内燃机学课件第三章涂德浴.ppt

1、第三章内燃机的工作循环，第一节内燃机的理论循环第二节内燃机的燃料及其热化学第三节内燃机的实际循环第四节内燃机的热力学模型，第一节内燃机的理论循环，内燃机的实际热循环是将燃料的热量转化为机械能的过程，由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程组成。在此过程中，由燃料和空气组成的工作流体随着各种复杂的物理、化学过程在质量或数量上不断变化，由机械摩擦、热量释放、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也相当大，在目前的条件下很难准确地描述内燃机的实际过程。为了分析内燃机燃料热利用的完整性和主要影响因素，提出提高能源利用率的方向，通常实际周期会有所简化，几个次要影响因素被忽略，其变化复杂、难以详细分析的物理、

2、化学过程(如可燃混合机的准备和燃烧过程等)简单处理，因此易于定量分析的虚拟周期或简化周期(通常称为内燃机的理论周期)。1)在内燃机工作过程中，用简单公式阐明了各基本热参数之间的关系，阐明了用表示理论循环热效率的经济性和平均压力表示的动力的基本路径。2)确定周期性热效率的理论限制，判断实际内燃机的经济性和工作过程有多完美以及改进的可能性。3)有助于分析内燃机各种热循环方式的经济性和动力性。第一，理论循环的研究目的：1)将空气用作工作循环的工作流体，用作理想气体，在整个循环中物理和化学性质保持不变，工作流体的比热容保持不变。2)不考虑实际存在的工作流体更换和泄漏损失，工作流体的总质量保持不变，循环

3、在定量工作流体中进行，忽略流入、排气流动损失及其影响。3)将气缸内的压缩和膨胀过程视为完全理想的绝热等熵过程，工作流体不与外界热交换。4)将实际燃烧过程和排气过程分别替换为虚拟加热和加热过程，将排气过程工作流体的发热过程视为等容热过程。2，简化假设，3，内燃机理论循环的三种基本形式，根据燃烧过程的加热方法不同，可以得到以下基本形式：其中，等容量加热循环称为Otto循环，对应的点火内燃机，如汽油发动机；相当于燃气轮机、增压和低速大型柴油机(自上司点后开始燃烧)的等压加热周期称为布雷顿循环。混合加热周期称为Diesel周期，对应于一般压缩点火内燃机，例如柴油机。k:流动工作流体在状态变化(从一种状

4、态转换到另一种状态)期间没有与外部世界发生热交换的情况下，此过程称为绝热过程。如果绝热过程没有摩擦热(或未考虑)，可逆绝热过程就像熵的定义一样，如果熵(s)值在可逆绝热过程中保持不变(s常数)，可逆绝热过程也称为等熵过程。例如，当流体通过节流元件时，节流元件变短，与外界的热交换和摩擦生热都可以忽略，因此这个过程可以用大气熵近似。在此过程中，流体的压力p和非体积v的k次方的乘积称为常数，即PVk常数，k称为各向同性熵指数。测量的气体(蒸汽)体符合理想气体的规律时，等熵指数等于比热比，即恒压比热Cp与恒容量比热Cv之比CpCv。在绝热过程中，比热也称为绝热指数。一些概念，1，等熵指数，2，压缩比c

5、:引擎混合气体被压缩的程度，压缩前的总气缸体积与压缩后的气缸体积(即燃烧室体积)的比率。，3，压力上升比，o:等压加热过程的容积增加比，p:等容量加热过程的压力上升比，4，初始膨胀比，4，3个理论循环的热效率t和平均压力pt推导(了解)，1循环热效率t(以混合加热循环为例)Q1在循环中添加列。Q2循环排出热量。Q2=cv (t b-ta)-固定容量发热Q1=cv (tz-TC) CP (tz-tz)-混合加热顺序k=Cp/Cv由于工作流体绝热指数(等熵指数)，因此a-c过程C-z工艺是等效加热工艺。Z-z工艺是等压加热工艺。Z-b工艺是绝热膨胀工艺。B-a是等效发热过程。因此，每个温度比表达式

6、都可以写为、其中c是绝热压缩过程的压缩率。绝热压缩和绝热膨胀过程的绝热指数；p是等效加热过程的压力上升比。o等压加热过程的体积增长率(预膨胀率)；=vb/vz表示绝热膨胀过程的容积增加率(后膨胀率)-=c/o用循环热效率t替换了每个温度表达式，例如，您可以看到理论上的循环热效率t仅与c压缩率、绝热指数、p压力上升率、o预膨胀率相关。如果预膨胀系数o=1:循环是等容量加热循环。如果将压力提高到p=1，则循环将成为等压力加热循环。表达式比较了、三个理论循环热效率和循环特性，两循环平均压力pt(以混合加热循环为例)，单位气缸体积(pt=W/Vs (Pa)到W循环作业(J) Vs-圆柱作业体积(m3)

