第二章内燃机的工作循环

《第二章内燃机的工作循环》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章内燃机的工作循环（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、*1 第二章 内燃机的工作循环 21内燃机理想循环 22内燃机理想循环热效率 23内燃机实际循环 *2 21内燃机理想循环 内燃机的实际热力循环 一系列非常复杂的物理、化学过程组成。 工质存在质和量的变化， 物理、化学过程， 存在不可逆损失， 准确地描述内燃机的工作过程十分困难。 *3 一、理想循环的简化假设 二、非增压内燃机理想循环 三、涡轮增压内燃机理想循环 *4 一、理想循环的简化假设 （1）工质是一种理想气体，在整个循环中保持 物理及化学性质不变，其状态参量的变化完全 遵守气体状态方程。 （2）不考虑实际存在的工质更换以及漏气损失 ，工质数量保持不变，循环是在定量工质下进行 的。 *5

2、 （3）把气缸内工质的压缩和膨胀看成是完全理 想的绝热等熵过程，工质与外界不进行热交换 ，工质比热容为常数。 （4）用假想的定容放热和定容或定压加热来代 替实际的换气和燃烧过程。 *6 二、非增压内燃机理想循环 1、定容加热理想循环 2、定压加热理想循环 3、混合加热理想循环 *7 1、定容加热理想循环 a-c绝热压缩过程； c-z定容加热过程 ； z-b绝热膨胀过程 ； b-a定容放热过程 ； *8 工质沿zb线膨胀至b点，容积的变化用后膨 胀比表示，即 沿定容线cz的压力升高用压力升高比表示 ，即 *9 定容加热理想循环的热效率： 说明： 加热过程在定容条件下很快完成，热效率仅与 压缩比有

3、关； 绝热指数k在实际循环中变化不大，t主要随 增大而提高； *10 压缩比的提高在实际情况下有一定限制，不宜 大于1013； 按照定容加热循环方式工作的有汽油机、煤气 机等点燃式内燃机。 *11 2、等压加热理想循环 a-c，绝热压缩过程； c-z，定压加热过程； z-b，绝热膨胀过程； a-b，定容放热过程； *12 工质以等压方式吸热Q1，容积的变化用初 始膨胀比表示，即 定压加热理想循环的热效率： *13 说明： 加热过程在定压条件下缓慢完成，负荷的增加 使热效率下降； 热效率随压缩比的增大而提高，随初始膨胀比 的增大而降低； 初始膨胀比的大小标志着内燃机负荷的大小， 增大，q1增大，

4、t减小； 按照定压加热循环方式工作的有低速柴油机和 燃气轮机。 *14 3、混合加热理想循环 a-c，绝热压缩过程； c-y，定容加热过程； y-z，定压加热过程； z-b，绝热膨胀过程； b-a，定容放热过程； 返回 *15 说明： 热效率t随压缩比和压力升高比的增大而提 高； 混合加热理想循环热效率： t随的增大而降低； *16 在极端情况下， 当1时，内燃机即以定压循环方式工作 当1时，内燃机即以定容循环方式工作 混合加热理想循环是高速柴油机理想循环的模 型。 *17 三、涡轮增压内燃机理想循环 典型的理想循环要损失一部分蕴藏于排气 中的能量。 假若使工质由pz一直膨胀到进气压力pa，

5、继续膨胀循环。 *18 分析： 继续膨胀循环更完善，它在相同的加热量下能 多得一部分功，使t提高。 实际上，利用排气涡轮，使工质在涡轮中继续 膨胀作功来实现继续膨胀循环； 压缩过程并不全在气缸内进行，先在增压器中 进行预压缩，从而提高循环的平均压力pt； 所以，继续膨胀循环是对各种废气涡轮增 压内燃机进行热力学分析的基础。 *19 1、脉冲涡轮增压内燃机的理想循环 脉冲涡轮增压 充分利用废气的脉冲能量在涡轮中作功 *20 a、无中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环 a-c，绝热压缩过程 ； c-y，定容加热过程； y-z，定压加热过程； z-b，绝热膨胀过程（气缸） ； b-g，绝热膨胀过程（涡轮

