发动机的工作循环,发动机的工作循环表

四行程汽油发动机是怎样进行工作循环的？

四行程汽油发动机是怎样进行工作循环的？

发动机的工作过程分进气、压缩、作工、排气四个过程。四行程发动机是将这四个过程在活塞上下运动的四个行程内完成的。进气行程：进气门开启，排气门均关闭。随着活塞从上止点向下止点移动，活塞上方的容积增大，气缸内压力降低，产生真空吸力。把可然混合气体吸入气缸。压缩行程：进气门、排气门均关闭，活塞从下止点向上止点移动，把混合气体压至燃烧室。作工行程：压缩终了时，进气门、排气门仍关闭，火花塞发出电火花，点燃可燃混合气，燃烧后的气体猛烈膨胀，产生巨大的压力，迫使活塞迅速下行，经连杆推动曲轴旋转而作工。排气行程：排气门开启，进气门关闭，活塞从下止点向上止点移动，将废气排除。

拓展：发动机工作状态，蒸发冷却系统的响应机制，性能保障怎样？

文/观文史说

编辑/观文史说

蒸发冷却 (EC) 系统作为一种新兴的热管理方法，在提高能源效率和减少环境影响方面具有潜力，通过充分利用液体蒸发的吸热效应，这种系统有望实现更有效的发动机散热，从而提升发动机的热效率和性能。

沸腾时的传热

在固液边界发生的沸腾现象与液汽边界的蒸发过程不同，沸腾发生在受热表面温度高于液体的饱和温度T sat时，这会导致剧烈的蒸汽泡生成和传热速率增强。

但是，当液体温度低于饱和温度时，仍会发生沸腾，这被称为过冷沸腾；它只在紧邻受热表面的薄层中发生，当蒸汽泡穿过过冷液体时，它们会破裂并凝结。

在没有外部流动或搅拌的情况下，称为池沸腾，当存在叠加流动或搅拌时，称为流动沸腾。

在具有EC的内燃机中，传热过程预计涉及池沸腾和流动沸腾的组合，这两者之间存在相似之处，在涉及更复杂的流动沸腾现象之前，首先理解池沸腾的基本原理是合适的。

对于纯水在1 bar压力下的水池沸腾，热通量q与过冷温度ΔT = Tw - Tsat之间的关系以对数刻度绘制。

在轻微的超温情况下（通常ΔT < 4°C），自由对流会发生，其中浮力引起了流体的运动，自由对流的单相传热关系可以在这种情况下使用。

随着ΔT的增加，单个气泡开始在成核位置形成并上升穿过液体，这标志着核沸腾状态的开始。

随着过量温度的增加，蒸汽泡的产生增加，流体运动相应增加，热通量也增加，在ΔT约为10°C的拐点处，发生从单个气泡形成到出现大型蒸汽柱的转变，与较大的蒸汽体积相关的热阻增加导致传热系数的增加率减缓。

热通量在ΔT约为30°C时达到最大值q max约为1.2 MW/m²，在出现不稳定蒸汽膜覆盖表面时，会出现过度沸腾，随着ΔT的增加，热通量减少，最小热通量q min出现在所谓的"Leidenfrost温度"处。

当薄膜沸腾发生时，表面会被稳定的蒸汽薄膜覆盖，对于较大的ΔT值，辐射效应变得重要，需要在传热计算中考虑。

大多数传热教科书中也包含这些内容，在泡核沸腾状态下，热通量还取决于表面特性，其特性由经验常数表示（通常以表格形式列出）。

在流动沸腾中，不同的流动和传热方式通常由蒸汽质量（或干度分数）x来描述，流动沸腾中的热通量通常由两个贡献的总和表示，即由单相强制对流引起的热通量和由沸腾引起的热通量，对于纯液体（x = 0%）进入垂直加热管中，当流体向上流动时，会发生核沸腾。

起初单个气泡形成，然后大的蒸汽"团块"形成，最终这些蒸汽汇集在管的中心，形成带有蒸汽核的环状流态，壁上涂有低热阻液体，导致高传热系数，这在很大程度上取决于流体特性。

对于较大的干度值（通常为x ≈ 25%），将转变为液滴流态，由于壁附近的流体（现在是蒸汽）的热阻增加，这也导致传热系数显著降低，这在所谓的临界热通量处对于发动机设计者来说具有明显的意义。

最终（对于足够长的管道），蒸汽质量达到100%，然后，基于过热蒸汽的性质，可以使用单相强制对流的相关性。

水平加热管中的流态与垂直加热管中的流态相似，然而，浮力和流体速度之间的相互作用使得水平管中的流态描述变得更加复杂，因此，流动行为的物理原理和传热的量化比池沸腾更加复杂。

