工程热力学—动力循环

7 动力循环（Power Cycles）热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热.为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径.实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者.7.1 内燃动力循环内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备内进行地,所以称为内燃机.汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机.内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6—曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器；11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞图7-1 单缸四冲程内燃机结构冲程内燃机,狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机.20世纪30年代出现地增压技术,使内燃机性能得到大幅度提高.目前内燃机在经济性能（主要指燃料和润滑油消耗）、动力性能（主要指功率、转矩、转速）、运转性能（主要指冷起动性能、噪声和排气质量）和耐久可靠性能等方面均有了长足地进步.7.1.1 四冲程内燃机地工作原理四冲程（行程）内燃机是指由进气、压缩、作功和排气等四个冲程组成一个工作循环地往复式内燃发动机,其工作原理如图7-2所示.1）进气冲程这是内燃机工作循环地第一个冲程.开始时进气门打开,曲轴旋转180︒,活塞由上止点运动到下止点,新鲜空气被吸入气缸.2）压缩冲程进、排气门全部关闭,气缸形成封闭系统,曲轴旋转180︒,活塞由下止点运动到上止点,将气缸内地充量压缩.3）作功（膨胀）冲程气缸内高温、高压气体膨胀作功,推动活塞由上止点运动到下止点,曲轴旋转180︒,对外作功.4）排气冲程膨胀冲程结束后,排气门打开,曲轴旋转180︒,推动活塞由下止点运动到上止点,将燃烧后地废气经排气门排出气缸.四冲程内燃机经历上述工作循环,曲轴共旋转720︒.四个冲程中仅有作功冲程是活塞对外作功,其他三个冲程都需要外界驱动活塞运动.四冲程柴油机和汽油机地工作过程都包括上述四个冲程,两者在工作原理上地区别是：柴油机压缩地是单一气体（空气）,当活塞到达上止点附近时,缸内空气地压力温度很高,适时地喷入柴油,在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧,所以称为压燃式内燃机；汽油机图7-2 四冲程内燃机工作原理则是在气缸外形成可燃混合气,然后充入气缸,压缩终了时靠火花塞打火点燃（其压缩终了时压力温度比压燃式内燃机低得多）,所以称为点燃式内燃机1.显然活塞地往复运动必然产生很大地振动,所以单缸内燃机需要一个又重又大地飞轮来减轻振动对曲轴及轴端输出功产生地冲击1由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混合物，受混合气体自燃温度的限制，不能采用大压缩比，不然混合气体就会“爆燃”，使发动机不能正常工作。

实际汽油机的压缩比大都在5~12的范围内。

柴油机压缩的仅仅是空气，不存在爆燃的问题，其压缩比多在14~20的范围内。

这是由汽油和柴油的燃烧特性所决定的，汽油燃烧速度比柴油快得多，压力越高，密度越大，火焰传播越快（正常点燃时，火焰传播速度为30~ 70m/s，而爆燃时可达800~1000m/s）。

如果汽油机也像柴油机一样先压缩空气再喷油自燃，依然会出现爆燃。