6、） ； g-a，定压放热过程 ； a-a，绝热压缩（压气机） 过程； 返回 *21 2、有中冷脉冲涡轮增压内燃机的理想循环 为了提高进气密度，加大进气量，通常冷却增 压器后的进缸空气； 与无中间冷却循环之间，差别仅多一个在等压 条件下向冷却器的放热过程ka。 *22 具有空气中间冷却的脉冲涡轮增压内燃机 理想循环的热效率： c空气在中冷器内的温降比 ， k增压器的压缩比， 0增压内燃机的总压缩比， k增压器的增压比， 返回 *23 2、定压涡轮增压内燃机的理想循环 定压涡轮增压 在涡轮中不能利用废气的动能 注意：涡轮前的压力一般与pa相近。 原因：防止气门重叠时，排气总管中的废气倒 流入进气管

7、。 *24 a-a，压气机中的绝热压缩过程； a-c，气缸中的绝热压缩过程； c-y，定容加热过程； y-z，定压加热过程； z-b，绝热膨胀过程； b-a，定容放热过程； a-f，定压加热过程； f-g，涡轮中的绝热膨胀过程； g-a，涡轮中的定压放热过程。 *25 具有空气中间冷却的定压涡轮增压内燃机 理想循环的热效率： 返回 *26 3、结论 涡轮增压器与内燃机联合工作是： 内燃机理想循环的最佳方案； 改善内燃机性能的有效途径。 （1）预压缩空气，提高进气密度，强化内燃机 的作功能力。 （2）使内燃机理想循环进行的更加完善。 *27 22内燃机理想循环热效率 从循环热效率出发 分析各种内

8、燃机理想循环； 探讨选择内燃机循环方式和提高循环热效率 的途径。 *28 根据循环热效率的定义，导出内燃机理想 循环热效率的通用表达式： 热效率、影响因素 *29 1、空气冷却的影响 有空气冷却比无空气冷却的循环总效率低， 但是影响很小。 在实际内燃机中，对循环效率的影响更小。 对空气进行中间冷却，是强化内燃机的有效 措施。 *30 2、废气能量利用的影响 在一定的0和循环加热量的情况下，废气能 量的利用可能出现三种情况： （1）当(T/k)max=pb/pa=k时，循环热效率 最高，即式（2-4）。 （2）当T/k1，即pf/pgpk/pa时，即式（ 2-5）。 （3）当T/k最小，即T1时

9、，废气能量利用 率为零，即机械增压。 *31 机械增压内燃机理想循环热效率的公式： 注意：机械增压不适合采用较高的增压压力。 原因：在机械增压的情况下，增压压力越高，经 济性越差。 *32 3、混合加热理想循环 将k1，T1，c1代入式（2-7）， 得到一般混合加热理想循环热效率公式： 在极端情况下， 当1时，内燃机即以定压循环方式工作 当1时，内燃机即以定容循环方式工作 *33 比较上述三种理想循环的热效率可以看出： 当压缩比相同，吸热量相同时： tvtmtp *34 当最高压力相同，最高温度相同，压缩比不同时 ： tptmtv *35 23内燃机实际循环 内燃机的实际循环是工质在气缸中实际

10、所经 历的物理、化学过程，可实测得到内燃机示功图 ： 返回换气过程1、2 *36 实际循环有较多的损失，热效率较低，作功 也较少，具体表现在以下五个方面： 1、工质不同 理想循环的工质，性质不变，比热容不变。 实际循环的工质，燃烧前燃烧过程中及燃烧后 不同； 比热容随温度升高而上升； 高温分解使循环热效率下降。 *37 2、气体流动阻力 理想循环是闭式循环，没有任何流动阻力损失 。 实际循环是开式循环，有一定的流动阻力损失 。 3、传热损失 理想循环，无传热损失。 在实际循环，存在传热损失。 *38 4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失 理想循环，示功图上方呈方角形，无燃烧损失 。 实际循环，

11、示功图上方呈圆弧形，存在燃烧不 及时损失。 在内燃机中，后燃延续上止点后才能结束。 少量燃油来不及燃烧即随排气排出，引起不完 全燃烧损失。 *39 5、漏气损失 理想循环，无漏气损失。 实际循环，活塞环与气缸壁之间常有微量工质 漏出，存在漏气损失。 *40 一、压缩过程 压缩过程是为膨胀作功作准备的过程；也是 为燃烧创造条件的过程；是“欲取之，必先于之” ；是“为了更远的一跃而后退”。 *41 1、压缩过程的作用 1）压缩过程扩大了工作循环的温度范围； 2）压缩过程使循环的工质得到更大的膨胀比， 对活塞作更多的功； 3）压缩过程提高了工质的温度和压力，为冷机 启动及着火创造了条件。 *42 2

