工程热力学与传热学9)_气体动力循环

1、动力循环：动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的工质连续不断地将从高温热源取得的热量热量的一部分转换成对外的净的一部分转换成对外的净功功按工质按工质 气体动力循环气体动力循环：内燃机：内燃机蒸汽动力循环蒸汽动力循环：外燃机：外燃机空气为主的燃气空气为主的燃气 按按理想气体理想气体处理处理 水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体研究目的：研究目的：合理安排循环，提高热效率和功率合理安排循环，提高热效率和功率热机热机 内燃机内燃机 外燃机外燃机 柴油机柴油机(压燃式压燃式)汽油机汽油机(点燃式点燃式)燃气轮机燃气轮机蒸汽轮机蒸汽轮机往复式蒸汽机往复式蒸汽机热气机热气机(斯特林发动机斯特林发动机)废废

2、气气燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机空气空气压压气气机机燃料泵燃料泵燃燃料料空气压气机燃气轮机燃烧室发电机发电机凝汽器给水泵蒸汽轮机余热锅炉排气 柴油机与汽油机比较，柴油机的压缩比高，热效率高，燃油消耗率低，同时柴油价格较低，因此，柴油机的燃料经济性能好，而且柴油机的排气污染少，排放性能较好。但它的主要缺点是转速低，质量大，噪声大，振动大，制造和维修费用高。二冲程与四冲程二冲程与四冲程二冲程由于燃油消耗率高、二冲程由于燃油消耗率高、HC等排放严重而逐渐淘汰出摩托等排放严重而逐渐淘汰出摩托车用市场，但军用小型无人航空飞行器却因其体积小、重量车用市场，但军用小型无人航空飞行器却因其体积小、重量轻、单位

3、气缸工作容积输出功率大而仍被看好，但要解决电轻、单位气缸工作容积输出功率大而仍被看好，但要解决电控汽油喷射技术甚至废气涡轮增压技术控汽油喷射技术甚至废气涡轮增压技术 。二冲程与四冲程比较二冲程与四冲程比较理论上同样发动机排量、同样工作转速的二冲程发动机其功率理论上同样发动机排量、同样工作转速的二冲程发动机其功率应等于四冲程的二倍，实际上由于实际压缩比小于名义压缩比，应等于四冲程的二倍，实际上由于实际压缩比小于名义压缩比，气缸内进气不足（进气时间短，存在给气和扫气损失），只等气缸内进气不足（进气时间短，存在给气和扫气损失），只等于于1.51.6倍。倍。1、二冲程没有配气机构，结构简单，体积小，重

4、量轻，容易维修。二冲程没有配气机构，结构简单，体积小，重量轻，容易维修。2、二冲程作功间隔短，发动机运转平稳，飞轮转动惯量小，容易二冲程作功间隔短，发动机运转平稳，飞轮转动惯量小，容易上高速。上高速。3、二冲程燃油消耗率远较四冲程的燃油消耗率高，二冲程燃油消耗率远较四冲程的燃油消耗率高，HC等排放严重。等排放严重。4、5、实际动力循环非常复杂实际动力循环非常复杂 不可逆，多变指数变化，燃烧等不可逆，多变指数变化，燃烧等工程热力学研究方法，先对实际动力循工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行环进行抽象抽象和和理想化理想化，形成各种理想循，形成各种理想循环进行分析，最后进行环进行分析，最后进行修

5、正修正。一、四冲程柴油机实际工作循环一、四冲程柴油机实际工作循环燃烧和膨胀燃烧和膨胀 排气排气 进气进气压缩压缩排气门关闭排气门关闭进气门开启进气门开启活塞温度温度370400 K， 压力压力0.070.09MPa大气压力线大气压力线PVra示功图上止点下止点示功图：表示活塞在不同位置时气缸内气体压力的变化情况。进气门关闭排气门关闭活塞压缩比：=Va/VcPVra示功图大气压力线大气压力线c上止点下止点温度600700K， 压力0.61.5 MPa进气门关闭排气门关闭活塞PVra示功图大气压力线大气压力线cZb上止点下止点瞬时最高：温度22002800 K， 压力35MPa作功终了：温度130

