工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)9-氣體動(dòng)力循環(huán)

第九章

氣體動(dòng)力循環(huán)動(dòng)力循環(huán)研究目的和分類動(dòng)力循環(huán)：工質(zhì)連續(xù)不斷地將從高溫?zé)嵩慈〉玫臒崃康囊徊糠洲D(zhuǎn)換成對(duì)外的凈功按工質(zhì)氣體動(dòng)力循環(huán)：內(nèi)燃機(jī)蒸汽動(dòng)力循環(huán)：外燃機(jī)空氣為主的燃?xì)獍蠢硐霘怏w處理水蒸氣等實(shí)際氣體研究目的：合理安排循環(huán)，提高熱效率和功率熱機(jī)的分類熱機(jī)內(nèi)燃機(jī)外燃機(jī)柴油機(jī)(壓燃式)汽油機(jī)(點(diǎn)燃式)燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽輪機(jī)往復(fù)式蒸汽機(jī)熱氣機(jī)(斯特林發(fā)動(dòng)機(jī))廢氣燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)空氣壓氣機(jī)燃料泵燃料燃?xì)廨啓C(jī)裝置系統(tǒng)燃?xì)?/p>

蒸汽聯(lián)合循環(huán)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動(dòng)容易，制造成本低；柴油機(jī)壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟(jì)性能和排放性能都比汽油機(jī)好。

汽油機(jī)與柴油機(jī)比較柴油機(jī)與汽油機(jī)比較，柴油機(jī)的壓縮比高，熱效率高，燃油消耗率低，同時(shí)柴油價(jià)格較低，因此，柴油機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性能好，而且柴油機(jī)的排氣污染少，排放性能較好。但它的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低，質(zhì)量大，噪聲大，振動(dòng)大，制造和維修費(fèi)用高。

汽油機(jī)與柴油機(jī)比較

曲軸轉(zhuǎn)兩圈(720°)，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)四個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)稱為四行程內(nèi)燃機(jī)；而把曲軸轉(zhuǎn)一圈(360°)，活塞在氣缸內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)行程，完成一個(gè)工作循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)稱為二行程內(nèi)燃機(jī)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛使用四行程內(nèi)燃機(jī)。

二沖程與四沖程二沖程由于燃油消耗率高、HC等排放嚴(yán)重而逐漸淘汰出摩托車用市場(chǎng)，但軍用小型無(wú)人航空飛行器卻因其體積小、重量輕、單位氣缸工作容積輸出功率大而仍被看好，但要解決電控汽油噴射技術(shù)甚至廢氣渦輪增壓技術(shù)。二沖程與四沖程比較理論上同樣發(fā)動(dòng)機(jī)排量、同樣工作轉(zhuǎn)速的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)其功率應(yīng)等于四沖程的二倍，實(shí)際上由于實(shí)際壓縮比小于名義壓縮比，氣缸內(nèi)進(jìn)氣不足（進(jìn)氣時(shí)間短，存在給氣和掃氣損失），只等于1.5~1.6倍。1、二沖程沒(méi)有配氣機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，容易維修。2、二沖程作功間隔短，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，容易上高速。3、二沖程燃油消耗率遠(yuǎn)較四沖程的燃油消耗率高，HC等排放嚴(yán)重。4、5、動(dòng)力循環(huán)研究方法實(shí)際動(dòng)力循環(huán)非常復(fù)雜不可逆，多變指數(shù)變化，燃燒等工程熱力學(xué)研究方法，先對(duì)實(shí)際動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行抽象和理想化，形成各種理想循環(huán)進(jìn)行分析，最后進(jìn)行修正。§9-1柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)和理想循環(huán)一、四沖程柴油機(jī)實(shí)際工作循環(huán)燃燒和膨脹排氣

進(jìn)氣壓縮進(jìn)氣行程排氣門(mén)關(guān)閉進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟活塞溫度370~400K，

壓力0.07~0.09MPa大氣壓力線PVra示功圖上止點(diǎn)下止點(diǎn)示功圖：表示活塞在不同位置時(shí)氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。

壓縮行程進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉排氣門(mén)關(guān)閉活塞壓縮比：ε=Va/VcPVra示功圖大氣壓力線c上止點(diǎn)下止點(diǎn)溫度600~700K，

壓力0.6~1.5MPa作功行程進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉排氣門(mén)關(guān)閉活塞PVra示功圖大氣壓力線cZb上止點(diǎn)下止點(diǎn)瞬時(shí)最高：溫度2200~2800K，

壓力3~5MPa作功終了：溫度1300~1600K，

壓力0.3~0.5MPa

排氣行程進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉排氣門(mén)打開(kāi)活塞PVr示功圖大氣壓力線cZb上止點(diǎn)下止點(diǎn)溫度900~1200K壓力0.105~0.115MPa殘余廢氣二、四沖程柴油機(jī)的工作原理噴油器排氣行程進(jìn)氣門(mén)排氣門(mén)純空氣溫度300-370K壓力0.0785～0.0932MPa

