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1、第一章 内燃机循环与效率,高等内燃机学,高等内燃机学 先修课程为内燃机学,本章内容,第一节 内燃机效率与理论循环,第二节 追求效率的机型,注重历史,稀薄分层燃烧,100年前的思路,欧3欧4收口式燃烧室,6070年已有的技术,绝热发动机,7080年代广泛研究,重新受到重视,第一节 内燃机效率与理论循环, 提高效率一直是推动技术发明、发展的永恒动力。 技术一旦上升到理论层面会使技术得到飞跃发展。,1876年德国人奥托提出并研制了推动第二次工业革命的四冲程内燃机e=14%,1. 在下止点附近燃烧，膨胀不充分； 2.没有压缩过程，压缩比1； 3.还要借助于大气压力使活塞复位,1860年法国人勒诺瓦尔研
2、制的二冲程内燃机e=4.5%,1862年法国铁路工程师罗沙提出现代四冲程内燃机,循环功：示功图围成的面积代数和， 顺时针为正，逆时针为负,奥托四冲程内燃机的启示,奥托发动机效率高的根本原因是通过压缩过程提高了压缩比。 重要贡献让人们认识到：要提高效率就要提高压缩比！,奥托循环Otto Cycle,要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。,Va气缸总容积 Vc燃烧室容积 Vs工作容积,一 内燃机循环理论,1.卡诺循环理论 卡诺其人、其书、其预言(奥托机前52年，1824年，卡诺28岁),卡诺服役期间出版了一本热力发动机的研究与考察一书。5060年后人们才真正认识该书的重要性和先见性。,1）卡诺
3、循环； 2）压缩比与效率的结论； 3）发动机评价体系； 4）对蒸汽机未来发展的预言。,1 卡诺循环理论,2）压缩比与效率 卡诺通过大量统计、研究得出：要想提高发动机的效率必须提高压缩比。,1）卡诺循环 工作在高低温热源间热机所能达到的最高理论效率：carnot=1-T1/T2 卡诺循环的弱点: Pzmax很高；循环指示功很低。,S=dQ/T,1 卡诺循环理论,4）对蒸汽机未来发展的预言 在蒸汽机的鼎盛时期，作出了蒸汽机必将被另一种发动机所代替的预言 。蒸汽机实现高温、高压缩比都很困难。,3）发动机评价体系 提出了非常全面的发动机评价指标体系：动力性、经济性、可靠性、适应性、紧凑性等。,理论循环
4、,一卡诺循环Carnot Cycle 二奥托循环Otto Cycle（等容加热循环） 三笛塞尔循环Diesel Cycle（等压加热循环） 四混合循环（双烧循环）Dual Combustion Cycle,1斯特林循环（外燃） 2埃里可森循环 3米勒循环 4阿特金森循环 5. 布雷登循环 6. 兰肯循环 7. 增压发动机理论循环 ,2 内燃机理论循环与实际循环,理论循环假设 （1）工质为理想气体。不考虑进排气过程，无工质交换； （2）燃烧过程用缸外热源加热代替； （3）以向低温热源放热代替向大气换热，保证缸内工质温度、压力复原； （4）压缩与膨胀过程均为可逆过程。,奥托循环与迪赛尔循环,奥托循
5、环Otto Cycle,低速汽油机接近奥托循环,迪赛尔循环Diesel Cycle,早期低速柴油机接近迪赛尔循环,k= cp/cv等熵指数；c=V1/V2为压缩比；0=Vc/Vb为初始膨胀比。,双烧循环,双烧循环Dual Combustion Cycle,现代高速汽油机、柴油机接近双烧循环,k= cp/cv为等熵指数 c=Va/Vc为压缩比 p=pc/pb为压力升高比 0=Vd/Vc为初始膨胀比,理论循环对比,V,p,V,p,V,p,V,p,p,V,定容燃烧,定压燃烧,双烧循环,要保证同样爆压，压缩比要很高,节流定容循环,换气为负功，要保证同样爆压，要增加燃料量,增压定容循环,换气为正功，要保
