内燃机热力循环

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1、内燃机热力循环一、燃气轮机循环燃气轮机理想循环为布雷顿循环（Brayton Cycle）,它是工质连续流动做功的一种轮机循环， 如图 1 所示 。它既可作内燃布雷顿循环，又可作外燃布雷顿循环。内燃的布雷顿循环为开式 循环，常用工质为空气或燃气。外燃的布雷顿循环是闭式循环，通过热交换器对工质加热， 在另一热交换器排出工质余热。循环过程为：工质在压气机中等熵压缩 12，在燃烧室（或热交换器中）等压加热 23 ，在燃气轮机中 等熵膨胀34和等压排气41 。图 1 燃气轮机循环燃气轮机循环的指示热效率为k-1耳二1兀k ic式中，兀为压气机中气体的压比，k为比热比。c燃气轮机开式循环常与内燃机基本循环

2、配合使用。二、涡轮增压内燃机热力循环将涡轮增压技术（或燃气轮机技术）应用到内燃机上是内燃机循环的一项重大技术发展。一 方面内燃机希望获得更多的进气（或可燃混合气）充量，以提高内燃机的功率和热效率；另 一方面从内燃机排出的高温、高压废气能导入燃气涡轮中再作功，推动与燃气涡轮相连（同 轴）的压气机来提高进气（或可燃混合气）的压力供给内燃机，这样就成为涡轮增压内燃机。 涡轮增压内燃机有等压涡轮和变压涡轮两种系统，它们的热力循环也有所不同。1恒压涡轮增压内燃机热力循环图2是等压涡轮增压内燃机热力循环。它由内燃机基本循环1-2-33-4-1和燃气轮机 循环7-1-5-6-7组成。图 2 等压涡轮增压内燃

3、机热力循环压气机将气体从状态 7（大气压力 p ）等熵压缩到状态1（压力为 p ）之后进入内燃机。按内 0s燃机热力循环到达状态 4。气体在排气过程进入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动 能在排气总管内的膨胀、摩擦、涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状 态5。气体从4-5这部分能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。气 体在等压涡轮中从状态 5 等熵膨胀到状态 6，然后排入大气。2 变压涡轮增压内燃机热力循环 变压涡轮增压内燃机热力循环如图3 。与等压涡轮增压内燃机热力循环不同，变压涡轮增压 内燃机中气体从状态 4 进入变压涡轮中排气能量不会由于排气管突然变

4、粗而膨胀损失，进入 变压涡轮前的气体压力在P与P之间变化。如不计气体流动中的摩擦损失，气体在涡轮中的41膨胀从开始排气时的P-P到最后的P -P （因为后面从气缸中排出的气体压力不断下降）。4 51 52图 3 变压涡轮增压内燃机热力循环内燃机的等容放热过程4-1 可看成为涡轮的等容加热过程1 - 4 ，然后为气体在涡轮内的等 熵膨胀 4-5 。 5-6 为等压放热过程。 6-1 为气体在压气机中的等熵压缩过程。三、涡轮增压中冷内燃机热力循环涡轮增压中冷内燃机循环是在涡轮增压内燃机循环的基础上将经压气机出口进入内燃机进气管的空气进行预先冷却，即空气从状态1一3变为1-2(图4),冷却带走的热量

5、为Q，以6 增加进入气缸内的空气充量，降低循环温度，特别是降低燃气的最高温度，有利于抑制、减 少 NOx 的排放。ecm常数48yQ9OS图4 涡轮增压中冷柴油机的热力循环涡轮增压中冷内燃机循环指示热效率为_ 九Pk -1+ K(Sk-1 - 1)(W -1) tk-1Up- i)0式中，二V1/V2为压气机的压缩比；，p =V /V为初膨胀比；W=V /V为中冷比；(5=V /V为1652376后膨胀比； =V /V为内燃机压缩比；入=P /P为压力升高比； = 为增压内燃机总压23454012比。图中，Q为内燃机中气体等容加热量；Q为内燃机中气体等压加热量；Q为涡轮中气体等压加 123热量