7、由压缩比定义的c=Va/(Va-Vs)，Vs=Va (c -1)/c，热力学关系：cv=r/(k-1)；Ta=paVa/mR替换，结果，预膨胀率o=1:循环成为等容量加热循环；如果将压力上升率设定为p=1，则循环将成为等压力加热循环。表达式可以写为：分析比较：提高压缩起点处的压力和压缩比(提高t度)，增加三个周期的平均压力。提高等用周期的压力上升率会增加平均压力(t保持不变)。如P-v图所示，提高等压循环的预膨胀比o会增加平均压力(尽管t减少)。混合周期更复杂。如果在Q1保持不变的情况下增加o，则必须减少，因为循环热效率降低，周期平均压力降低。5，指导理论循环结论和实际工作的限制，1理论循环结

8、论，提高压缩率可以提高循环热效率，但随着压缩率的增加，热效率的增加宽度逐渐减小。绝热指数增加(工作流体的最高温度增加，循环温差增加，膨胀率增加)可以提高循环热效率。增加压力上升率可以提高循环热效率。提高压缩比和压力上升率可以提高周期平均压力，但会导致最高周期压力的急剧增加。增加预膨胀率可以提高循环平均压力，但会降低循环热效率(在膨胀率持续降低的条件下添加等压力热)。压缩比在特定条件下，要提高混合循环的热效率，必须增加等容量加热部分。在最大周期压力特定条件下，要提高混合周期的热效率，必须在增加等压加热部分的同时增加压缩比。增加压缩起点处的压力会增加循环的平均压力。2指导实际工作的局限性，提高压缩

9、比和压力上升率的方法，提高循环平均压力和热效率，以最大循环压力的急剧增加为基础。压缩率为16，热量恒定时，压力上升率为1.75到2.25，预膨胀比为1.5到1.3，混合周期的热效率和平均压力只有2%左右，但最大压力急剧增加了28%。同样，预膨胀率为1.75，热增量条件恒定时，压缩比为16到20，预膨胀率为1.5到1.35，混合周期的热效率和平均压力只有1.4%左右，但最大压力增加了35%。可以看到，为了热效率和平均压力的小增加，支付了最大压力的急剧增加费用。Pmax的增强功能对承载组件的强度提出了更高的要求。提高引擎质量，增加体积和制造成本，降低寿命和可靠性。因此，在实际操作中，必须仔细选择上

10、述参数。1)结构条件限制，2)机械效率限制，机械效率与气缸内的最大压力密切相关，因为Pmax确定活塞连接机构的质量、惯性力和主要压力区域大小。大幅度提高压缩率和压力上升率必然会降低机器效率，结果可能会导致循环效率和平均压力的收益急剧增加，从而造成损失。这是柴油机的一个很明显的问题。作为国外柴油机最新发展趋势之一，降低压缩比，提高柴油机整机的经济性，其出发点是减少摩擦损失。3)燃烧工艺限制，压缩率设置得太大，压缩端的压力和温度太高，汽油发动机的情况：容易发生爆震燃烧、表面点火等异常现象；对于柴油机：压缩端点时，气缸体积变小，给燃烧室设计带来困难，也可能对高效燃烧产生不利的结果。4)对排放的限制，

11、循环供应的增加实际上取决于进气缸内的风量，即空燃比的限制。否则，不完全燃烧会产生烟，热效率下降，引擎HC、CO排放剧增。另外，压缩率提高，最大燃烧温度和压力提高，引擎的NOx排放增加，振动噪音增加。由于上述各种限制，当前引擎的参数范围为：柴油机=12-22=1.3-2.2 pmax=7-14 MPa汽油引擎7-12.0-4.0 3-8.5，发动机参数范围，第二节内燃机的燃料和热化学，第一，内燃机的燃料2(补充)，石油，国家的安全和经济发展，被称为“现代社会的血液”的神奇液体来自哪里？石油和天然气主要来自地质时代埋藏的生物，石油是多种碳氢化合物(碳和氢的化合物)的混合物，主要来自微生物。微生物死

12、后，会沉淀在更深的海底或湖底，这里的还原环境保存了它，与沉积物一起深埋。卖场深度不够大的时候，会有数十度的高温，但也能存活厌氧甲烷生成群落，它们将沉积物中的有机物用作“食物”，代谢产物用甲烷形成生物气库。随着沉积物的演化，埋藏量越来越大，温度也越来越高，石油地质学家说，有机物越来越成熟。自然催化在此期间通过化学反应产生液体碳氢化合物，即石油。一、-内燃机燃料，包括石油燃料；气体燃料替代燃料。目前石油(通常是液体)燃料占主导地位。(a)内燃机使用的液体燃料基本上来自天然石油。在天然石油中，大部分元素以碳氢化合物的形式存在，它叫碳氢化合物，粉碎叫CnHm。碳、氢两种元素组成的体积总和占总量的97%