6、证同样爆压，可减少燃料量,现代内燃机理论循环,（%） 等容 等压 等温 现代柴油机：30 50 20 现代汽油机：50 30 20,=相同，ottodualdiesel,Pzmax=相同，dualdiesel otto,实际汽油机由于爆燃的原因， 远低于柴油机，因此汽油机的效率低于柴油机。,由于工质改变,燃烧、传热、换气、流动,内燃机实际循环,实际循环与理论循环的区别： 1）实际工质（燃气空气循环） （1）工质成分在燃烧中是变化的 （2）工质比热容随温度上升而增大 （3）高温分解 （4）燃烧前后分子数发生变化 2）传热损失 3）燃烧时间损失（燃烧、喷油速度） 4）燃烧损失（后燃、不完全燃烧）
7、5）换气损失 6）涡流和节流损失 7）泄漏损失,1）工质,1）工质 ：考虑实际工质（燃气空气循环） （1）工质成分在燃烧中是变化的 三原子分子变多，Cp、Cv变大，意味着，加入同样的热量，温度增加减小，热功转换能力下降； （2）工质比热容随温度上升而增大 T增加，Cp、Cv变大，同样热功转换不利。,（3）高温分解 上止点附近分解、吸热远离上止点合成、放热，但热量的利用律下降。汽油机Tzmax柴油机Tzmax,（4）燃烧前后分子数发生变化 分子数变化系数对液体燃料1，对气体燃料1。,2)传热损失、3)涡流和节流损失,2）传热损失 对流、柴油机辐射（燃烧段占总传热的15-20%） 压缩冲程前段工质
8、升温不利于进气，后期降温不利于起动、油混合、燃烧； 膨胀段温差大、湍流度高，传热大，不利于热功转换。 3）涡流和节流损失 缸内涡流有好处、也有缺点，不同工况对缸内涡流的要求不一样；节流损失主要指分隔式燃烧室。,涡流和节流损失,涡流和节流损失 节流损失主要指分隔式燃烧室。,4）换气损失,理论循环是向冷源等容放热，属闭式循环；而实际与外界有工质交换，属开式循环；由于进排气流动损失与节流损失，将使进排气过程产生泵气损失 另： 由于气门提前开启引起的损失 换气损失 由于进排气门节流、工质更换引起的损失 泵气损失 归入机械损失。,5）燃烧时间损失,5）燃烧时间损失（燃烧、喷油速度） 燃烧的进行需要足够的
9、时间。为了尽可能使燃油在上止点附近燃烧，喷油需要提前。,燃烧速度的有限性所引起的： 压缩负功增加 最高压力下降 初期膨胀比减小，等温燃烧增加,6）燃烧损失,6）燃烧损失 （后燃、不完全燃烧） 不完全燃烧（a 1；混合不良；局部过稀、未燃、熄火） 后燃问题（不能保证等压燃烧段。柴油机喷油后期油压降低、喷油速率降低、雾化差、PT降低、混合变难） 7）泄漏损失,各种效率的一般范围,当T1=300K，T2=2500K， carnot=0.88,二 其它工作循环高效率循环,1. Miller（米勒1951）循环（下止点前即关闭进气门）,米勒循环 （a）低速汽油机 （b）高速柴油机,循环指示功 -不考虑泵
10、气,1. 米勒循环,Miller（米勒1951）循环的优点（早关进气门）,（1）对汽油机：不能提高，膨胀比增加效率高 （2）进气门关闭后，工质膨胀冷却、压缩终了压力低。适用于高增压柴油机。在同样的压缩终了压力情况下，米勒循环的实际压缩比高（温度低）,如果发动机实现了配气相位可调： （3）实现实际压缩比可调，利于不同工况的稳定工作。起动、低负荷。 （4）代替增压可调。 （ 实际压缩比c * *c）,顾氏系统,进气实现了米勒循环 高负荷抑制pzmax 低负荷正常进气。压缩比高 提高低负荷性能 代替可变增压 低温循环（高负荷时，降低压缩比、进气膨胀冷却） 降低气缸热负荷 NOx低 高增压时(不放气)
11、，代替动力涡轮。进气膨胀功高，效率高、功率大。,2. 阿特金森循环,2）阿特金森循环（大幅度晚关进气门）,类似米勒循环，但没有进气门关闭后，工质膨胀冷却的特点。空气在缸内停留的时间长，温度较高,泵气损失高于米勒循环。适用于低负荷。如用于中、低负荷的“柴油均质燃烧HCCI”。（实际压缩比可调，但不降温） 优点：通过普通可调机构、易于实现（调节范围要求低）,米勒循环,阿特金森循环,3. 可调工作循环,3）可调工作循环的内燃机往复式结构,优点： （1）可变压缩比、变膨胀比，变工作容积； （2）使活塞在上止点的停留时间加长，以利于提高等容度。,缺点： （1）机构复杂、体积大，侧压力大。,提高效率的四大途径,1）提高热能转换效率 2）杜绝散热能损失（绝热发动机） 3）回收排气能（复合发动机） 4）有效利用发动机输出功，降低各种损失（对整车更关键）。,