6、； Q 为内燃机中气体等容放热量； Q 为涡轮中气体等压放热量； Q 为中冷器中气体冷却量。456如无中冷，W=1，则XpK 1 k-i(X- 1) + KX( p- 1) 0四、阿特金森热力循环(Atkinson Cycle)阿特金森循环(图 5)是一种内燃机循环。它与奥托循环的差别在于排气过程是等压而不是 等容。如p-V图，T-S图所示。在相同工质数量和加热量的条件下，它有较大的膨胀功， 所以热效率高。图 5 阿特金森热力循环阿特金森循环曾应用于沙金(Sargent)煤气机上(图6)。煤气与空气的混合气以大气压力 p0进入气缸，当活塞向下死点运行至3S/4行程时，进气门就关闭，在其余S/4

7、行程内混合气 体就在气缸中沿。aa”线膨胀至低于大气压的a”点，当活塞从下止点向上止点运动时，缸 内混合气仍沿 a” a 线，并继续绝热压缩到 c 点。其后，工质继续被绝热压缩至上死点 c。在c点点火并按等容过程进行燃烧。由于膨胀行程比压缩行程约大1/4，阿特金森循环功比 奥托循环功增加相当于阴影面积。但实际上因膨胀后期膨胀压力较低，膨胀功并不大。如果 设计与制造水平不高，减去摩擦功及散热量的增加最后所得无几，反而使结构复杂。自由活 塞压气机和燃气涡轮组成的内燃机循环可近似看成这种循环。图 6 沙金煤气机热力循环五、米勒热力循环(Miller Cycle ) 米勒热力循环是1951 年由米勒提

8、出。在汽油机或煤气机部分负荷工作时通过调节配气定时， 可以减小泵气损失，使气缸内工质的膨胀比大于压缩比，如图7(a)中的膨胀线3 4和压缩 线 12，以改善汽油机或煤气机在低负荷时的效率下降。在相同的压缩比下，米勒循环热效 率要比阿特金森循环热效率高。在由于爆燃而限制汽油机压缩比提高的情况下，增大膨胀比 可改善循环的指示效率。在柴油机上米勒热力循环是阿特金森热力循环在高增压内燃机上的 发展与应用。其实质是低温高增压，即利用提前关闭进气门使进气充量减小，并在进气行程 中在气缸内继续膨胀、冷却，实现可变压缩比和不变的膨胀比。用于柴油机上的米勒热力循 环如图 7（b）、（c）。图 7 米勒热力循环（

9、a）汽油机方式；（b）、（c）柴油机方式在较高的进气压力P与不变的压缩比下，依靠不同程度提前关闭进气门，以适应不同的增 s压压力，从而自动调整实际压缩比，维持压缩终了压力 p 和最大爆发压力 p 不变，完成czmaxacz zba a热力循环。其余的排气能量bba”则在废气涡轮中利用并推动压气机作功。压 气机将空气压力从P提高到P （在a” b”膨胀线上或在b” a”压缩线上）。0s一般增压的内燃机热力循环与米勒热力循环的比较如图 8 ，其热力参数如表 1 。米勒循环的 优点为： 在相同的压缩终了压力 p 下允许达到较高的平均有效压力 p；2e 指示热效率高；i 在起动与低负荷时运转性能良好；

10、 可获得较高的容积效率，特别是可改善内燃机在低速运转时空气量的不足； 在膨胀终了温度t5及燃烧最高温度t4基本不变时可大幅度提高平均有效压力p，因而可e 保证高增压内燃机的机械负荷和热负荷不变。35iax=lL70MPaA = 8+ 20MPa米勒檐环 尺=DOMPa= 4. 6p - 2. 89 MPa米勒循环昌=(h SOMPa f = 7. 6 尺亠2.前MPa基准循环% = 0四 MPa r 11.2P = 2+ 07 MPa图 8 一般增压内燃机与高增压米勒热力循环内燃机比较（a） 般增压循环；（b）较高增压米勒循环；（c）高增压米勒循环表 1 不同循环方式的热力参数比较一般增压循环