沸腾和两相流的模拟和建模

沸腾现象和两相流是极其复杂的过程，涉及多尺度、多物理成分的相互作用，包括气泡的成核、生长、离开、聚结和破裂、湍流、界面不稳定性以及传热等。

尽管深入理解许多物理细节，我们仍未完全掌握其中的所有过程，特别是，描述真实表面上流动沸腾中气泡成核的数学模型尚未确立，因为该过程过于复杂。

目前，虽然不能直接模拟沸腾和两相流，但通过适当的近似方法，可以利用直接数值模拟和格子玻尔兹曼方法等来高保真模拟沸腾两相流，这些方法的计算量巨大，目前还无法将它们应用于实际的沸腾流动表面。

一些研究学者倾向于将沸腾流建模为统计过程，而不是采用机械建模的确定性方法，随机方法描述了与相邻位点上气泡成核的非线性相互作用相关的表面温度的不确定波动，尚未开发出完整的能够准确预测壁热通量的模型，在当前情况下，确定性方法仍然是唯一可行的选择。

目前，用于预测沸腾两相流的最先进的计算流体动力学（CFD）方法包括使用雷诺平均纳维-斯托克斯方法结合多种壁热通量模型来计算工程应用中的流动。

总体上，预测沸腾两相流的CFD模型可以分为以下三类：

1.不可压缩单相流模型：将流动视为带有修改热边界条件的单一相，以考虑沸腾导致的传热增强，并具有经验相关性的壁温和热通量，尽管存在一些主要缺点，能量被直接转化为温度升高而不是相变，但在某些情况下仍能得到一些应用。

2.均质流模型：基于气泡很小且与液相完全混合的假设，这种模型可用于液相和气相的表示，通过引入空隙分数或体积分数来描述气相浓度，虽然这种方法考虑了流体相变的影响，但没有很好地模拟两相之间的详细界面动态。

3.欧拉双流体模型：包括两组液相和气相控制方程，通过显式建模实现两相之间的质量、动量和能量传递，在气泡尺寸小于或等于网格尺寸时，无法准确预测相界，因此需要通过局部估计的气泡尺寸和数量来近似相互作用，对于大气泡尺寸，可以借助界面处理来更详细地预测相界。

这些CFD模型都需要壁面热通量模型的输入来计算壁面热通量，这些模型可以大致分为两类：一般经验相关性和机械模型，前者根据实验数据开发壁面热通量的无量纲模型相关性，但仅能预测总壁热通量，后者试图根据涉及的传热机制来获得总热通量，明确解释了各个机制的影响。

尽管现有的方法在某些情况下表现良好，但仍需要更深入的研究和探索，以更准确地理解和预测沸腾现象及其与两相流的关系。

在面对小型火花点火（SI）发动机的设计挑战时，其额定功率为100 kW/l，时间平均气缸盖热通量达到1.25 MW/m²，这个热流速已经接近与水池沸腾相关的最大热通量，即使在高压冷却剂系统下。

由于欧盟对CO2排放的限制越来越严格，额定值将会增加，而更高的额定值和较低的发动机转速趋势将导致在这种高热负荷下的运行时间增加，这给轻型发动机带来了一些基本的设计挑战。

气缸盖气体侧的金属温度将升高，超过了传统铝合金铸造材料的热疲劳承受能力，此外，蒸汽排放和冷凝率将超过基于单相对流的冷却套和传统“脱气”系统的限制。

混合水-醇基冷却剂的稳定性和寿命将面临高频相变的挑战，随着沸腾时间的延长，气蚀损坏以及空气进入冷却系统的风险也会增加。

为了解决这些挑战，一种途径是通过充气稀释来减少气缸的热损失，在这种情况下，涡轮增压的压缩点火（CI）发动机似乎比SI发动机更适合高增压，因为CI发动机的自燃性质和高空燃运行的特性使其更适合于降低燃烧温度。

同时使用CI发动机在控制工作流体到气缸壁的热流方面更加容易，这部分是因为CI发动机的燃烧温度降低。

均匀增压SI发动机通过广泛的空气中间冷却、两级涡轮增压和化学计量的稀释混合物以及大量的冷却废气再循环，模仿了增压CI发动机的特性，这些措施降低了热负荷并减轻了局部冷却液沸腾的挑战。