12、、理想循环和实际循环压缩过程比 较 开始和结束时刻不同； 工质数量和比热容变化不同； 热力学过程不同； 传热过程不同。 *43 3、压缩比的选择 1）具有外部混合气形成及外源点火式的内燃机 在工质成分均匀的条件下，为了提高内燃 机的性能，应该力求高的压缩比。 压缩比上限的取值应考虑燃料的性质、可 燃混合气的成分、传热的条件以及燃烧室的结 构等因素。 原因：可燃混合气早燃或爆燃的限制。 *44 2）压燃式内燃机 为使柴油机可正常工作，其压缩比下限的取 值必须使压缩终了的空气温度不低于燃料着火燃 烧的自燃温度。 实际上压缩比的取值应该远高于最低压缩比 。 *45 原因： 1）提高压缩终点的温度可使

13、燃油着火滞燃期缩 短，燃烧时不会导致压力急剧升高，可以保证内 燃机能柔和地工作； 2）较高地压缩终点温度使内燃机具备低温工作 的可能性，以及可靠地冷机启动性能； 3）提高压缩比使内燃机具有较高地循环热效率 。 *46 柴油机压缩比上限也受到多种因素的限制： 1）提高压缩比将使压缩终点的压力pc以及相应 的最高燃烧压力pz均有所增加，从而曲柄连杆机 构要承受较大的机械负荷； 2）随着作用于活塞上的最大压力升高，机械磨损 加剧，机械效率下降，增压内燃机更加如此； 3）随着温度的升高，CO2分解成CO，以及燃烧 产物中NO的数量增压，使内燃机排放的气体毒 性加剧； *47 所以，选择柴油机压缩比的依

14、据是其最小值 ，只要能保证燃油可靠着火即可。 *48 结论： 压缩比的取值取决于内燃机的使用条件及 其结构特点。 不同型式内燃机的压缩比的大体范围如下： 化油器式汽油机6.511.0 煤气机610 非增压柴油机1522 增压柴油机机1116 *49 4、多变指数的确定 a、初期，工质的温度低于周围 表面的温度，n1k1； b、工质的平均温度与燃烧室表 面的平均温度相等时，瞬时绝 热， n1k1； c、末期，工质的温度高于燃烧 室表面的温度， n1k1。 *50 说明： 1）实际压缩行程是一个变指数多变压缩过程， 可用一个平均多变压缩指数n11.321.39代 替； 2）在整个压缩阶段有热量传出

15、，但是，总的热 量不大，实际压缩行程十分接近绝热过程； 3）周壁散热强度及充量扰动的速度、气缸尺寸 、曲轴转速等是影响多变压缩指数大小的主要因 素。 *51 根据有关资料，推荐下列n1的经验数据， 供选用时参考： 水冷汽油机1.361.39 风冷汽油机1.391.42 煤气机1.371.39 非增压柴油机（活塞冷却 ） 1.351.40 增压柴油机（活塞冷却）1.321.37 *52 5、压缩终点的状态参数 确定和n1后，根据多变状态方程，得压缩 终点的状态参数： *53 二、燃烧过程 燃烧过程是将燃料中的化学能转变为热能 的过程，是一个极为复杂的物理化学过程。 如图2-6上cz线所示，实际循

16、环与理想循环 的燃烧过程有所不同。 *54 三、膨胀过程 内燃机的作功过程，工质的部分热能转 变为机械功。 实际循环与理想循环的膨胀过程有所不同： 绝热等熵过程。 存在热交换和漏气损失，后燃和裂解物质的 复合，是一个复杂的热力过程。 *55 1、主要原因： （1）燃烧过程的后期渗透于膨胀过程的初期， 后燃或多或少总是存在的。 膨胀过程的起点： 最大燃烧压力点z，以燃烧过程的缓燃及后 燃为主。 膨胀过程终点： 排气门开启点b，以工质膨胀为主。 *56 （2）膨胀过程中存在高温分解产物的重新化合 ，并放出热量，工质成分也发生了变化。 （3）工质向周壁传热情况比较复杂。 工质与周壁间的温度差不断变化： a、散热面积不断扩大，活塞运