看出，提高循环最高压力 pz是改善经济性的有效措施。 （3）柴油机在理想情况下对热量的最大利用率可用各类理想循环的 t 表示，按其实际 使用的压缩比计算为 0.7 左右。在实际上虽然达不到，但可作为改进柴油机性能的根据。 （4）提高 pz、、 和 t 均可加大 pt。〖pz〗【pt】与柴油机进气总管压力【pa】成正比， 因而采用增压以提高充入气缸的空气压力能够加大 pt。 【 要比较混合加热循环、定容加热循环和定压加热循环三种循环，哪种效率高，应用分 析计算法较困难，同时也不全面。最简单的方法就是在 T-S 图上作定性比较。 （1）对某【既定】柴油机而言： 不变。如放热 q2 相同，见补图 8-1。 三种循环  不变，绝热压缩线 1-2 不变。因为 q1 定容q1 混合 q1 定压，而 q2 相同，所以 t 定容t 混合t 定压

（2）对设计新柴油机而言：Pz、Tmax相同，见补图8-2因为q1定压>q1混合>q1定客，而q2相同，所以定压>混合>完容。P最高TI3T致高3242S56补图8-2以上热力学结论对改进柴油机性能有重要指导意义，但用于实际柴油机时应注意考虑实际因素的限制，权衡利弊，综合分析而定。三、柴油机的实际循环柴油机的实际循环和理想循环之间是有差别的。首先，实际循环是一个开口热力体系，而不是闭口热力体系。因为它需通过进、排气过程更换工质一排出废气，吸进新鲜空气，以保证循环反复进行。这样，工质性质会改变，且存在流动阻力损失。第二，关于加热与放热过程。对工质的加热实际上是将燃油喷入气缸燃烧，将燃油的化学能转变为工质的热能，使其温度升高。因而存在不完全【燃烧】损失。由于燃烧速度的有限性（尽管很大）以及与活塞运动速度不一致，故燃烧过程中的压力、容积均在改变，燃烧亦会延续到膨胀过程。放热乃伴随废气排出进行。第三，工质的数量和成分变化，这是由进、排气过程更换工质、燃烧、高温分解与低温复合作用以及漏气等原因造成的。比热亦随工质的成分和温度而变。第四，各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。由此可知，实际的循环和过程都不是可逆的；从能量转换角度来看，除了冷源损失外，还有不可逆损失，即不完全燃烧、热交换、漏气和流动阻力等其他热损失。因而，柴油机循环不可能达到理想循环的热效率nt和平均压力Pr。下面分析和研究实际循环的各个过程。1.换气过程【此处插入第四章第一节】在第四章第一节中已经对换气过程进行了分析和研究，指出了影响换气过程完善程度的各种因素。为了评定换气过程的质量，常用下列几个参数作为评估的指标。1）残余废气系数残余废气系数是指换气过程结束时，缸内残存的废气量G与充入气缸的新鲜空气量G之比，即

（2）对设计新柴油机而言：pz、Tmax 相同，见补图 8-2 因为 q1 定压q1 混合q1 定容，而 q2 相 同，所以 t 定压t 混合t 定容。】 以上热力学结论对改进柴油机性能有重要指导意义，但用于实际柴油机时应注意考虑实 际因素的限制，权衡利弊，综合分析而定。 三、柴油机的实际循环 柴油机的实际循环和理想循环之间是有差别的。 首先，实际循环是一个开口热力体系，而不是闭口热力体系。因为它需通过进、排气过 程更换工质－排出废气，吸进新鲜空气，以保证循环反复进行。这样，工质性质会改变，且 存在流动阻力损失。 第二，关于加热与放热过程。对工质的加热实际上是将燃油喷入气缸燃烧，将燃油的化 学能转变为工质的热能，使其温度升高。因而存在不完全【燃烧】损失。由于燃烧速度的有 限性（尽管很大）以及与活塞运动速度不一致，故燃烧过程中的压力、容积均在改变，燃烧 亦会延续到膨胀过程。放热乃伴随废气排出进行。 第三，工质的数量和成分变化，这是由进、排气过程更换工质、燃烧、高温分解与低温 复合作用以及漏气等原因造成的。比热亦随工质的成分和温度而变。 第四，各个工作过程进行时，存在着热交换和摩擦。 由此可知，实际的循环和过程都不是可逆的；从能量转换角度来看，除了冷源损失外， 还有不可逆损失，即不完全燃烧、热交换、漏气和流动阻力等其他热损失。 因而，柴油机循环不可能达到理想循环的热效率 t 和平均压力 pt。 下面分析和研究实际循环的各个过程。 1．换气过程 【此处插入第四章第一节】 在第四章第一节中已经对换气过程进行了分析和研究，指出了影响换气过程完善程度的 各种因素。为了评定换气过程的质量，常用下列几个参数作为评估的指标。 1）残余废气系数 残余废气系数是指换气过程结束时，缸内残存的废气量 Gr与充入气缸的新鲜空气量 G0 之比，即