6、01600 K， 压力0.30.5 MPa 进气门关闭排气门打开活塞PVr示功图大气压力线大气压力线cZb上止点下止点温度9001200 K 压力0.1050.115 MPa残余废气喷油器喷油器排气行程排气行程进 气 门进 气 门排气门排气门纯 空 气纯 空 气温度温度300-370K300-370K压力压力0.07850.0932MPa温度温度750-1000K750-1000K压力压力3-5 MPa3-5 MPa瞬时：温度瞬时：温度2000-2000-2500K2500K压力压力6-9 MPa6-9 MPa温度温度800-1000K800-1000K压力压力0.105-0.105-0.12

7、5MPa0.125MPa终了：温度终了：温度12001500k压压力力0.2-0.4MPa0.2-0.4MPa吸气行程吸气行程压缩行程压缩行程作功行程作功行程12301 吸入空气吸入空气pV一般一般n=1.341.37柴油自燃柴油自燃t=335p02012 多变压缩：多变压缩：先吸后放热先吸后放热p2=35MPat2=6007002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp58MPa3434 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀V125pp0620t4可达可达140018004 停止喷柴油停止喷柴油45 多变膨胀：多变膨胀：先吸后放热先吸后放热V近似近似 膨胀膨胀 pp

8、5=0.250.45MPat5 600700 n=1.21.3856 开阀排气，开阀排气， 降压降压60 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环换气换气燃烧燃烧排气压缩喷油器空空气气扫气泵废废气气排气门排气门1. 工质工质略去燃油质量，工质数量不变略去燃油质量，工质数量不变 定比热理想气体定比热理想气体 P-V图图p-v图图2. 0-1和和6 -0抵消抵消开口开口闭口循环闭口循环3. 定容与定压燃烧定容与定压燃烧外界加热外界加热4. 排气排气向向外界放热外界放热5. 多变压缩及膨胀多变压缩及膨胀绝绝热热6. 不可逆不可逆可逆可逆125pp062034pv1122334455pvTsssv123

9、4512345pvTs分析循环分析循环吸热量，放热量，热效率和功量吸热量，放热量，热效率和功量12345pv压缩比压缩比 12vv定容升压比定容升压比32pp定压预胀比定压预胀比43vv反映反映气缸气缸容积容积反映反映供油供油规律规律12v v32pp柴油机特性参数的意义柴油机特性参数的意义（1）压缩比压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，绝热压压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，绝热压缩过程中工质被压缩的程度，内燃机工作体积大小的结构参数。缩过程中工质被压缩的程度，内燃机工作体积大小的结构参数。（2）定容升压比定容升压比: : 定容加热后的压力与加热前的压力之比，内定容加热后的压力与加

10、热前的压力之比，内燃机定容加热量多少的特性参数。燃机定容加热量多少的特性参数。（3）定压预胀比定压预胀比: : 定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，内定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，内燃机定压加热量多少的特性参数。燃机定压加热量多少的特性参数。43vv12345Ts吸热量吸热量1v32p43qcTTcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v51qcTT热效率热效率12t11wqqqq5121324311TTqqTTk TT 热效率热效率51t32431TTTTk TT 1112112kkvTTTv12vv133212kpTTTp 32pp144313kvTTTv43vv热效率热效

11、率51t32431TTTTk TT 154541151kkpvTTTTvp t11111kkk , t , t t1.4k 1.3k 1.2k 1、当、当 、 不变：即不变：即单位质量加热量不变，单位质量加热量不变，热量分配不变，压缩比热量分配不变，压缩比对热效率的影响对热效率的影响t受气缸材料限制受气缸材料限制 一般柴油机一般柴油机1222kt11111kkk Ts2352354412、当当 不变不变ttt11.523t11111kkk Ts23544315bab。t1.4k 1.3k 1.2k t11.5232t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法1qTs123v4

