内燃机原理内燃机的工作循环.ppt

单击此处编辑母版标题样式,第二章 内燃机的工作循环,2.1内燃机理想循环,2.2内燃机理想循环热效率,2.3内燃机实际循环,2.1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。,一、理想循环的简化假设,二、自然吸气内燃机的理想循环,三、涡轮增压内燃机的理想循环,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,二、自然吸气内燃机的理想循环,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；,返回,工质沿zb线膨胀至b点，容积的变化用,后膨胀比,表示，即,工质沿定容线cz的压力升高用,压力升高比,表示，即,定容加热理想循环的热效率：,说明：,（1）加热过程在定容条件下很快完成；,（2）绝热指数k在实际循环中变化不大，,t,主要随增大而提高；,（3）压缩比的提高在实际情况下有,一定限制,，不宜大于1013；,（4）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,。,工质以定压方式吸热Q,1,，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：,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,（3）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；,（4）混合加热理想循环是,高速柴油机,理想循环的模型。,三、涡轮增压内燃机的理想循环,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p,z,一直膨胀到进气压力p,a,，继续膨胀循环。,脉冲涡轮增压,定压涡轮增压,分析：,（1）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。,（2）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；,（3）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p,t,；,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。,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。,（1）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,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,增压器的压缩比，,返回,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。,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,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。,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,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。,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,=p,b,/p,a,=,k,时，循环热效率最高，即,式（2-4）,。,（2）当,T,/,k,1，即p,f,/p,g,p,k,/p,a,时，即,式（2-5）,。,（3）当,T,/,k,最小，即,T,1时，废气能量利用率为零，即机械增压。,3、混合加热理想循环,将,k,1，,T,1，,c,1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。,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：,当最高压力相同，最高温度相同，压缩比不同时：,2.3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,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,2、气体流动阻力,3、传热损失,4、燃烧不及时、后燃及不完全燃烧损失,5、漏气损失,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。,成分和物质的量发生变化；,比热容随温度升高而上升；,高温分解使循环热效率下降。,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。,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。,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。,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”。,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。,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。,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。,（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。,原因：,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；,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；,提高压缩比使内燃机具有较高地循环热效率。,柴油机压缩比上限也受到多种因素的限制：,提高压缩比将使压缩终点的压力p,c,以及相应的最高燃烧压力p,z,均有所增加，从而曲柄连杆机构要承受较大的机械负荷；,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；,随着温度的升高，CO,2,分解成CO，以及燃烧产物中NO的数量增加，使内燃机排放的气体毒性加剧；,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。,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：,化油器式汽油机,6.511.0,煤气机,610,非增压柴油机,1522,增压柴油机机,1116,4、多变指数的确定,a、初期，工质的温度低于周围表面的温度，n,1,k,1,；,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，n,1,k,1,；,c、末期，工质的温度高于燃烧室表面的温度，n,1,k,1,。,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,n,1,1.321.39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。,根据有关资料，推荐下列n,1,的经验数据，供选用时参考：,水冷汽油机,1.361.39,风冷汽油机,1.391.42,煤气机,1.371.39,非增压柴油机（活塞冷却）,1.351.40,增压柴油机（活塞冷却）,1.321.37,5、压缩终点的状态参数,确定和n,1,后，根据多变状态方程，得压缩终点的状态参数：,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c,z,线所示，实际循环与理想循环的燃烧过程有所不同。,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。,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。,（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。,2、多变指数的确定,a、初期，放热量较多，接近等温膨胀，n,2,1；,b、在z,1,z,2,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，n,2,k,2,；,c、在z,2,z,3,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，n,2,k,2,；,d、在z,2,b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，n,2,k,2,。,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n,2,代替；,（2）影响n,2,的因素有内燃机的转速、燃烧速度、气缸尺寸及负荷情况等。,a、转速增加时，其总效果是使n,2,变小；,b、燃烧速度越快，后燃越少，即在燃烧阶段的热利用系数,z,增大，n,2,也增大；,c、当S/D保持一定时，若气缸尺寸大，则工质的相对散热表面小，且相对漏气缝隙面积也小，因此，n,2,变小；,d、转速不变时，若负荷减小，则工质的平均温度下降，散热少，n,2,也减小，但影响较小；,根据有关资料，推荐下列n,2,的经验数据，供选用时参考：,高速内燃机,1.151.24,非冷却活塞柴油机,1.201.28,冷却活塞柴油机,1.251.30,汽油机,1.221.28,3、膨胀终点的状态参数,确定n,2,和后，根据多变状态方程，得膨胀终点的状态参数：,四、换气过程,内燃机的理想循环是闭式循环，工质在循环中周而复始地运行，没有任何换气过程和流动阻力。,内燃机的实际循环是开式循环，每个循环的工质必须更换，有一定的流动阻力损失。,说明：,（1）,如图2-6(a)的线ra所示,，四冲程非增压内燃机的进气压力低于大气压力；,原因：进气系统对充量的流动具有流动阻力。,（2）进气压力有起伏波动，但波动幅度较小，故进气压力线呈直线状态；,原因：活塞运动的速度不均匀。,（3）,如图2-6(b)的线br所示,，四冲程非增压内燃机的排气压力高于大气压力；,原因：排气系统对排气的流动具有流动阻力。,（4）排气压力有起伏波动，但波动幅度较小，故排气压力线呈直线状态；,原因：活塞运动的速度不均匀。,作 业,思考题2、3、4。,