第二章内燃机的工作循环 2-1内燃机理想循环 在热机中,确定工质所经历的过程称为循环。内燃机的实 际热力循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所 组成的,循环中工质存在着质和量的变化,整个过程是不可逆 的 要确切地描述内燃机中实际的热力过程,在目前条件下还 非常困难。为了了解内燃机的 ①热能利用的完善程度; ②能量相互转换的效率; ③寻求提高热量利用率的途径。 将内燃机的实际循环进行若干简化,提出一种假想循环,这种 假想循环就称为“理想循环
第二章 内燃机的工作循环 2-1 内燃机理想循环 在热机中，确定工质所经历的过程称为循环。内燃机的实 际热力循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等多个过程所 组成的，循环中工质存在着质和量的变化，整个过程是不可逆 的。 要确切地描述内燃机中实际的热力过程，在目前条件下还 非常困难。为了了解内燃机的 ① 热能利用的完善程度； ② 能量相互转换的效率； ③ 寻求提高热量利用率的途径。 将内燃机的实际循环进行若干简化，提出一种假想循环，这种 假想循环就称为“理想循环”
利用理想循环能够清楚的比较说明影响内燃机热能利用完善程 度的主要因素。 理想循环的简化假定: ①工质是一种理想的完全气体,在整个循环中保持物理及 化学性质不变,其状态参数的变化遵守气体状态方程 py=mRT 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。 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,无摩擦、流动损失,工质比 热容为常数。 ④用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程,用定 容放热代替实际排气带走的热量
利用理想循环能够清楚的比较说明影响内燃机热能利用完善程 度的主要因素。 理想循环的简化假定： ① 工质是一种理想的完全气体，在整个循环中保持物理及 pV=mRT 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。 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，无摩擦、流动损失, 工质比 热容为常数。 ④ 用假想的定容或定压加热来代替实际的燃烧过程，用定 容放热代替实际排气带走的热量
根据加热方式的不同,理想循环有三种形式可供分析选择。 (a) 图2 图2-1(b)为等容循环(也称奥托循环) ac为绝热压缩; x为等容加入热量Q1; zb为绝热膨胀; ba为等容释放热量Q2 在压缩、膨胀过程,工质状态用P=C表示
图 2-1 图 2-1（b）为等容循环（也称奥托循环） a—c 为绝热压缩； c—z 为等容加入热量Q1 ; z—b 为绝热膨胀； b—a 为等容释放热量Q2。 在压缩、膨胀过程，工质状态用 表示。 k PV C= 根据加热方式的不同, 理想循环有三种形式可供分析选择
y v+y 压缩过程的容积变化用压缩比E 表示 膨胀过程的容积变化用后膨胀比=n表示。 定容加热的压力升高,以压力升高比4=表示。 图2(c)为等压循环(也称狄赛尔 diesel循环) ac为绝热压缩; cz为定压加入热量Q1; zb为绝热膨胀 ba为等容释放热量Q2。 定压加热过程的容积变化用初膨胀比”=表示,其它同等 容循环
压缩过程的容积变化用压缩比 表示。 膨胀过程的容积变化用后膨胀比 表示。 a s c c c V V V V V + = = Q1 b z V V = 定容加热的压力升高，以压力升高比 表示。 图2（c）为等压循环（也称狄赛尔diesel循环） a—c 为绝热压缩； c—z 为定压加入热量Q1; z—b 为绝热膨胀； b—a 为等容释放热量Q2。 定压加热过程的容积变化用初膨胀比 表示,其它同等 容循环。 z c P P = z c V V =
图2(a)为混合循环 a→c为绝热压缩; c→z为定容加入热量Q'i; y→z为定压加热量Q"1; Z→b为绝热膨胀; b→a为等容释放热量Q2o 由热力学知,混合循环热效率为: n=1 (21) E44-1+k(p-1) 在定压循环中,乙==1,代入(2-1),则得定压循环 的热效率公式为 (2-2) k(p-1)
图2（a）为混合循环 a → c 为绝热压缩； c → z 为定容加入热量Q' 1 ; y → z 为定压加热量Q'' 1 ; z → b 为绝热膨胀； b → a 为等容释放热量Q2。 由热力学知,混合循环 （2—1） 在定压循环中, ＝1 ，代入（2—1），则得定压循环 的热效率公式为： （2—2） z c P P = 1 1 1 1 1 ( 1) k t k k − − = − − + −( 1) 1 1 1 , 1 − − = − − k k t vp k
在等容循环中,初膨胀比P==1,代入(2—1)式则 热效率的公式为 k-1 分析上式可知, (1)ε↑,则η↑,但随ε不断增大,η提高幅度逐渐降 低 (2)λ↑,则混合循环中等容加热量↑,n,↑。 (3)叶,则负荷p↑,但η下降,因此,按等压循环的发 动机,p↑,则降。 (4)k↑,则m↑,但在发动机中k变化不大 (5)当e相同时:7,>m>n (6)当相同,Q相同,ε不相同时,mp>m>m 这是因n不变时,等压循环的ε最大,而等容循环的e 最小之故
