内燃机热力循环-打印版

内燃机热力循环

一、燃气轮机循环

燃气轮机理想循环为布雷顿循环（Brayton Cycle) ，它是工质连续流动做功的一种轮机循环，如图1所示 。它既可作内燃布雷顿循环，又可作外燃布雷顿循环。内燃的布雷顿循环为开式循环，常用工质为空气或燃气。外燃的布雷顿循环是闭式循环，通过热交换器对工质加热，在另一热交换器排出工质余热。

循环过程为：

工质在压气机中等熵压缩1－2，在燃烧室（或热交换器中）等压加热2－3 ，在燃气轮机中等熵膨胀3－4和等压排气4－1 。

图1 燃气轮机循环

燃气轮机循环的指示热效率为

11k k i c ηπ-=-

式中，c π为压气机中气体的压比，k 为比热比。

燃气轮机开式循环常与内燃机基本循环配合使用。

二、涡轮增压内燃机热力循环

将涡轮增压技术（或燃气轮机技术）应用到内燃机上是内燃机循环的一项重大技术发展。一方面内燃机希望获得更多的进气（或可燃混合气）充量，以提高内燃机的功率和热效率；另一方面从内燃机排出的高温、高压废气能导入燃气涡轮中再作功，推动与燃气涡轮相连（同轴）的压气机来提高进气（或可燃混合气）的压力供给内燃机，这样就成为涡轮增压内燃机。涡轮增压内燃机有等压涡轮和变压涡轮两种系统，它们的热力循环也有所不同。

1．恒压涡轮增压内燃机热力循环

图2是等压涡轮增压内燃机热力循环。它由内燃机基本循环1→2→3’→3→4→1和燃气轮机循环7→1→5→6→7组成。

图2 等压涡轮增压内燃机热力循环

压气机将气体从状态7（大气压力p0）等熵压缩到状态1（压力为p s）之后进入内燃机。按内燃机热力循环到达状态4。气体在排气过程进入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动能在排气总管内的膨胀、摩擦、涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状态5。气体从4→5 这部分能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。气体在等压涡轮中从状态5等熵膨胀到状态6，然后排入大气。

2 ．变压涡轮增压内燃机热力循环

变压涡轮增压内燃机热力循环如图3 。与等压涡轮增压内燃机热力循环不同，变压涡轮增压内燃机中气体从状态4 进入变压涡轮中排气能量不会由于排气管突然变粗而膨胀损失，进入变压涡轮前的气体压力在p4与p1’之间变化。如不计气体流动中的摩擦损失，气体在涡轮中的膨胀从开始排气时的p4→p5到最后的p1’→p5（因为后面从气缸中排出的气体压力不断下降）。

图3 变压涡轮增压内燃机热力循环

内燃机的等容放热过程4→1可看成为涡轮的等容加热过程1→4 ，然后为气体在涡轮内的等熵膨胀4→5 。5→6为等压放热过程。6→1为气体在压气机中的等熵压缩过程。

三、涡轮增压中冷内燃机热力循环

涡轮增压中冷内燃机循环是在涡轮增压内燃机循环的基础上将经压气机出口进入内燃机进气管的空气进行预先冷却，即空气从状态1'→3 变为1→2（图4)，冷却带走的热量为Q 6 ，以增加进入气缸内的空气充量，降低循环温度，特别是降低燃气的最高温度，有利于抑制、减少NOx 的排放。

图4 涡轮增压中冷柴油机的热力循环

涡轮增压中冷内燃机循环指示热效率为

11101(1)(1)[(1)(1)]

t W κκκλρκεηελκλρ---+--=-+- 式中，ε1=V1/V2为压气机的压缩比；，ρ=V 6/V 5为初膨胀比；W=V 2/V 3为中冷比；δ=V 7/V 6为后膨胀比；ε2=V 3/V 4为内燃机压缩比；λ=P 5/P 4为压力升高比；ε0=ε1ε2为增压内燃机总压比。

图中，Q 1为内燃机中气体等容加热量；Q 2为内燃机中气体等压加热量；Q 3为涡轮中气体等压加

热量；Q 4为内燃机中气体等容放热量；Q 5为涡轮中气体等压放热量；Q 6为中冷器中气体冷却量。

如无中冷，W=1，则

101[(1)(1)]

t κκλρηελκλρ--=-+- 四、阿特金森热力循环（Atkinson Cycle)

阿特金森循环（图5）是一种内燃机循环。它与奥托循环的差别在于排气过程是等压而不是等容。如p －V 图，T －S 图所示。在相同工质数量和加热量的条件下，它有较大的膨胀功，所以热效率高。

图5 阿特金森热力循环

阿特金森循环曾应用于沙金(Sargent）煤气机上（图6）。煤气与空气的混合气以大气压力p

进入气缸，当活塞向下死点运行至3S/4行程时，进气门就关闭，在其余S/4 行程内混合气0

体就在气缸中沿。aa”线膨胀至低于大气压的a”点，当活塞从下止点向上止点运动时，缸内混合气仍沿a”a 线，并继续绝热压缩到c 点。其后，工质继续被绝热压缩至上死点c。在c 点点火并按等容过程进行燃烧。由于膨胀行程比压缩行程约大1/4 ，阿特金森循环功比奥托循环功增加相当于阴影面积。但实际上因膨胀后期膨胀压力较低，膨胀功并不大。如果设计与制造水平不高，减去摩擦功及散热量的增加最后所得无几，反而使结构复杂。自由活塞压气机和燃气涡轮组成的内燃机循环可近似看成这种循环。

图6 沙金煤气机热力循环

五、米勒热力循环（Miller Cycle )

米勒热力循环是1951 年由米勒提出。在汽油机或煤气机部分负荷工作时通过调节配气定时，可以减小泵气损失，使气缸内工质的膨胀比大于压缩比，如图7(a）中的膨胀线3－4和压缩线1－2，以改善汽油机或煤气机在低负荷时的效率下降。在相同的压缩比下，米勒循环热效率要比阿特金森循环热效率高。在由于爆燃而限制汽油机压缩比提高的情况下，增大膨胀比

可改善循环的指示效率。在柴油机上米勒热力循环是阿特金森热力循环在高增压内燃机上的发展与应用。其实质是低温高增压，即利用提前关闭进气门使进气充量减小，并在进气行程中在气缸内继续膨胀、冷却，实现可变压缩比和不变的膨胀比。用于柴油机上的米勒热力循环如图7(b）、（c）。

图7 米勒热力循环

(a）汽油机方式；(b）、（c）柴油机方式

在较高的进气压力p s与不变的压缩比ε下，依靠不同程度提前关闭进气门，以适应不同的增压压力，从而自动调整实际压缩比，维持压缩终了压力p c和最大爆发压力p zmax不变，完成acz’zba’a 热力循环。其余的排气能量bb'a”则在废气涡轮中利用并推动压气机作功。压气机将空气压力从p0提高到p s（在a”b”膨胀线上或在b” a”压缩线上）。

一般增压的内燃机热力循环与米勒热力循环的比较如图8 ，其热力参数如表1 。米勒循环的优点为：

①在相同的压缩终了压力p2下允许达到较高的平均有效压力p e；

②指示热效率ηi高；

③在起动与低负荷时运转性能良好；

④可获得较高的容积效率，特别是可改善内燃机在低速运转时空气量的不足；

⑤在膨胀终了温度t5及燃烧最高温度t4基本不变时可大幅度提高平均有效压力p e，因而可保证高增压内燃机的机械负荷和热负荷不变。