溫度750-1000K壓力3-5MPa瞬時(shí)：溫度2000-2500K壓力6-9MPa溫度800-1000K壓力0.105-0.125MPa終了：溫度1200～1500k壓力0.2-0.4MPa吸氣行程壓縮行程作功行程四沖程柴油機(jī)工作過(guò)程1230—1吸入空氣pV一般n=1.34~1.37柴油自燃t=335℃p02’01—2’

多變壓縮：先吸后放熱p2’=3~5MPat2’=600~700℃2’

噴柴油2

開(kāi)始燃燒2—3迅速燃燒，近似Vp↑5~8MPa四沖程柴油機(jī)工作過(guò)程343—4邊噴油，邊膨脹V125pp062’0t4可達(dá)1400~1800℃4

停止噴柴油4—5

多變膨脹：先吸后放熱V近似膨脹pp5=0.25~0.45MPat5

600~700℃n=1.2~1.385—6開(kāi)閥排氣，降壓6—0

活塞推排氣,完成循環(huán)四沖程柴油機(jī)動(dòng)化演示換氣燃燒排氣壓縮噴油器空氣掃氣泵廢氣排氣門(mén)二沖程柴油機(jī)工作原理二、四沖程柴油機(jī)的理想化條件1.

工質(zhì)略去燃油質(zhì)量，工質(zhì)數(shù)量不變定比熱理想氣體P-V圖

p-v圖2.

0-1和6-0抵消開(kāi)口

閉口循環(huán)3.

定容與定壓燃燒

外界加熱4.

排氣

向外界放熱5.

多變壓縮及膨脹

絕熱6.

不可逆

可逆125pp062’034柴油機(jī)混合加熱理想循環(huán)的P-v圖和T-s圖5-1：定容放熱pv1122334455pvTsssv

1-2：絕熱壓縮2-3：定容吸熱3-4：定壓吸熱4-5：絕熱膨脹三、柴油機(jī)理想循環(huán)及其熱效率1234512345pvTs分析循環(huán)吸熱量，放熱量，熱效率和功量定義幾個(gè)柴油機(jī)特性參數(shù)12345pv壓縮比定容升壓比定壓預(yù)脹比反映氣缸容積反映供油規(guī)律柴油機(jī)特性參數(shù)的意義（1）壓縮比：壓縮前的比體積與壓縮后的比體積之比，絕熱壓縮過(guò)程中工質(zhì)被壓縮的程度，內(nèi)燃機(jī)工作體積大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（2）定容升壓比:

定容加熱后的壓力與加熱前的壓力之比，內(nèi)燃機(jī)定容加熱量多少的特性參數(shù)。（3）定壓預(yù)脹比:

定壓加熱后的比體積與加熱前的比體積之比，內(nèi)燃機(jī)定壓加熱量多少的特性參數(shù)。理想混合加熱循環(huán)的熱效率計(jì)算12345Ts吸熱量放熱量(取絕對(duì)值）熱效率理想混合加熱循環(huán)的熱效率計(jì)算熱效率將循環(huán)各特征點(diǎn)的溫度均用T1和特性參數(shù)表示：理想混合加熱循環(huán)的計(jì)算熱效率熱效率隨著壓縮比的提高，定容升壓比的提高，定容預(yù)脹比的減少而增加。ε,t

,t

各因素對(duì)混合加熱循環(huán)熱效率的影響1、當(dāng)、不變：即單位質(zhì)量加熱量不變，熱量分配不變，壓縮比對(duì)熱效率的影響受氣缸材料限制一般柴油機(jī)Ts2352’3’5’4’41各因素對(duì)混合加熱循環(huán)的影響2、當(dāng)不變即壓縮比不變，單位質(zhì)量加熱量不變，熱量分配比例改變T－s圖分析吸熱量的分配對(duì)熱效率的影響Ts23544’3’15’bab’如圖：增加定容加熱量（定容升壓比增加），減少定壓加熱量（定壓預(yù)脹比降低），總加熱量不變，而放熱量減少，則熱效率增加。壓縮比不變，單位質(zhì)量加熱量不變，熱量分配比例改變混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比ε、定容升壓比λ的增大而增大，隨定壓預(yù)脹比ρ的減小而增大。因此，在組織燃燒過(guò)程時(shí)，應(yīng)盡可能增加定容燃燒部分的比例，減少定壓部分的比例?？偨Y(jié)和相同，平均溫度法Ts123v4v3m4m3p4p在壓縮比和加熱量相同的情況下，定容加熱循環(huán)經(jīng)濟(jì)性最高，但定壓加熱循環(huán)安全性最高。循環(huán)最高溫度和最高壓力：定容>混合>定壓三種循環(huán)的比較現(xiàn)代柴油機(jī)與汽油機(jī)動(dòng)力循環(huán)圖示12345pv1234pv柴油機(jī)，壓燃式汽油機(jī)，點(diǎn)燃式第二節(jié)定容加熱理想循環(huán)和定壓加熱理想循環(huán)定容加熱循環(huán)（奧托OTTO循環(huán))32324411pvTsssvv德國(guó)工程師奧托（A.Otto）于1876年最先設(shè)計(jì)了使用氣體燃料的火花點(diǎn)火式四沖程內(nèi)燃機(jī)，使用的工作物質(zhì)主要是汽油及天然氣等。對(duì)這類內(nèi)燃機(jī)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化即奧托循環(huán)