GYrGo(8-5)残余废气系数是换气过程结束后废气排除的干净程度来表示换气过程的完善程度。显然，此数值越小，废气排得越干净，换气过程越完善。一般在标定工况下，的数值如下：四冲程非增压柴油机=0.03~0.06四冲程增压柴油机=0.00~0.03二冲程气口气阀直流扫气柴油机%=0.06～0.08二冲程回流扫气柴油机=0.05~0.15二冲程简单横流扫气柴油机=0.25~0.40从上述数值可以看出，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机，二冲程柴油机中直流扫气效果最好，其次是回流扫气，横流扫气效果最差。2）充气系数 n充气系数nx是在换气过程结束时充入气缸的实际空气量Go与在进气状态下充满气缸工作容积V，的理论空气量G，之比，即Go _ Voro - VonyGsVsYoVs(8-6)式中：Yo进气状态下的空气密度；一进入气缸的实际空气量在进气状态下所占的体积。Vo-所谓“进气状态”，对不同类型的柴油机来说是不同的。四冲程非增压柴油机，一般取大气状态po、To，二冲程柴油机一般取扫气箱内状态ps、Ts，增压柴油机取进气管状态pk、Tko换气过程结束时，气缸内除了有新鲜空气外，还残留有少量废气，即残余废气。气缸内混合气体的重量为：Ga =Go +G, =Go(1+Yr)(8-7)根据气体状态方程，气缸中的实际空气量Go和在进气状态下充满气缸工作容积的理论空气量G，可写成：Ga1 paVaGo(1+r)1+r RTa(8-8)p,VsG.RT,(8-9)V8a48-1将公式（8-8）、（8-9）中的Go、Gs代入公式（8-6）中，并引进关系式则得到柴油机充气系数公式：18_.Pa.T,n, =-1 psTα1+r【更正】(8-10)

G0 Gr  r = （8-5） 残余废气系数是换气过程结束后废气排除的干净程度来表示换气过程的完善程度。显 然，此数值越小，废气排得越干净，换气过程越完善。 一般在标定工况下，r的数值如下： 四冲程非增压柴油机 r =0.03～0.06 四冲程增压柴油机 r =0.00～0.03 二冲程气口气阀直流扫气柴油机 r =0.06～0.08 二冲程回流扫气柴油机 r =0.05～0.15 二冲程简单横流扫气柴油机 r =0.25～0.40 从上述数值可以看出，四冲程柴油机的换气质量好于二冲程柴油机，二冲程柴油机中直 流扫气效果最好，其次是回流扫气，横流扫气效果最差。 2）充气系数 v 充气系数v 是在换气过程结束时充入气缸的实际空气量G0 与在进气状态下充满气缸工 作容积 Vs 的理论空气量 Gs 之比，即 s s s v V V V V G G 0 0 0 0 0 = = =    （8-6） 式中：0——进气状态下的空气密度； V0——进入气缸的实际空气量在进气状态下所占的体积。 所谓“进气状态”，对不同类型的柴油机来说是不同的。四冲程非增压柴油机，一般取 大气状态 p0、T0，二冲程柴油机一般取扫气箱内状态 ps、Ts，增压柴油机取进气管状态 pk、 Tk。 换气过程结束时，气缸内除了有新鲜空气外，还残留有少量废气，即残余废气。气缸内 混合气体的重量为： ( ) Ga G Gr G r = + = 1+ 0 0 （8-7） 根据气体状态方程，气缸中的实际空气量 G0 和在进气状态下充满气缸工作容积的理论 空气量 Gs 可写成： ( ) a a a r r a RT G p V G  +  = + = 1 1 1 0 （8-8） s s s s RT p V G = （8-9） 将公式（8-8）、（8-9）中的 G0、Gs 代入公式（8-6）中，并引进关系式 −1 =   s a V V ， 则得到柴油机充气系数公式： a r s s a v T T p p     +    − = 1 1 1 【更正】 （8-10）