降低SI发动机的额定值至150 kW/l可能会导致局部热通量值过高，因此需要考虑先进的混合单相对流核沸腾冷却系统的替代方案。

在解决热负荷问题方面，另一种途径是考虑混合单相对流-核沸腾系统的替代方案，这里电冷却系统（EC）是一个有前途的选择，因为它能够在所有金属表面的设定温度下提供受控的局部沸腾，这有助于均匀金属温度分布，减少空间热梯度，从而减轻低循环热疲劳。

EC系统还可以通过控制蒸发和冷凝的传热系数来提供比单相对流冷却更高的性能，它可以显著减少冷却剂用量，减小冷却剂流量，降低寄生泵送损失，改善爆震限制性能，减少预热时间，降低污染物和二氧化碳排放，然而，为了实施EC系统，仍然存在一些重大挑战需要解决。

EC系统的研究挑战

面对实现高水平通量和优化发动机冷却系统的挑战，研究中提到了一些关键问题，其中一个重要挑战是在铝合金冷却套中实现高通量（约1.25 MW/m²）的同时，确保金属温度不超过240°C。

如何管理在发动机冷却套内产生的蒸汽也是一个关键问题，特别是在一类系统中，然而，这一问题并不利于从现有的对流冷却系统平稳过渡到电冷却（EC）系统。

解决这些挑战的过程中，需要特别注意一类系统，在这种系统中，蒸汽的“泵送”机制的性质（是由强制流动引起的还是由浮力变化引起的）以及机械引起的搅拌作用等因素存在不确定性。

需要经过建模和细化的迭代设计过程，以确保系统规模的确定，从而实现有利的经济效益，特别是燃油经济性的提高。

在设计EC系统时，平衡气缸之间冷却剂流量是至关重要的，然而，预期的流量分布可能会受到发动机振动和车辆运动引起的搅动的影响。

在1类系统中，蒸汽“泵送”的不确定性和机械引起的搅拌等因素需要特别注意，对于2、3和4类系统，每一类都有其特定的挑战，稳定管理蒸发、快速控制冷却套内蒸气压变化以及湿蒸汽相关的传热等问题。

在当前的基础物理学理解方面，已发表的文献表明，在硬件投入之前，必须具备良好的预测能力来完善系统设计。

同时，关于量化传热系数以及发动机相关条件和通道几何形状的沸腾范围边界的确定性仍然缺乏，现今生产中缺乏EC系统的主要原因似乎在于预测能力的不足，因为传热系数值存在相当大的不确定性。

拓展：燃烧时间比较：奥托循环发动机中含氧和非含氧燃料的对比分析

在传统的火花点火发动机中，燃料和空气通过进气歧管进入气缸，在那里它们与残余气体混合，然后被压缩。在正常工作条件下，燃烧由压缩过程中的放电触发。火焰前沿在空气-燃料混合物中传播，直到到达燃烧室壁，在那里熄灭。在火花塞产生的火花引起的燃烧开始时，火焰传播的速度很小，并且由于燃烧而伴随着压力（延迟时间）的轻微增加。火焰前沿逐渐增加并通过燃烧室传播，直到气缸内的压力在上止点 （TDC） 后达到最大值。

燃烧过程分为四个不同的阶段：点火、发展、传播和火焰结束。最大燃烧压力必须出现在提供最大功率或最大扭矩的点。燃烧在火花点火后立即开始，但是，由于初始阶段非常缓慢，点火延迟期用于描述第一阶段。

由于燃烧迟缓现象，很难精确地确定燃烧结束，由于这些原因，点火延迟和燃烧结束通常是任意定义的。例如，点火延迟可以被认为是燃烧气体比率达到5%或10%值的时间段；和燃烧结束作为该比率达到85%或90%值的时间段。如果燃烧开始在TDC之前逐渐推进，则压缩的负功增加。如果点火延迟，压力峰值稍后出现，其值会降低。燃烧过程开始的适当时间取决于火焰传播的速度和燃烧室的几何结构。这些取决于发动机设计、运行条件和燃料-空气混合物的特性。

完全燃烧被描述为火焰前部穿过燃烧室，直到空气-燃料混合物完全消耗并转化为二氧化碳和水。在燃烧过程中，由于动力学效应，存在一氧化碳，未燃烧的碳氢化合物和氮氧化物。燃料成分、空燃比、几何细节、温度、压力、压缩比和腔室沉积物等因素决定了燃烧过程的物理和化学特性。

燃烧过程中发生的反应由串联和并联机制决定，其阶段响应自由基的形成和由于平衡位移引起的反应而启动。在许多情况下，由于能量的高释放和由此产生的温度升高，反应速度呈指数级增加，导致可能的爆炸或爆震。爆震取决于温度、系统压力和燃料的物理化学特性。在非常低的压力下，系统位于爆震区域之外，混合物反应温和。