奧托(1832—1891)

定容加熱循環(huán)的計(jì)算1234Ts吸熱量放熱量(取絕對(duì)值）熱效率定容加熱循環(huán)的計(jì)算1234Ts熱效率定容加熱循環(huán)的計(jì)算汽油易爆燃一般汽油機(jī)一般柴油機(jī)效率高于汽油機(jī)的效率但汽油機(jī)小巧

1860年，法國(guó)的E.勒努瓦制出第一臺(tái)實(shí)用的煤氣機(jī)。1876年，德國(guó)的N.A.奧托制成單缸往復(fù)活塞式四沖程煤氣機(jī)(奧托內(nèi)燃機(jī))。1881年，英國(guó)的D.克拉克制成二沖程煤氣機(jī)。

煤氣機(jī)大多用于發(fā)電站和動(dòng)力站作為固定動(dòng)力，也可用作船舶、車輛等的動(dòng)力。

煤氣機(jī)所用燃料主要有甲烷(如天然氣、沼氣)、一氧化碳(如發(fā)生爐煤氣)、氫氣(如氫氣、高爐煤氣)和其他烷類(如液化石油氣)等。

燃用以甲烷為主要成分的燃料，熱值高且抗爆震性好。

煤氣機(jī)的簡(jiǎn)介12345pv1234pv現(xiàn)代柴油機(jī)，壓燃式早期低速柴油機(jī)，壓燃式二、定壓加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)（狄塞爾Diesel循環(huán))32324411pvTsspv定壓加熱循環(huán)的計(jì)算1234Ts吸熱量放熱量(取絕對(duì)值）熱效率定壓加熱循環(huán)的計(jì)算熱效率當(dāng)

不變當(dāng)

不變活塞式內(nèi)燃機(jī)三種理想循環(huán)比較比較的條件：壓縮比吸熱量反映氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、工藝材料反映一定程度的作功量最高壓力反映材料耐壓、壁厚、成本最高溫度反映材料耐溫比較的對(duì)象：混合加熱，定容加熱，定壓加熱和相同，平均溫度法Ts123v4v3m4m3p4p在壓縮比和加熱量相同的情況下，定容加熱循環(huán)經(jīng)濟(jì)性最高，但定壓加熱循環(huán)安全性最高。循環(huán)最高溫度和最高壓力：定容>混合>定壓三種循環(huán)的比較和相同Ts相等12v452m2p3在安全性條件相同的前提下，定壓加熱循環(huán)由于允許較高的壓縮比而獲得最好的經(jīng)濟(jì)性。和相同3p4mTs2p3m12v4v3v4p2m？和相同，比較大小總結(jié)：壓縮比、加熱量相同時(shí)，定容加熱循環(huán)的熱效率最高；否則，其它比較條件下，定壓加熱循環(huán)熱效率最高。第三節(jié)提高功率的途徑一、內(nèi)燃機(jī)循環(huán)平均壓力單位氣缸體積在每一循環(huán)中所作的功稱為“內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)的平均壓力”。意義：衡量單位氣缸工作容積的作功能力。12345pVVSpbptmwmw二、提高柴油機(jī)功率的主要途徑每個(gè)氣缸在每循環(huán)中所作的功：式中：m——每循環(huán)進(jìn)氣質(zhì)量;w——?dú)飧讍挝毁|(zhì)量每循環(huán)作功量;n——轉(zhuǎn)速;i——缸數(shù);t——沖程數(shù)。

轉(zhuǎn)速為n，缸數(shù)為i，沖程為t的柴油機(jī)整機(jī)功率：提高平均壓力Pt是提高柴油機(jī)功率的根本途徑。三、提高平均壓力的方法每一循環(huán)，氣缸工作體積中的氣體質(zhì)量為：根據(jù)熱效率定義，單位質(zhì)量的循環(huán)功：代入平均壓力表達(dá)式：提高初壓p1，降低初溫T1