这个公式对四冲程和二冲程柴油机都是适用的。〖但应当注意，对二冲程柴油机，如以V.7%“v.(1-v），则（8-10）中的压缩比应该用有效有效气缸工作容积定义充气系数，即压缩比e来代替，即n=.P.I.18.-1 p,T 1+y.(8-11)式中：nve——！以有效气缸容积为准的充气系数；有效压缩比。Ge-(1-y.)v, +v.=1+V(1-V)=e(1-w,)+V,6V.(8-12)一失效冲程系数【=V摄/V，（名义），所以V有效=V(1-s)。】式中：s一般充气系数的范围如下：四冲程柴油机nv=0.75~0.90二冲程直流扫气nv=0.80~0.90二冲程回流扫气n=0.75~0.80在标定工况下，进气终了时气缸中的压力一般数据如下：四冲程非增压柴油机Pa=（0.85~0.95）po（po为大气压力）四冲程增压式柴油机Pa=(0.92~1.0)pk二冲程低速柴油机Pa=（0.96~1.0）ps3）扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数是评价二冲程柴油机换气质量的指标。扫气效率ns的定义是，换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量Go与气缸内全部气体量Ga之比，即1GoGonsGaGo+Gr1+【更正】(8-13)扫气系数βs的定义是，在一个循环中通过扫气口的全部扫气量G与换气过程结束后留在气缸中的新鲜空气量Go之比，即GkPsGo(8-14)扫气过量空气系数Pk的定义是，每循环通过扫气口的全部扫气量G与在进气状态下(ps、T)充满气缸工作容积Vs的理论空气量Gs之比，即Gk_VkPkVsGs(8-15)二冲程柴油机换气进行得好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面来衡量的。扫气效率ns是衡量扫气干净程度的指标。ns愈大，标志着扫气扫得愈干净。ns的极限值是1。然而单纯用换气干净程度的指标ns来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。因为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考虑到空气的消耗。扫气系数P是用来说明扫气空气消耗的相对量，而扫气过量空气系数则说明扫气空气消耗的绝对量。一般扫气系数s=1.2～2.0，扫气过量空气系数k=1.0~1.3。显然，扫气效率ns愈高，扫气

这个公式对四冲程和二冲程柴油机都是适用的。〖但应当注意，对二冲程柴油机，如以 有效气缸工作容积定义充气系数，即 ( ) s s ve V V   − = 1 0 ，则（8-10）中的压缩比应该用有效 压缩比 e来代替，即 a r s s a e e ve T T p p     +    − = 1 1 1 （8-11) 式中：ve——以有效气缸容积为准的充气系数； e——有效压缩比。 ( ) ( ) ( ) s s s s c s s c e V V V V       = + − = − + − + = 1 1 1 1 （8-12） 式中：s——失效冲程系数【s=V 损失/Vs（名义）， 所以 V 有效=Vs(1-s)】。