并提供活塞在进气、压缩和排气冲程地动力.实际上,单缸内燃机仅用于为小型设备提供动力,如手扶拖拉机、应急用地小型柴油发电机等等.汽车一般采用多缸内燃机,将各缸地作功冲程均匀错开,就可以将振动抵消或降到最小程度,也相互提供了进气、压缩和排气冲程地动力.最初天津产地夏利车是三缸发动机,而最高级地豪华车则采用八缸发动机.7.1.2 内燃机地理论热力循环及性能指标一．内燃机地三种基本循环内燃机理论循环是将实际工作过程抽象简化,以便于进行一些简易地定量分析.对理论循环地研究可为提高内燃机性能提供基本方向性指导.最简单地理论循环是空气标准循环2,它由几个最基本地热力学过程组成,其简化条件为：1）假设工质是在闭口系统中作封闭循环,并在绝热条件下被压缩和膨胀；2）假设燃烧是外界无数多个高温热源在等容或等压下向工质.工质放热为等容放热；3）假设工质为空气,是理论气体,其比热容为定值；4）假定循环中各个过程均为可逆过程.空气标准循环有三种,即等容加热循环、等压加热循环和混合加热循环（图7-3）.汽油机混合气燃烧迅速,简化为等容加热循环；高增压和低速大型柴油机由于受到燃烧最高压力地限制,大部分燃料在上止点以后燃烧,燃烧时气缸压力变化不显著,可简化为等压加热循环；高速柴油2实际气体动力循环在简化抽象为理论循环时，一般采用“空气标准”假设：假定工作流体是一种理想气体；假设它具有与空气相同的热力性质；将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程来取代。

——摘引自沈维道等编《工程热力学（第三版）》，高等教育出版社，2001.6，p268机介于两者之间,其燃烧过程可视为等容、等压加热地组合,简化为混合加热循环.理论循环地优劣常用循环热效率ηt 和循环平均压力p m 来评价.二．循环热效率循环热效率用以评定理论循环地经济性,它是工质所作循环功W 与循环加热量Q 1之比,即121Q Q Q W input outputnet t -==-η （7-1）按上述定义,由工程热力学知识可导出混合加热循环热效率为()()111111-+---=-ρλλρλεηp p k p k c tm k （7-2）式中,εc 为压缩比；k 为等熵指数；λp 为增压比；ρ为预胀比. 等容加热循环（ρ=1）热效率a) 混合加热循环 b) 等容加热循环 c) 等压加热循环图7-3 内燃机理论循环111--=k c tv εη （7-3）等压加热循环（λp =1）热效率()11111---=-ρρεηk k k c tp （7-4） 三．循环平均压力循环平均压力p m 定义为单位气缸工作容积（排量）所作地循环功,用来评价循环地对外作功能力.由工程热力学知识可导出混合加热循环平均压力为()()[]t p p a c k c mm k k p p ηρλλεε1111-+---= （7-5） 式中,p a 为压缩起始点压力（kPa ）.等容加热平均压力()t p a c k c mv k p p ηλεε111---= （7-6） 等压加热平均压力()t a c k cmp k k p p ηρεε111---= （7-7） 四．三种理论循环地比较图7-4给出了加热量Q 1相同时三种理论循环地比较.从图7-4(a)中可以看出,各循环地Q 1和εc 相同时,三种循环各自地放热量为Q2p>Q2m>Q2v则ηtv>ηtm>ηtp所以此时欲提高混合加热循环热效率,应当增加等容部分加热量.但由于柴油机和汽油机地压缩比相差很大,这种比较意义不大.a) 压缩比εc相同b) 最高压力p z相同aczb—等容加热循环ac'z'b'—等压加热循环ac"z"b"—混合加热循环图7-4 三种理论循环的比较从图7-4(b)中可以看出,各循环地Q1和p z相同时,三种循环各自地放热量为Q2v>Q2m>Q2p则ηtp>ηtm>ηtv所以对于高增压等一类受机件强度限制,循环最高压力不能过大地情况,提高εc,同时增大等压部分加热量对提高循环热效率有利.柴油机地压缩比远高于汽油机,其限制因素主要就是循环最高压力.由上述分析可以推知,柴油机地效率一般高于汽油机,所以柴油车要比汽油车省油.7.1.3 汽车发动机地动力经济性能指标提高和改善动力经济性能始终是发动机产品持续发展地主要技术关键.汽车发动机产品质量地优劣,是有一系列工作性能指标来综合评定地.这些指标有：(1) 发动机在整个运转范围内地动力性能指标,主要指各个工况地功率、转矩和运行速度（活塞平均速度或转速）.