在具有优化设计的发动机中，燃烧室内的湍流与发动机的转速成正比，并增加了火焰传播的速度。高转速需要点火的巨大进步，因为气缸内给定质量的燃料和空气的火花时间设置为在操作条件下提供最大制动扭矩。发动机的几何参数会影响火焰前沿的湍流和表面积。进气系统的空气动力学细节有助于产生定向气流，改变火焰的表面积和路径。燃烧室的形状也会影响其他标准，例如容积效率、爆震趋势和污染物排放。使用纯碳氢化合物的层流系统中的燃烧速度测量表明，对于相同的空燃比，速度火焰随燃料的化学结构而变化。

由于原油衍生液体燃料价格的不断上涨以及对环境污染的限制日益增加，人们对替代燃料的兴趣越来越浓厚。这些燃料可分为合成汽油，含氧化合物添加剂的汽油，如甲基叔丁基醚（MTBE），叔戊基乙醚（TAEE）等。

研究新型含氧燃料（如TAEE）的火焰传播速度对于确定达到最大制动扭矩的最佳点火提前量非常重要。本文分析了巴西商用汽油（gasohol）、异辛烷、MTBE、TAEE、乙醇和车用天然气（VNG）在不同压缩比和空燃比下燃烧速度的变化。本研究中使用的压缩比对于液体燃料分别为8：1、10：1和12：1，VNG为14：1。用于每种压缩比的空燃比分别为0.8和0.9（富混合物），1.0（化学计量）以及1.1和1.2（贫瘠条件）。

本研究使用了六种不同的燃料：巴西商用汽油（gasohol），异辛烷99%，MTBE99%，TAEE99%，乙醇99.3%和VNG。VNG含有89%的甲烷，7%的乙烷和2%的丙烷。表1列出了此处使用的液体燃料的物理化学特性。

根据表，乙醇显示出比分支醚（TAEE和MTBE）和异辛烷更高的抗爆指数（AKI）。抗爆强度是奥托循环发动机燃料的一个极其重要的特性，因为它通过压缩自动点火，而是通过火花自动点火。具有高辛烷值指数的可燃物产生更温和和更有效的燃烧。辛烷值只是其抗自动点火性的数字描述，而无需进入爆震过程（混合物的自燃）。

挥发性可以理解为燃料蒸发的难易程度。这一特性非常重要，因为燃烧过程是在气体环境中进行的，即在发动机内部，燃料必须首先汽化才能发生燃烧，挥发性是根据里德蒸气压和蒸馏曲线的性质确定的。

具有高蒸气压的燃料存在高挥发性有机化合物（VOC）的排放率。但是，在低温下启动有最低要求。低蒸气压和高汽化焓的燃料难以在进气歧管中完成汽化，从而影响燃烧过程并降低发动机性能。汽化焓越高，进气歧管中产生的温度越小，从而提高柱塞的容积效率。目前，降低参数波动性的趋势很强，其中包括汽油中的蒸气压。

车辆在低温下相对于汽油挥发性的行为会导致燃料汽化不完全和空燃比不受控制。如今在这一领域取得了相当大的进展，例如更换化油器喷射系统多点，对低温性能有影响的挥发性参数是通过在高速下测试车辆来确定的。

在高温下，影响车辆燃油系统的最常见现象主要是蒸汽“锁定”和渗透。蒸汽“锁定”是指从油箱和化油器或燃油喷射系统中出现库存汽化燃料。渗流是燃料不受控制汽化的结果，当车辆在高工作温度下长时间停止时，就会发生这种情况。

汽化焓对发动机功率有很大影响，因为值越高，从进气歧管中带走的热量就越大，从而降低允许的混合物温度，燃烧室温度的降低增加了空气燃料混合物的密度，随之而来的是氧化的燃料质量增加，有利于增加发动机功率。

通常，挥发性液体的蒸气压是同一密闭空间的蒸气施加的压力（施加在液体表面上的每单位面积的力）。对于纯碳氢化合物，蒸汽压力取决于温度和汽化焓。对于汽油，它是碳氢化合物的混合物，取决于混合物成分的相对浓度和相互作用。

图1显示了气体的剖面图。蒸馏曲线可以了解汽油在整个蒸馏范围内的挥发性。简单来说，蒸馏曲线可以用三个点表示：T10、T50和T90，它们代表脱汽油初始体积汽化10%、50%和90%的温度（ASTM D-86）。这些温度表征了燃料的轻、中和重馏分的挥发性。这些分数反过来又会影响发动机的不同运行状态。

