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四冲程发动机工作原理及示功图分析

四冲程发动机在其工作循环过程中,活塞顶面缸内工质的压力和活塞背面曲轴箱中的工质压力,都会对活塞作功。压力方向始终指向活塞顶面或背面。如果压力方向与活塞运动方向一致,工质对活塞作正功;压力方向与活塞运动方向相反,工质对活塞作负功。

图1 工质对活塞所作功

在压缩冲程,活塞上行,运动方向与工质压力方向相反,冲程功为负功;在做功冲程,活塞下行,运动方向与工质压力方向相同,冲程功为正功;

在排气冲程,活塞上行,运动方向与工质压力方向相反,冲程功为负功;在进气冲程,活塞下行,运动方向与工质压力方向相同,冲程功为正功。

曲轴箱内工质也会对活塞做功,但做功正负与缸内工质对活塞做功相反,即在进气和做功冲程,缸内工质做正功,而曲轴箱工质做负功;在压缩和排气冲程,缸内工作做负功,而曲轴箱工质做正功。对四冲程发动机而言,曲轴箱内工质压力变化不大,在一个工作循环内对活塞做功相互抵消、近似为零,所以后续示功图分析中忽略曲轴箱工质对活塞所做循环功。

在压缩和做功冲程,缸内工质所做功的代数和,称之为动力过程功。在进气和排气冲程,缸内工质所做功的代数和,称为泵气过程功。一个循环的所有冲程功相加,就是发动机的循环功,可以表示为p曲线对体积V的积分。

下面重点讨论泵气过程功。泵气过程功有理论泵气功、实际泵气功和泵气损失功。

在忽略流动阻力的理想情况下,发动机在进气和排气冲程时缸内工质所做功称为理论泵气功。对自然吸气发动机而言,此时进气和排气冲程缸内工质的压力与大气压力相等,进气正功与排气负功抵消,理论泵气功为零。

图2 自然吸气发动机示功图

实际情况由于存在流动阻力,发动机在进气冲程时,缸内存在一定的真空度,即缸内压力小于大气压力;而在排气冲程时,缸内压力大于大气压力,这时进气和排气冲程功不相等,排气冲程的负功绝对值较大,因此实际泵气功为负功,其绝对值等于进气和排气冲程压力曲线包围的面积,即图2中的W2+W3

有了理论泵气功和实际泵气功,就可以计算泵气损失,即泵气损失功=理论泵气功-实际泵气功。泵气损失功本质上是由于流动损失造成进气冲程做正功减少,而排气冲程做负功增加,所以泵气损失功永远是负功。

发动机指示功是指缸内工质在一个循环内对活塞做功的代数和。依据是否考虑进排气冲程流动损失即泵气损失,发动机指示功可以分为总指示功与净指示功。总指示功为动力过程功与理论泵气功之和,净指示功为动力过程功与实际泵气功之和。对自然吸气发动机而言,动力过程功即图2中W1+W3的面积,理论泵气功为零,实际泵气功为-(W2+W3)。因此,总指示功=W1+W3,净指示功=(W1+W3)-(W2+W3)=W1-W2