在等容循环中，初膨胀比 =1，代入（2—1）式则 热效率的公式为 （2—3） 分析上式可知， （1） ε ↑ ，则 ↑ ，但随ε不断增大， 提高幅度逐渐降 低。 （2） ↑，则混合循环中等容加热量↑， ↑ 。 （3） ↑ ，则负荷pt ↑ ，但 下降，因此，按等压循环的发 动机，pt ↑ ，则 下降。 （4）k ↑ ，则 ↑ ，但在发动机中k变化不大。 （5）当ε相同时： （6）当pz相同，Q1相同, ε不相同时， 这是因pz不变时，等压循环的ε最大，而等容循环的ε 最小之故。 z c V V = t t t t t t t, p t,vp t,v t,v t,vp t, p > , 1 1 1 − = − t V k
2.2涡轮增压内燃机的理想循环 在非增压的内燃机中,工质只膨胀到b点,然后由b点等容 放热至a点,损失了排气中的一部分热能,如果工质由P2一直 膨胀到Pa,即在b点后继续膨胀至g点,如图2-2所示,那么这 种循环,比无涡轮增压循环要来的完善,它在相同的加热条件 下,多获得一部分功(bg),使η,提高了。我们称这种循 环为继续膨胀循环。 这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现,将使气缸加长, 使发动机重量增加,通常是在发动机排气管处加一涡轮,使废 气在涡轮中继续膨胀作功,涡轮再带动一个压气机,将空气压 缩后再进入气缸中,提高进缸空气量,这样可提高P。 对涡轮增压内燃机理想循环而言,一般涡轮増压内燃机涡 轮后的排气压力略高于大气压力,但压力脉动的幅度不大,因 此假定循环的放热过程等压,并假定气体由气缸流向涡轮,无 流动损失与传热损失等。其它假定与非增压时一样
2.2 涡轮增压内燃机的理想循环 在非增压的内燃机中，工质只膨胀到b点，然后由b点等容 放热至a点，损失了排气中的一部分热能，如果工质由Pz一直 膨胀到Pa ,即在b点后继续膨胀至g 点，如图2－2所示，那么这 种循环，比无涡轮增压循环要来的完善，它在相同的加热条件 下，多获得一部分功（b—g），使 提高了。我们称这种循 环为继续膨胀循环。 这种继续膨胀循环如在内燃机气缸中实现，将使气缸加长， 使发动机重量增加，通常是在发动机排气管处加一涡轮，使废 气在涡轮中继续膨胀作功，涡轮再带动一个压气机，将空气压 缩后再进入气缸中，提高进缸空气量，这样可提高Pt。 对涡轮增压内燃机理想循环而言，一般涡轮增压内燃机涡 轮后的排气压力略高于大气压力，但压力脉动的幅度不大，因 此假定循环的放热过程等压，并假定气体由气缸流向涡轮，无 流动损失与传热损失等。其它假定与非增压时一样。 t
涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式: (1)脉冲涡轮增压:从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀, 排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大,充 分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能量变化大,涡 轮效率较低,当丌X25时,定压的效率高于脉冲的效率,此时 常采用定压涡轮增压方式。 带脉冲涡轮增压的内燃机理想循环如图2一2所示。 a-a为压气机中的绝热压缩; a—c为气缸中的绝热压缩过程 cy为气缸中的定容加热过程; Z为气缸中的定压加热过程
涡轮增压内燃机从气缸排出的废气继续膨胀有两种方式: (1) 脉冲涡轮增压：从气缸排出的废气沿绝热膨胀线继续膨胀， 排气管做成有利于使涡轮进口气体压力幅度达到最大，充 分利用废气中的脉冲能量。但供给涡轮的能量变化大，涡 轮效率较低,当 <2.5时使用. (2) 定压涡轮增压：将各缸中排出的废气导入一根容积很大的 排气总管，使涡轮前的压力保持恒定，这种方式的脉冲能 量不能利用。但在涡轮中废气能量转换是稳定的，涡轮效 率较高。当 ＞ 2.5时,定压的效率高于脉冲的效率，此时 常采用定压涡轮增压方式。 带脉冲涡轮增压的内燃机理想循环如图2－2所示。 a '—a 为压气机中的绝热压缩； a —c 为气缸中的绝热压缩过程 c —y 为气缸中的定容加热过程; y —z 为气缸中的定压加热过程 k k
Q1 Q Q1 Q Q2 图2一2无中冷脉冲涡轮增图2-3带中冷脉冲涡轮增 压内燃机的理想循环 压内燃机的理想循环
图2－2 无中冷脉冲涡轮增 图 2—3 带中冷脉冲涡轮增 压内燃机的理想循环 压内燃机的理想循环
zb为气缸中的绝热膨胀过程; bg为涡轮中的绝热膨胀过程; a‘为涡轮中的定压放热过程 也可将脉冲涡增压内燃机的理想循环视为内燃机的理想循 环 acyzba和定容燃烧式燃气轮机理想循环a'abga'两部分叠加。 为了提高进气密度,通常对增压器后的进缸空气冷却,工 作循环只是比无中冷的多了一个ka等压向冷却器放热过程。 带空气冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率的公式 为 =1 k(7。-1)x+pA一7 A-1+kA(P-1) (2-4) 无空气中冷的脉冲涡轮增压内燃机的理想循环热效率只需 将温降比c=TkT=1代入(2-4)即可得: k E-1+kA(p-1) (2-4')
z—b 为气缸中的绝热膨胀过程； b—g 为涡轮中的绝热膨胀过程； g—a ‘ 为涡轮中的定压放热过程。 也可将脉冲涡增压内燃机的理想循环视为内燃机的理想循 环acyzba和定容燃烧式燃气轮机理想循环a ‘ abg a ‘ 两部分叠加。 为了提高进气密度，通常对增压器后的进缸空气冷却，工 作循环只是比无中冷的多了一个k—a等压向冷却器放热过程。 带空气冷却的脉冲涡轮增压内燃机理想循环热效率的公式 为 （2－4） 无空气中冷的脉冲涡轮增压内燃机的理想循环热效率只需 将温降比 代入（2－4）即可得： （2－4 '） = T / T =1 C k a 1 ( 1) 1 1 1 1 − + − − = − − k k k t k