图1加索霍尔的蒸馏曲线

还应该记住，控制汽油的一种或多种特性会导致汽车发动机的适当燃烧，以及氮氧化物（NOx）、一氧化碳 （CO） 和未燃烧的碳氢化合物 （HC） 可能会减少。减少污染物的理想燃料必须具有不大于51.68 kPa的蒸气压，其成分和温度基本上为零烯烃，50%蒸馏点（ASTM D-86），大于82°C但小于96.1°C。

当考虑燃料通过化油器射流的流量时，普通碳氢化合物燃料的排放系数几乎恒定在雷诺数的临界值之上。在这些条件下，质量流量是燃料密度的函数，因此增加了质量流量并降低了混合物的空燃比。喷射车辆存在这样的补偿因素，其中喷射的燃料质量将直接取决于燃料的密度。因此，商用燃料之间的密度变化会影响空燃比，除非有发动机管理系统将其保持在最佳水平。大多数汽油的密度在0.72到0.78之间，密度将取决于用于混合汽油的组分类型，当比较具有相同碳原子数的化合物时，芳烃化合物具有最高的密度，烯烃是中间体，石蜡具有最低密度。

在本研究中使用的纯化合物中，乙醇具有最高的密度值。测量火焰传播速度的测试是用CFR发动机进行的），该发动机由奥托循环气缸盖改装，该气缸盖专门装有传感器和温度指示器，D-1爆震传感器，Lambda探头，采集板，如图2所示。系统与测试中使用的仪器的示意图。VNG储存在配备压力控制阀的高压缸中，并通过安装在CFR发动机进气歧管上的混合器完成计量，发动机的原始系统用于其他燃料，由一个三桶化油器组成，高度可调，用于调节空燃比。

图2测试中使用的仪器系统示意图

速度火焰是使用D-1爆震传感器（CFR发动机的标准组件）获得的。D-1传感器具有不锈钢隔膜，通过压力的作用在传感器中感应电压。感应电压信号与燃烧室中的压力率成正比。在这项工作中，速度火焰传播被定义为火花点火与燃烧室内最大压力速率之间的角度除以时间，火焰传播中考虑的角度包括点火延迟和最大压力速率。

点火提前量设置为10°，以比较所研究燃料的火焰传播速度，点火由电子点火控制系统的信号电压确定，活塞的位置由一个直径600mm的齿轮确定，齿轮有304个直齿，其中一个齿在电感式传感器的帮助下相对于上止点倾斜。

参数 λ 表示发动机在给定时刻允许的空气和燃料质量与化学平衡的空气和燃料质量之间的关系。当燃烧室中所有可用的试剂完全氧化缺氧时，它被称为“富混合物”（λ<1），当所有可用试剂氧化到燃烧室中时，称为“贫”（λ>1）。

燃烧室中的燃烧时间定义为点火与燃烧室内最大压力变化之间的间隔。燃烧持续时间的维度表示为s−1，测试以600 rpm（10 Hz）的固定转速进行。这里分析的不同条件下每种燃料的“燃烧时间”值是操作条件完全稳定后连续45个循环的平均值。在测试中的所有操作条件稳定后，对结果进行了比较。图3描述了发动机测试中记录的压力速率、位置和点火传感器信号的特征曲线，使用gasohol作为燃料，压缩比为8：1。

位置信号的特征曲线、压力变化和点火传感器与采集时间的关系

正确确定压缩比和点火提前量以实现发动机的最佳性能与所使用的燃料类型直接相关。具有支链和醚化合物的燃料显示出低速火焰传播，乙醇的火焰传播速度高于支链和醚类化合物。与12：1和8：1的压缩比相比，使用10：1的压缩比提高了异辛烷，VNG，TAEE，乙醇和气体的燃烧速度，压缩比越高，火焰传播速度越快。

为了实现高热力学和机械性能，具有火花点火的内燃机应以高压缩率运行，并且为了尽量减少压缩的负功，应减少点火提前以获得最大的制动扭矩。当空燃比高于化学计量比时，燃烧速度降低。

在本研究的所有压缩速率中，VNG在化学计量区（λ = 1.0）的火焰传播速度最大。乙醇和气体也有类似的行为，但压缩比仅为12：1。与高辛烷值的无氧燃料（异辛烷）和含氧（MTBE和TAEE）燃料可用于高压缩比的发动机相比，乙醇和气体在测量的所有压缩比下都具有更高的火焰传播率。

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