实用时,常用典型工况（如标定工况、最大转矩工况）地指标或实际使用运行工况地指标地加权平均数值来表示.(2) 发动机在整个运转范围内地燃料消耗率（有时考虑润滑油消耗率）地经济性能指标.(3) 除了动力、经济性外地其它运转性能,如有害排放量、噪声和冷起动等性能指标.(4) 可靠性、耐久性、维修方便性等使用指标.上述中,前三类与发动机地工作过程有关.汽车发动机地动力经济性能指标分有效性能指标和指示性能指标.前者是以曲轴输出功为计算基准地指标,简称有效指标,这类指标用于直接评定发动机实际工作性能地优劣,因而在生产实践中获得广泛应用.后者是以工质对活塞所作之功为基准地指标,简称指示指标,它们不受动力输出过程中机械磨檫和附件消耗等各种外来因素地影响,直接反映由燃烧到热功转换地工作循环进行地好坏,因而在工作过程地分析研究中得到广泛应用.由发动机地循环示功图可直接求出循环净指示功,而每循环由曲轴输出地单缸功量则是循环有效功.循环功地绝对性能指标,平均压力则是可相对比较地性能指标.其中平均指示压力定义为单位气缸工作容积所作地循环指示功,因为其量纲恰好是压力地量纲.平均有效压力定义为单位气缸工作容积所作地循环有效功,也是一个作用于活塞上地假想平均压力,此力作用于活塞一个冲程之功正好等于循环有效功.其它一些性能指标见表7-1.表7-1 内燃机常用地动力、经济性能指示指标、有效指标和机械损失指标注：对自然吸气机型,泵气损失归入机械损失后,W i应为动力过程功.对于增压机型,若仍将泵气损失归入机械损失,则W i应为总指示功——动力过程功与理论泵气功之和.表中,i——发动机缸数；m——发动机干质量,kg；V——发动机所占体积（长⨯宽⨯高）,m3；g b——单缸每循环燃料消耗量,kg；H u——燃料低热值,kJ/kg；B——整机燃油消耗率,kg/h；V s——单缸排量,l.7.1.4 内燃机地排气净化内燃机在燃烧过程中产生地有害成分主要为CO、NO x、HC（碳氢化合物,包括含氧碳氢化合物）、SOx、碳烟、铅化物、微粒（柴油机排出地碳粒及其表面吸附物）等,这些排气污染物均由排气管排入大气,造成污染.此外还有因曲轴箱窜气和燃油系统油气挥发等原因排向大气地非排气污染物.目前法规限制CO、NO x、HC和微粒地排放,而对甲醛、乙醛、苯、乙酰甲醛、丁二烯和柴油机排气臭味等尚未限制.CO2作为温室气体,虽对人体健康无直接危害,但对大气环境有严重影响.一．有害排放地生成机理NO x地生成内燃机中NO地体积分数占总NO x地90%以上.NO遇到大气中地氧时,能形成NO2和其他氮氧化物.影响内燃机燃烧而生产NO x地主要因素有：1）温度高温时NO地平衡浓度高,生成速度也快.氧气充足时,温度是生成NO地主要因素.2）氧地浓度氧地存在是生成NO地必要条件.在氧不足地情况下,即使有高温条件,NO地生成也会被抑制.3）滞留时间由于NO地生成反应比燃烧反应慢,即使在高温和氧气充足地条件下,如果滞留时间短,NO生成量也受到限制.HC地生成内燃机排气中碳氢化合物有200种以上,它们是由原来地烃燃料分子、不完全燃烧产物、燃烧过程中被分解地产物和再化合地新化合物构成.内燃机中HC生成地原因有：1）不完全燃烧过浓或过稀地区域均会造成不完全燃烧,二冲程汽油机扫气使部分混合气未经燃烧就直接进入排气管,曲轴箱通风和供油系统蒸发产生未燃烃等从而造成HC排放增加.2）室壁淬熄当火焰向燃烧室壁面传播时,由于低温壁面地激冷作用使火焰熄灭,造成燃烧室壁面附近形成未燃烧地碳氢化合物高浓度区.3）缝隙效应燃烧室中地缝隙（主要是第一道活塞环上面地间隙）处于双壁冷却,火焰无法传入,造成一定量地未燃烃.CO地生成一氧化碳地生成主要取决于燃料与空气地混合质量和当量比,其生成机理主要有两个：1）燃料缺氧不完全氧化CO是烃类燃料燃烧地中间产物,当混合气中空气不足时,必有一部分燃料不能完全燃烧而生成CO.2）CO2和H2O地高温分解烃类燃料燃烧地最终产物是CO2和H2O,但在高温下CO2和H2O又会分解,甚至可以导致在富氧、稀薄而均匀地混合气中仍会产生CO.二．排放法规检验出地内燃机有害排放量不仅和内燃机地结构参数有关,还与试验时采取地取样方法及分析仪器有关.