13、，还有少数元素，例如氧、氮、硫。1，石油中碳氢化合物的分类，在化学结构上，石油基本上是由脂肪族碳氢化合物、环烷烃碳氢化合物、芳香烃等多种碳氢化合物组成的混合物。脂肪族碳氢化合物包括烷烃和烯烃。烷烃：饱和链形状的分子结构(碳原子在碳链中的结合位置完全填充了氢原子，碳和碳之间只存在单个结合)。双直线链条是正结构烷烃的热稳定性低，在高温下容易开裂，延迟时间短，适合作为柴油机的燃料。，排列成非直线链(分支)的异构烷烃，耐爆性强，自焚倾向比n-kekan小得多，适合作为汽油发动机的燃料，多使用异质烷烃作为评价汽油燃料耐破性的标准。下表，烯烃：不饱和链碳氢化合物(碳原子的结合位置不能完全填充氢原子，碳和碳

14、之间有双键)，热值低，防火性能低，仅适用于汽油发动机的燃料(antiknock good)。阿尔金不存在于原油中，有三次碳键，非常不稳定，在室温下容易分解。环烷烃是环分子结构的饱和碳氢化合物(碳和碳之间只有单个键)，分子式与烯烃相同。比直链烷烃热稳定性及自点火温度高，适合汽油发动机燃料，不适合柴油燃料。芳香烃的氢原子较少，具有双键和环结构，制造了难氧化的过氧化物，因此化学和热稳定性好，高温下分子不易分裂，爆炸性很强，比脂肪族碳氢化合物和环烷族碳氢化合物自燃温度高，汽油发动机燃料或汽油的antiknock添加剂也适合。其中属于芳烃的甲基萘和n-乙烷也用作评价柴油机自燃性能(十六烷值)的标准资料。

15、精炼过程的典型过程有直接蒸馏法和分解法。电子将原油从专用炼油塔(分馏塔)加热蒸馏得到不同的分馏温度，得到不同成分的燃料，最终得到的燃料约占原油的25比40。后者是通过其他技术手段将某些聚合物成分(如蒸馏的重油)分解成分子量较轻的成分。其中用加热加压法热分解称为热分解法，用催化剂(催化剂)热分解称为催化分解。2 .石油的精炼方法和燃料(补充)，热解方法虽然简单，但燃料稳定性差，一般需要催化裂化和其他精炼过程来保证质量，普通商品燃料是各种碳氢化合物的混合物，是各种精炼过程中获得的油的调整产物。为了提高汽油燃料的辛烷值，目前采用了很多催化重整工艺，即将低辛烷值的汽油由铂、铼等催化剂的接触催化作用重组

16、，辛烷值水平进一步提高，在不同精炼工艺中获得的油的理化性质也不同。下表说明了不同精炼工艺对油性质的影响。一般直馏汽油辛烷值低，柴油辛烷值高。催化裂化方法能得到高质量的汽油和柴油，燃料的特性对内燃机的功率输出、燃料消耗和可靠性有很大影响；不同的内燃机对燃料有不同的要求。下面分别介绍柴油和汽油的物理和化学性质。对于柴油机，与性能相关的燃料特性对自燃温度、蒸馏范围、粘度、含硫等自燃温度和低温流动性(凝点)的影响最大。(b)柴油的物理化学性质，1)自燃温度和自燃的定义：柴油无需外源点火即可自行燃烧柴油的最低温度称为自燃温度。柴油能自行着火的性质是柴油的自发性，柴油的自发性是以十六烷值测定的。十六烷值评估方法： (比较两种自燃性能非常不同的标准燃料)n十六烷c16h 34，自燃良好，十六烷值定义为100；-甲基萘C11H10，自燃低，十六烷值定义为0。十六烷值测试方法，在标准专用试验机上，与试验柴油具有一定混合比的正庚烷和甲基萘混合物自燃比较；如果这两种自发相同，在混合液中，n-setan将成为测试柴油的税费。高辛烷值柴油，自燃温度低，延迟时间短，适用于高速柴油机，但过高的高辛烷值柴油在燃烧过程中容易分解，引起排气中的烟尘。因此，柴油的税费通常限制在65以下。，温度下降时，柴油中含有的聚合物烷烃族碳氢化合物(如石蜡)和燃料中混合的水分开始析出结晶，使原来半透明柴油混浊，达到这种状态