〗 一般充气系数的范围如下： 四冲程柴油机 v = 0.75～0.90 二冲程直流扫气 v = 0.80～0.90 二冲程回流扫气 v = 0.75～0.80 在标定工况下，进气终了时气缸中的压力一般数据如下： 四冲程非增压柴油机 pa=（0.85～0.95）p0（p0 为大气压力） 四冲程增压式柴油机 pa=（0.92～1.0）pk 二冲程低速柴油机 pa=（0.96～1.0）ps 3）扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数 扫气效率、扫气系数、扫气过量空气系数是评价二冲程柴油机换气质量的指标。 扫气效率 s 的定义是，换气过程结束后，气缸内的新鲜空气量 G0 与气缸内全部气体量 Ga之比，即 a r r s G G G G G   + = + = = 1 1 0 0 0 【更正】 （8-13） 扫气系数 s 的定义是，在一个循环中通过扫气口的全部扫气量 Gk 与换气过程结束后留 在气缸中的新鲜空气量 G0 之比，即 G0 Gk  s = （8-14） 扫气过量空气系数 k 的定义是，每循环通过扫气口的全部扫气量 Gk 与在进气状态下 （ps、Ts)充满气缸工作容积 Vs 的理论空气量 Gs 之比，即 s k s k k V V G G  = = （8-15） 二冲程柴油机换气进行得好坏，是结合换气的干净程度和扫气空气的消耗两方面来衡量 的。扫气效率 s 是衡量扫气干净程度的指标。s 愈大，标志着扫气扫得愈干净。s 的极限 值是 1。然而单纯用换气干净程度的指标 s 来说明二冲程柴油机换气的好坏是不全面的。因 为只要用大量的空气扫气，总是能扫得干净，所以必须要考虑到空气的消耗。扫气系数 s 是用来说明扫气空气消耗的相对量，而扫气过量空气系数 k 则说明扫气空气消耗的绝对量。 一般扫气系数 s =1.2～2.0，扫气过量空气系数 k=1.0～1.3。显然，扫气效率 s 愈高，扫气

系数Ps和扫气过量空气系数P愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善。2.压缩过程实际压缩过程始于进气门关阀（二冲程柴油机是气口或排气门关阀）时刻，而止于燃油开始着火时。它与理想压缩过程有很大差别：（1）它的开始和终止不是在活塞止点处。（2）不是绝热过程，气体与缸壁有复杂的热交换。压缩初期气体因其温度低于缸壁温度而被加热，压缩多变指数ni大于绝热指数k。由于压缩，气体温度逐渐上升，至某一时刻与缸壁温度相等，达到瞬时绝热，ni=k。以后，气体温度超过缸壁温度，气体对缸壁放热，ni<k。故实际压缩过程是一个数量和方向均在改变的热交换过程，即指数变化的多变过程。一般情况下实际压缩终点的温度较绝热压缩至此点的温度低，总的说来是缸内气体向缸壁放热。（3）工质不是理想气体，而是实际空气与残余废气的混合物，其性质和数量也在变化。因为工质比热随其温度上升而加大，故k减小：漏气减少了工质数量：压缩过程末期有了燃油喷入，部分燃油蒸发并与空气发生预反应，亦改变了工质的数量和成分。实际压缩过程的多变指数是变化的，相当复杂。为了衡量压缩过程中缸内气体和缸壁之间热交换的总效果，可用简化参数，即以一个指数不变的压缩过程代替实际的变指数压缩过程，而令两个过程的起点状态参数pa、T.和终点状态参数pe、T。相同，或pa、Ta及两个过程的压缩功相同。这样取代，比较重要的终点状态参数和压缩功就相同或基本相同。由此得出的多变指数等价压缩多变指数nlni主要和压缩过程中的散热情况有关：气体向缸壁散热多，ni值小，反之则ni值大。【各类柴油机的nl值如下。可见nl基本上小于1.4，说明在压缩过程中，从总效果来看是气体向散热缸壁。高速柴油机（非增压，活塞不冷却）nl=1.38~1.42高速柴油机（增压，活塞冷却）nl=1.28~1.37中速柴油机（增压，活塞冷却）nl=1. 35~1. 37低速柴油机（增压，活塞冷却）nl=1. 30~1.37由实测的p-V图，从图上量取压缩始、终点的压力和气缸容积pa、Va、pc、Vc(图8-7)，可算出nl。