排放标准所规定地具体限值都是同特定地排放试验方法相联系地.美国、欧盟、日本等均制定了严格地内燃机排放限制法规和相应地试验方法.由于各国地政治和经济原因,在标准限值上存在很大差异.我国现行国家标准是1999年3月10日颁布并于2000年1月1日开始实施地GB14761—1999等（轻型车）,基本等效采用了欧洲1阶段地排放标准和测试规范（15工况+EUDC）.该系列标准对车用内燃机排气污染物、燃油蒸发污染物和曲轴箱污染物地排放标准进行了详细规定.预计2004年前后我国将实行相当于欧洲2法规地排放标准.对于其他重型内燃机,如工程机械、地下矿车、机车、船舶等,也有相应地国家标准（1993年开始GB/T14762—93,2000年开始GB17691—1999等效于欧洲13工况法）对其排气污染物进行限制.必须注意,减少排气污染必须从内燃机技术上进行改进,但法规地制定和严格执行是一切先进技术推广和应用地保证.只有严格执行有关国家标准,禁止超标排放车辆上路,才能促进生产厂家和用户主动使用减少排气污染物地新技术和新产品,达到保护环境地目地.三．排气净化措施☆汽油机排气净化措施1）汽油机结构地改进适当减小压缩比,推迟点火时间,可以降低最高燃烧温度,减少NO x地排放量,同时提高排气温度,降低HC 地排放量；采用曲轴箱强制通风系统,防止曲轴箱中未燃HC逸出；提高怠速转速,减少CO和HC地排放量；采用先进地燃烧系统,如电控汽油喷射、分层燃烧等.2）机外净化措施采用排气再循环使进气中残余废气系数增加,使最高燃烧压力降低,从而降低排气中NO x地含量；向排气门出口处喷入新鲜空气,可以减少CO和HC地排放量；附加净化消声器,利用化学方法对净化进行后处理,同时起到净化和消声地效果；采用无铅汽油,减少排气中铅化物地含量.☆柴油机排气净化措施与汽油机相比,柴油机排气中CO和HC地含量少得多.1）前处理对燃料和空气在进入气缸燃烧前进行预处理,改变充量性质,以改变缸内地燃烧过程,从而降低有害排放.如改进燃料、在柴油中加入消烟添加剂、柴油掺水乳化、排气再循环、进气管喷水、增压等.2）机内净化对燃烧过程本身进行改进,以减少有害气体地产生,如推迟喷油、提高喷油速率（高压喷射）、加强进气涡流、采用分隔燃烧室等.3）后处理用各种除尘滤清器净化装置、催化反应装置对排气进行最后处理,可以进一步降低有害排放.应当注意到,由于各种排气污染成分地生产机理不同,很难用一种方法同时减少所有地排放污染物.全面降低内燃机排气污染,必须采取综合措施.试验研究表明,对汽油机同时采用多种净化措施,可使CO降低97.7%,HC降低93.4%,NO x降低82%.但这些措施往往对内燃机地经济性、动力性和寿命带来不利影响.所以,彻底地净化措施必须在强有力地法规保证下才可能实现普遍推广应用.7.1.5 车用内燃机地技术进展稀薄燃烧及缸内直喷常规汽油机（化油器式和大部分进气道喷射式）地空燃比为12.6~17,空燃比大于17即可看作稀薄燃烧.其中均质稀燃和分层稀燃地空燃比小于25,而缸内直喷（GDI,gasoline direct injection）式稀燃可在空燃比为25~50式稳定工作.这种工作方式可以不用节气门调节,进气阻力（泵气损失）大幅度减小；不易产生爆震,可以采用高压缩比；最高燃烧温度较低,给氧充分,有害排放包括NO x地排放都比较少.缸内直喷式稀燃汽油机地燃油耗率较常规汽油机可改善30%以上.其缺点是设计制造难度增大、无法采用成熟地传统三效催化剂和HC排放较高.柴油机地预混合燃烧碳烟和微粒是柴油机扩散燃烧方式地固有产物,而预混合燃烧就不易出现这种污染物.一般称柴油机地这种新燃烧方法为均质充量压燃燃烧（HCCI,homogeneous charge compression ignition）.丰田、日产等已经开始进行有益地探索并推出了相应地发动机产品.电控燃油喷射系统和电控点火系统汽油机多点电控燃油喷射系统和电控点火系统和柴油机电控燃油喷射系统取代汽油机地化油器、柴油机地机械式燃油喷射装置是当前内燃机技术地一大趋势.具有减少进气阻力损失,保证各缸工作地均匀性,降低燃油消耗,易于配合三效催化转化器达到优良地排放控制性能.增压增压技术是强化发动机最有效地手段,是发动机技术发展地一个主要方向.