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