第3章_循环分析与能量利用1

q1 = const. ε = const. q2,p > q2,s > q2,v
理论循环热效率的比较
0.8 ηt
0.6
q* = q1 cpT1
等容循环
0.4
p3 = 40 bar
Department of Automotive Eng来自百度文库neering
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混合循环
第一篇 动力输出与能量利用
第1章 动力经济性能指标与影响因素
第2章 燃料与工质 第3章 循环分析与能量利用 第4章 换气过程与循环充量
1. 循环模式与热效率 2. 机械损失与机械效率 3. 能量分配与合理利用
第二篇 燃烧与排放
第5章 燃烧的基础知识 第6章 燃烧过程及混合气形成 第7章 特殊燃烧问题的机理与对策
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等容循环(Isochoric cycle)
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奥托循环(Otto Cycle):早期汽油机 转速低，燃烧接近等容放热
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1）汽油机（Gasoline engine）什么时候发明的?谁发明的? 哪国人?
1876, Nikolaus August Otto(奥托), Germany(德国) 2）柴油机（Diesel engines）什么时候发明的?谁发明的? 哪国人?
循环热效率(Cycle thermal efficiency)
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p
T
循环功
(总指示功)
wi
=
∫
pdV =
∫ Tds − ∫ du
123
=0
wi
wi
Tds = dq
q2
q1
热力学
第一定律 w i = q1 − q 2
p 3
q
1
T
V2
3 q1
V1
ηt
= 1− q2 q1
η t,v
=
1−
cv(T4 cv(T3
− −
T1) T2)
=
1−
⎛ T1⎝⎜
T4 T1
⎛ T2⎝⎜
T3 T2
− 1⎞⎠⎜
−
⎞ 1⎠⎜
2
4
2
1 q2
1
V
压力升高比 λ＝p3/p2
压力升高比对等容循环的
4 q2
q1 q2
s
T1 T2
=
⎛ ⎝⎜
V2⎞⎜κ−1 V1⎠
0.2
2) 等熵指数k越大, 热效率越高
0
0
4
8
12
16 ε 20
压缩比和等熵指数对热效率的影响
等熵指数由1.2提高到1.4, 热 效率可增加40％(q1和ε不变, κ ↑, cp和cv↓, 工质温升↑, 效 率↑)
循环参数对热效率的影响
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保证工质具有较高的等熵指数 κ（稀燃）
2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据 同一机型不同加热模式的对比 ε、κ及q1不变： 等容循环ηt > 混合循环ηt > 等压循环ηt 不同机型(汽、柴油机)的对比 pmax及q1相同： 等压循环ηt > 混合循环ηt > 等容循环ηt
=
⎛ ⎝⎜
V3⎞⎜κ−1 V4⎠
=
T4 T3
η t,v
= 1− T1 T2
=
1−
⎛ ⎝⎜
V2⎞⎜κ−1 V1⎠
等容循环效率:
ηt,v
=
1−
1 εκ−1
热效率没有影响！
加热时刻对循环的影响(等容度)
TDC 加热: 1 - 2 - 3 - 4
BTDC 加热: 1 - 2*- 3*- 3’- 4*- 1
理论循环分析的指导意义
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1） 指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向
在允许的条件下, 尽可能提高压缩比 ε, 尤其是汽油机
合理组织燃烧, 提高循环加热等容度（减少预膨胀比ρ、合理选择燃烧始点、压 燃）
ηt
= 1− q2 q1
q1 = const.
偏离上止点加热，ηt 增大 or 减小?
3′
q2 增加，ηt 减小
3
q1
3*
2
4*
4
2
2*
2*
4*
q2
4
ΔVc
Vs
1 q2
1
TDC V’2
V1 V
s
等压循环(Isobaric cycle)
狄赛尔循环(Diesel Cycle): 早期柴油机在上止点喷油燃烧
70 bar
150 bar
等压循环
0.2
p1 = 1 bar
κ = 1.4
q*= 9.14
0
0
4
8
12
16 ε 20
在加热量、压缩比相同的条件下，等容循环具有最高的热效率， 因此，提高等容加热比例是提高热效率的有效途径
循环参数对热效率的影响
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您认识他们吗？
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Maybach 迈巴赫
Daimler 戴姆勒
Benz 本茨
奥托的贡献
Lenoir（列诺尔）两冲程发动机(1860)
Gas Air Exhaust Slide valve
x x x
1897, Rudolf Diesel(狄赛尔), Germany(德国)
3）转子发动机或汪克尔发动机（Rotary or Wankel engine）什么 时候发明的?谁发明的? 哪国人?
