第二章 内燃机的工作循环.ppt

2020/5/18,1,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,2020/5/18,2,21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。,2020/5/18,3,一、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,2020/5/18,4,一、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。,2020/5/18,5,（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。,2020/5/18,6,二、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,2020/5/18,7,1、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；,2020/5/18,8,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,2020/5/18,9,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；,2020/5/18,10,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。,2020/5/18,11,2、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；,2020/5/18,12,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：,2020/5/18,13,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，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。,2020/5/18,14,3、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,2020/5/18,15,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；,2020/5/18,16,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。,2020/5/18,17,三、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，继续膨胀循环。,2020/5/18,18,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。,2020/5/18,19,1、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,2020/5/18,20,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）；,g-a，定压放热过程；,a-a，绝热压缩（压气机）过程；,返回,2020/5/18,21,2、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。,2020/5/18,22,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,2020/5/18,23,2、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。,2020/5/18,24,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。,2020/5/18,25,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,2020/5/18,26,3、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。,2020/5/18,27,22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。,2020/5/18,28,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,2020/5/18,29,1、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。,2020/5/18,30,2、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，废气能量利用率为零，即机械增压。,2020/5/18,31,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。,2020/5/18,32,3、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,2020/5/18,33,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,2020/5/18,34,当最高压力相同，最高温度相同，压缩比不同时：,tptmtv,2020/5/18,35,23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、2,2020/5/18,36,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。,2020/5/18,37,2、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。,2020/5/18,38,4、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，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。,2020/5/18,39,5、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。,2020/5/18,40,一、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”。,2020/5/18,41,1、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。,2020/5/18,42,2、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。,2020/5/18,43,3、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。,2020/5/18,44,2）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。,2020/5/18,45,原因：,1）提高压缩终点的温度可使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。,2020/5/18,46,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；,2020/5/18,47,所以，选择柴油机压缩比的依据是其最小值，只要能保证燃油可靠着火即可。,2020/5/18,48,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：,2020/5/18,49,4、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。,2020/5/18,50,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，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。,2020/5/18,51,根据有关资料，推荐下列n1的经验数据，供选用时参考：,2020/5/18,52,5、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：,2020/5/18,53,二、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，实际循环与理想循环的燃烧过程有所不同。,2020/5/18,54,三、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。,2020/5/18,55,1、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。,2020/5/18,56,（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，活塞运动速度不断变化；b、工质与周壁间的传热系数不断变化。,（4）工质有微量泄漏，数量也有变化。,（5）比热容也在不断变换。,2020/5/18,57,2、多变指数的确定,a、初期，放热量较多，接近等温膨胀，n21；,b、在z1z2段，放热量较初期少，但仍大于工质散往周壁的热量，工质仍受热，n2k2；,c、在z2z3段，后燃减少，化合作用仍在进行，二者放热量接近传给周壁的热量，瞬时绝热，n2k2；,d、在z2b段，后燃消失，化合作用仍在进行，二者放热量低于工质传给周壁的热量，n2k2；,2020/5/18,58,说明：,1）实际膨胀行程是一个变指数多变膨胀过程，可用一个平均多变压膨胀指数n2代替；,2）影响n2的因素有内燃机的转速、燃烧速度、气缸尺寸及负荷情况等。,2020/5/18,59,a、转速增加时，其总效