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柴油机的工作循环和主要性能指标

柴油机是将燃油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。对工作循环及

工作过程进行分析和研究，可以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。

柴油机的工作循环

一．柴油机的两种示功图

研究柴油机汽缸内的工作过程，首先要用仪表测量出能正确反映汽缸内实际情况的实验数

据。最常见的是测量汽缸的压力。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，这样就可以去分析各循环了。

***表示奇怪内工质压力变化的图形称为示功图。其中包括p-V示功图和p-∮示功图两种形

式，现结合柴油机的实际情况加以说明。

1．p-V示功图：

汽缸内的工质压力随汽缸容积变化的图形叫p-V示功图，又称压力-容积图，也可看做压

力与活塞位置的函数关系。该图上曲线保围的面积相当于工质在一个循环内对活塞作的功，

因此，习惯上称为示功图。

2．p-∮示功图：

汽缸内的工质压力随曲柄转角变化的图形叫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（相当于汽缸容积变化速率）很慢，

难以从p-V图上看出这一区间内压力变化的特点。瑞以曲柄转角为横坐标就清楚了，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，在柴油机的性能研究中得到广泛的

应用。

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、膨胀、燃烧和排气五个过程的循环，其时间进行情况十分复杂。为了能用热力学的基

本理论和公式分析研究柴油机的循环，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并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，故没有进、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，

对四冲程柴油机和二冲程柴油机都适用。由于对工质所做的假定，有人称它为空气标准循环。

柴油机的理想循环有四种：

（1）混合加热循环：

其过程包括：绝热压缩——混合加热（定容加热和定压加热）——绝热膨胀——定容放热。

一般柴油机按此循环工作。

（2）定容加热循环：

与混合加热循环的区别是只有定容加热过程而没有定压加热过程。高速强载柴油机或柴油

机在低负荷工作时，即近似按此循环工作。

（3）定压加热循环：

此循环只有定压加热过程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

柴油机为防止循环最高压力过高而采用定压燃烧方式工作时的柴油机即近似按此循环工作。

（4）继续膨胀混合加热循环：

工质一直膨胀到循环始点，然后定压放热。***若在柴油机汽缸内实现这种循环，汽缸势

必做的很长。依次令膨胀分两部分完成。一部分在汽缸内完成，一部分在燃气涡轮内完成。

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；压缩过程亦分压气机内压缩和柴油机内压缩两步。此即脉冲式废气涡轮增压柴

油机的理想循环。

***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。

通过对理想循环的分析，得出一个重要的结论：

（1）加大压缩比，由于循环最高温度提高，工质膨胀比扩大，因此热效率增加。但是，其

提高率随压缩比加大而逐渐降低，而循环最高压力迅速上升。所以压缩比对热效率和机械负

荷均有较大的影响；

（2）如果其它条件不变，只增大压力升高比，则循环最高温度增高，循环温差增大，热效

率提高，但循环最高压力亦升高。若仅是初