1954, Felix Wankel(汪克尔), Germany(德国)
4）第一辆现代汽车（the first modern automobile）什么时候发明 的?谁发明的? 哪国人? 1886, Gottlieb Daimler(戴姆勒)和Carl Benz(本茨/奔驰), Germany(德国)
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汽车发动机原理
清华大学 汽车工程系 帅石金
点燃式和压燃式内燃机 工作过程、燃烧理论、性能分析以及参数调控
讲课内容
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压力升高率和预膨胀比对热效率影响: 1) ρ＝1, 等容循环, λ对ηt无影响 2) λ＝1, 等压循环, ρ增大, ηt明显下降 3) 混合循环： ρ不变：随λ上升，ηt略有增加 λ再增大，ηt不受影响 λ不变：随ρ增大，ηt明显下降
结论： 减少等压加热；增加等容加热
V
s
示功图
温熵图
循环热效率:
ηt
=
wi q1
温熵图(T-s)是分析循环热效率 的一种有效而又直观的方法
ηt
= 1− q2 q1
理论循环分类
1- 2: 等熵压缩(Isentropic) 2- 3: 等容/等压加热(Isochoric/Isobaric) 3- 4: 等熵膨胀(Isentropic) 4- 1: 等容放热(Isochoric)
结果： 中、低负荷工况, 柴油机使用油耗较汽油机低30％～50％
理想循环
假设：
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1) 保持理论循环中关于循环的假设(简化)
2) 工质特性按真实情况考虑： 循环过程中成分是变化的
压缩过程: 空气+燃料蒸气+残余废气 膨胀过程: 废气+空气
Pe
=
ηetG mHum
=
ηc
ηt
ηm
( Hu
φal0
)φc
Vs
(
ps R sTs
)( 2in ) τ
第8章 有害排放物的生成与控制 第9章 燃烧室与调节参数的优化
循环热效率和机械效率 质环节
第三篇 运行特性与性能调控
第10章 发动机运行特性与整车匹配 第11章 柴油机调速特性
be
=
1 ηc ηt ηm H u
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p 等容循环
T
3
q1 2
p
2
4 1 q2,v
1
v
等压循环
T
q1 23
2
4
1 q2,p
1
v
q2
3
p
混合循环 T
q1,p
4 q2,v
3 3′
q1,v 2
s
4
1
q2,s
v
q1,p
q1,v
3′
3
2
4
1
q2,s
s
q1 3
ηt,s=
4
q2,p s
现代汽油机和柴油机的实际工作循环是混 合循环。相对而言，汽油机更接近于等容 循环，柴油机更接近于等压循环
ATDC 加热: 1 - 2 - 2*- 3*- 4*- 1
p
T
3′ 等容度：
3
σ = 1− V1 −V2' ×100% = 1− ΔVc ×100%
Vs
Vs
3*
等容加热≠100％等容度
q1
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循环——理想循环：
封闭热力循环：系统加热→燃烧放热；系统放热→气体交换(进排气)
特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压放热和吸热
2) 理想循环(Ideal Cycle)
Q1
Q2
工质——真实工质
循环——理想循环
3) 真实循环(Real Cycle)
工质——真实工质
循环——真实循环
等熵压缩 等容/等压加热 等熵膨胀 等容放热
工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度等变化
研究理想循环的目的：
1) 工质特性对热效率的影响(与理论循环相比)
理论循环分析的指导意义
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汽、柴油机负荷变化(q1不同)时的对比
z 部分负荷柴油机: 缸内喷射扩散燃烧, 喷油时间缩短, 初期等容放热变化不 大, 即λ基本不变而ρ减小, ηt提高
z 部分负荷汽油机: 预混燃烧, 燃烧速度下降, 燃烧时间加长, 即 λ下降而ρ上 升, ηt下降
p
q1
2
ηt,p=
3
4 q2
1
V
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容积预膨胀比:
ρ =V3/V2
T
q1
p2
3
V2
V1
4 2
4
1
q2
s
混合循环与其他循环的比较
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四大循环参数: 1) 压缩比ε; 2) 等熵指数k; 3) 压力升高比λ; 4) 预膨胀比ρ
0.8
ηt,v
0.6
0.4
κ = 1.4 1.3 1.2
结论：
1) 压缩比ε越大, 热效率越高
压缩比由8增加为12，热效 率能提高10～15％。但 ε>20，热效率提高不明显
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Lenoir发 动机工作 循环
Ignition
Otto发动机 工作循环
Otto四冲程发动机(1876)
• X 点火时刻
排气门开
进气门开
奥托独特之处：站在巨人 的肩膀上；把前人的理论 付诸实践（二冲程变为四 冲程）
理论基础：1861法国铁路工程师Rochas发 表了进气、压缩、作功、排气等容燃烧四冲 程理论。1862授予专利，但欠费，专利失效
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第一台柴油机原型(1893)
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根据加热过程进行分类： 1) 等容加热 → 等容循环 (Otto循环) 2) 等压加热 → 等压循环 (Diesel循环) 3) 混合(等容＋等压)加热 → 混合循环(Sabathe循环)
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小测验－内燃机历史知识
=
1 ηit ηmHu
=
1 ηet Hu
循环模式分类
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根据工质和循环特征分类: 工质和循环模式是决定循环热效率的两大因素
1) 理论循环(Theoretical Cycle)
工质——理想气体(空气)，物性参数(比热比, k)为常数，不随温度变化
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z 慕尼黑技术大学毕业 z 热机工程师 z 生物“绿色燃料”鼻祖
z 语言学家 z 艺术鉴赏家 z 社会理论家 z 命运多桀
Rudolf Diesel (1858-1913)
z 空气辅助柴油喷射 z 第1台空气压缩、自燃吸气发动机
z 热效率 26%
z 输出功率 18 HP