11、较高增压米勒循环高增压米勒循环增压压力/MPa6 290- 51.0压缩比1J.27. 64平均有效压力A/MPa2.072. 582.89|进气温度血/C909090压缩裟了逼度以毛6S1597544燃烧温度1033918844燃烧最高温度tJC171717271712膨胀终了温度為/941977955米勒循环适用于大缸径的中、低速柴油机上，在长冲程发动机上能充分发挥优势。六、多缸内燃机保持最佳热效率的各种热力循环内燃机特别是移动式（车辆、船只）内燃机其工作负荷是变化的，因而其热力循环参数是不同的。在部分负荷时循环热效率大为降低。为了保持最佳热效率，在多缸内燃机上，特别是在高增压的柴油机上采

12、用停缸、充量转换和顺序增压等热力循环方式。1 停（关）缸 在多缸高增压柴油机上，由于要限制柴油机内燃气的最大爆发压力和最高温度，都要适当降 低压缩比 （视增压度高低 =1014 ）。但在部分负荷或小负荷时会使起动困难，燃烧恶 化，有害气体排放增加。在此情况下与其各个气缸的热力循环都不好，不如关掉一些缸而让 另一些气缸在最好的热力循环下工作。德国MTU公司39603系列增压柴油机采用的关缸技术是将柴油机的气缸分为两组。同轴 的喷油泵齿杆分别控制供给该两组气缸油量的喷油泵柱塞。在液压油的作用下同轴的喷油泵 齿杆可以相对移动，使一组气缸供油，一组气缸不供油。2停缸与充量转换高增压柴油机当压缩比 =8

13、.512时，压缩终了气体压力和温度都大幅度下降，起动时起动 转速低，在气缸上也没有形成有效的油膜，气缸内漏气量也明显增加（约为压缩开始时气缸 内充气量的 8085） ，这些都使柴油机的起动十分困难，燃烧也不好。为此可采用气缸 充量转换方式，将停缸（也即供气缸）的压缩空气通入工作缸（也即充气缸）内。为了保证 供气压力和正确的配气相位，供气缸必须比充气缸提早50120曲轴转角，即充气缸开始 压缩，供气缸已处在压缩阶段。供气时刻约在充气缸进气门刚关闭时，供气延续到充气缸压 缩上止点前4080曲轴转角，这时供气缸内的气体压力仍约略高于充气缸内的气体压力。 这种充量转换的热力循环方式在低转速时效果明显。

14、转换的空气充量约为充气缸开始压缩时 空气量的30%。压缩终了温度约可提高70C，压缩比则可比原值提高3。当转速超过1000 r/mi n,由于充量转换阀（机械的、气动的或电动的单向阀）、管路等的压力损失及空气转送 时间减小而使转送的空气质量减少。3 停止增压或部分增压 为改善增压内燃机部分负荷的热力循环，也可采用相当于上面所说的关缸方式，不过它不是 关掉内燃机的某些气缸，而是让涡轮增压器不工作，这时增压内燃机就成为非增压内燃机， 或让其中一个涡轮增压器（如果有两个并联的涡轮增压器，即单级增压或有两个串联的涡轮 增压器，即两级增压）不工作，使涡轮增压器始终在高效率区运行，从而可保证增压内燃机 在最好的热力循环下运行。停止增压或部分增压的主要装置是在涡轮和压气机的进口处分别 安装控制阀和止回阀。进、排气管也作相应的变动。在压气机前的止回阀只允许空气沿正常 方向流动，在受到反向空气压力时就自动切断。在停止向涡轮供气时仍保留少量的燃气流入 涡轮，使涡轮增压器转子保持一定转速和维持一定温度，一旦需要恢复增压器工作时就可缩 短工作时间。当增压器重新投入工作时，涡轮前的控制器打开，涡轮先加速，直到压气机前 的止回阀与压气机间的空气压力降低到止回阀开启的负压时压气机便投入工作。这样既可防 止涡轮超速，又可保证涡轮在一定转速下承受压气机负荷。