因为由定义有：两边取对数，经运算整理得：(8-16)压缩终点的压力、温度用下式估算：(8-17)(8-18）各种柴油机的pC、Tc值见表8-2。各种柴油机的pe、Te、ph、T,值表8-2机型pe (MPa)T(K)pb (MPa)Tb(K)非增压，高速3.00~5.00750~10000.30~0.601000~1200非增压，低速0.25~0.35900~1000增压，四冲程增0.60~1.004.50~9.00850~11001000~1200压，二冲程0.40~0.701000~1200图8-7实测p-V示功图压缩比ε是一个对柴油机性能有很大影响的重要结构参数，它直接影响着柴油机的经济性、机械负荷以及起动性能。（1）对经济性的影响。在实际柴油机中，ε在一定范围内提高，可使经济性提高，但过高反而可能使经济性下降。ε提高，如补图8-3所示

系数 s 和扫气过量空气系数 k 愈小，扫气质量愈高，换气系统愈完善。 2．压缩过程 实际压缩过程始于进气门关阀（二冲程柴油机是气口或排气门关阀）时刻，而止于燃油 开始着火时。它与理想压缩过程有很大差别： （1）它的开始和终止不是在活塞止点处。 （2）不是绝热过程，气体与缸壁有复杂的热交换。压缩初期气体因其温度低于缸壁温 度而被加热，压缩多变指数 n1 大于绝热指数 k。由于压缩，气体温度逐渐上升，至某一时刻 与缸壁温度相等，达到瞬时绝热，n1＝k。以后，气体温度超过缸壁温度，气体对缸壁放热， n1k。故实际压缩过程是一个数量和方向均在改变的热交换过程，即指数变化的多变过程。 一般情况下实际压缩终点的温度较绝热压缩至此点的温度低，总的说来是缸内气体向缸壁放 热。 （3）工质不是理想气体，而是实际空气与残余废气的混合物，其性质和数量也在变化。 因为工质比热随其温度上升而加大，故 k 减小；漏气减少了工质数量；压缩过程末期有了燃 油喷入，部分燃油蒸发并与空气发生预反应，亦改变了工质的数量和成分。 实际压缩过程的多变指数是变化的，相当复杂。为了衡量压缩过程中缸内气体和缸壁之 间热交换的总效果，可用简化参数，即以一个指数不变的压缩过程代替实际的变指数压缩过 程，而令两个过程的起点状态参数 pa、Ta和终点状态参数 pc、Tc相同，或 pa、Ta及两个过 程的压缩功相同。这样取代，比较重要的终点状态参数和压缩功就相同或基本相同。由此得 出的多变指数等价压缩多变指数 n1。 n1 主要和压缩过程中的散热情况有关：气体向缸壁散热多，n1 值小，反之则 n1 值大。 〖 各类柴油机的 n1 值如下。可见 n1 基本上小于 1.4，说明在压缩过程中，从总效果来 看是气体向散热缸壁。 高速柴油机（非增压，活塞不冷却） n1=1．38～1．42 高速柴油机（增压，活塞冷却） n1=1．28～1．37 中速柴油机（增压，活塞冷却） n1=1．35～1．37 低速柴油机（增压，活塞冷却） n1=1．30～1．37 由实测的 p-V 图，从图上量取压缩始、终点的压力和气缸容积 pa、Va、pc、Vc(图 8-7）， 可算出 n1。因为由定义有： 两边取对数，经运算整理得： （8-16） 压缩终点的压力、温度用下式估算： （8-17） （8-18） 〗 各种柴油机的 pc、Tc 值见表 8-2。 各种柴油机的 pc、Tc、pb、Tb值 表 8-2 机 型 pc（MPa） Tc（K） pb（MPa） Tb（K） 非增压，高速 非增压，低速 3.00~5.00 750~1000 0.30~0.60 0.25~0.35 1000~1200 900~1000 增压，四冲程增 压，二冲程 4.50~9.00 850~1100 0.60~1.00 0.40~0.70 1000~1200 1000~1200 图 8-7 实测 p-V 示功图 压缩比  是一个对柴油机性能有很大影响的重要结构参数，它直接影响着柴油机的经济 性、机械负荷以及起动性能。 （1）对经济性的影响。在实际柴油机中， 在一定范围内提高，可使经济性提高，但 过高反而可能使经济性下降。 提高，如补图 8-3 所示