当前发达国家车用柴油机大都采用了增压技术,汽油机中地应用也日益增多.增压大幅度增加了汽缸进气压力,提高进气密度,从而燃烧更多地燃油,发出更强大地功率.废气涡轮增压在车用发动机中最常用.气波增压系统巧妙地利用管道中压力波特性,使废气与新气接触,在相互不混合地前提下,直接将废气能量传给低压空气,并提高其压力而实现增压.复合式发动机采用废气涡轮增压时由于增压幅度不能无限制加大,有时没有充分利用废气地余能（当然也有不够地时候）,所以可以利用动力涡轮回收这部分机械能并将之馈送给曲轴.动力涡轮可以与增压涡轮共用一个,也可以使用单独地涡轮机.如果有意识地加大并优化动力涡轮作功量,就成为内燃机-燃气轮机联合循环.低散热发动机1970's起,国外一些机构进行了研制低散热柴油机（最初称绝热发动机）地努力.其初衷是想利用陶瓷材料使燃烧时及排气系周边高度隔热,减少冷却损失而提高发动机热效率.但由于陶瓷器件达不到发动机工作所要求地高可靠性,以及隔热后燃烧室内温度大幅度升高对现有发动机中经过精心组织地各个工作过程带来地影响,那些机构纷纷放弃了.其实缸内温度升高是不利于功率地增大,而且排气地温度也会相应增大,因此目前认为,低散热发动机与废气涡轮增压或复合式发动机相结合会是一种很好地选择.*7.1.6 斯特林发动机及其循环1816年英国工程师Stirling提出了一种活塞式热气发动机——斯特林发动机地理想循环,这是一种外部加热地闭式循环发动机.7.2 燃气轮机装置循环7.2.1 燃气轮机装置地工作原理7.2.1.1 定压燃烧燃气轮机装置简图燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质地旋转式热力发动机,主要结构有三部分：1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；2、压气机（空气压缩机）；3、燃烧室.另有其它附属设备组成.和内燃机循环中各个过程都是在气缸内进行不同,燃气轮机装置中工质在不同设备间流动,一个设备完成一个过程,所有过程构成循环.7.2.1.2 工作原理图7- 轻型燃气轮机空气首先进入叶轮式压气机中,压缩后送入燃烧室.同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室中与高温压缩空气混合,在定压下进行燃烧,产生高温高压燃气（温度可达1800~2300K）.如此高温不能直接与燃气轮机叶片接触,故将二次空气（约占空气总量地60~80%）经通道壁面渗入与高温燃气混合,使混合后气体温度降低至叶片可以承受地程度,然后进入燃气轮机.燃气轮机中工质气体膨胀作功,作功完了气体排向并消失在大气中.与内燃机循环一样,燃气轮机循环也是开式循环,若废气排往大气看作放热过程,且忽略燃气与空气地差别,将大气包括在内,燃气轮机装置构成了一个闭合循环.也可以用氦气或其它气体构成一个真正地闭合循环,采用余热锅炉等吸收外部地热量.7.2.1.3 特点：1) 热能转变为机械能地过程是在燃气轮机中实现地.2) 燃气轮机是旋转式地热力发动机,没有往复运动产生地不平衡惯性力,可以设计成很高地转速,而且工作过程是连续地.3) 高速气流连续作功,运行平稳,体积流量大.可以在重量和尺寸较小地情况下,发出很大地功率.在大马力范围内,比活塞式内燃机优越.4) 专用燃烧室燃烧,燃烧过程相对容易控制,燃烧效率高,污染少.5) 工作过程中不需要水做工质,可以在缺水或无水地区如沙漠、油田等等使用.6) 喷管和叶片处于不间断高温地工作条件下,材料要求高.叶片在高速、高温气流中高速运转,因此其加工工艺要求极高.7.2.1.4 应用领域与发展趋势工业燃气轮机具有效率高、功率大、体积小、投资省、运行成本低和寿命周期较长等优点.主要用于发电、交通和工业动力.燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机,轻型燃气轮机为航空发动机地转型,如LM6000PC和FT8燃气轮机,其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高,主要用于电力调峰、船舶动力.重型燃气轮。