12、v3m4m3p4p12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式汽油机，点燃式汽油机，点燃式132324411pvT Tsssvv 德国工程师奥托（A.Otto）于1876年最先设计了使用气体燃料的火花点火式四冲程内燃机，使用的工作物质主要是汽油及天然气等。对这类内燃机循环过程进行简化即奥托循环奥托(18321891)1234Ts吸热量吸热量1v32qcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v41qcTT热效率热效率12241t1113211wqqqTTqqqTT 1234Ts热效率热效率41t321TTTT 411322111TTTTTT 1321124kTTvTvT1121211

13、1kTTvv 111k tkt11111kkk 1t111k tk汽油易爆燃汽油易爆燃一般汽油机一般汽油机610一般柴油机效率高于汽油机的效率一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧但汽油机小巧1222柴油机 1860年，法国的E.勒努瓦制出第一台实用的煤气机。1876年，德国的N.A.奥托制成单缸往复活塞式四冲程煤气机 (奥托内燃机)。1881年，英国的 D.克拉克制成二冲程煤气机。 煤气机大多用于发电站和动力站作为固定动力，也可用作船舶、车辆等的动力。 煤气机所用燃料主要有甲烷 (如天然气、沼气) 、一氧化碳 (如发生炉煤气)、氢气 (如氢气、高炉煤气)和其他烷类 (如液化石油气)等 。

14、燃用以甲烷为主要成分的燃料，热值高且抗爆震性好。煤气机的简介12345pv1234pv现代柴油机，压燃式现代柴油机，压燃式早期低速柴油机，压燃式早期低速柴油机，压燃式132324411pvTsspv1234Ts吸热量吸热量1p32qcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v41qcTT热效率热效率122t1111wqqqqqq 热效率热效率t111(1)kkk t1.522.5当当 不变不变t当当 不变不变t比较的条件：比较的条件：压缩比压缩比吸热量吸热量1q反映气缸结构尺寸、工艺材料反映气缸结构尺寸、工艺材料 反映一定程度的作功量反映一定程度的作功量最高压力最高压力maxp反映材料耐压、壁

15、厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本最高温度最高温度maxT反映材料耐温反映材料耐温比较的对象：比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热混合加热，定容加热，定压加热2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法1qTs123v4v3m4m3p4pTs211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等maxpmaxT12v452mtptmtv2p在安全性条件相同的前提下，定压加热循环由在安全性条件相同的前提下，定压加热循环由于允许较高的压缩比而获得最好的经济性。于允许较高的压缩比而获得最好的经济性。3p4mTs2p2m2vqqq1qmaxp2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和

16、和 相同，比较相同，比较 大小大小maxT1qtptmtv,211tqq一、一、 内燃机循环平均压力内燃机循环平均压力单位气缸体积在每一循环中所作的功称为单位气缸体积在每一循环中所作的功称为。2/mNVmwpst12345pVVSpbpt二、二、 提高柴油机功率的主要途径提高柴油机功率的主要途径JtsmwpVt26030tspV ninNi mw=式中：式中：m每循环进气质量每循环进气质量; w气缸单位质量每循环作功量气缸单位质量每循环作功量; n转速转速; i缸数缸数; t冲程数。冲程数。 三、三、 提高平均压力的方法提高平均压力的方法11spVmRT每一循环，气缸工作体积中的气体质量为：每一循环，气缸工作体积中的气体质量为：根据热效率定义，单位质量的循环功：根据热效率定义，单位质量的循环功：tqw1111 111tssttsmwpVpV qp qRTVRT111,ttp qTp提高，降低脉冲式废气涡轮增压柴油机脉冲式