1章1内燃机循环与效率

5）燃烧时间损失
5）燃烧时间损失（燃烧、喷 油速度） 燃烧的进行需要足够的时间。 为了尽可能使燃油在上止点附 近燃烧，喷油需要提前。 燃烧速度的有限性所引起的： ①压缩负功增加 ②最高压力下降 ③初期膨胀比减小，等温燃烧 增加
6）燃烧损失
6）燃烧损失 （后燃、不完全燃烧） 不完全燃烧（φa <1；混合 不良；局部过稀、未燃、 熄火） 后燃问题（不能保证等压 燃烧段。柴油机喷油后期 油压降低、喷油速率降低、 雾化差、PT降低、混合变 难） 7）泄漏损失
压缩比 c V1 / V2 ；膨胀比 e V4 / V3
1. 米勒循环
Miller（米勒1951）循环的优点（早关进气门）
（1）对汽油机：不能提高，膨胀比增加效率高 （2）进气门关闭后，工质膨胀冷却、压缩终了压力低。适用于高增压柴油 机。在同样的压缩终了压力情况下，米勒循环的实际压缩比高（温度低）
2)传热损失、3)涡流和节流损失
2）传热损失 • 对流、柴油机辐射（燃烧段占总传热的15-20%） • 压缩冲程前段工质升温不利于进气，后期降温不利 于起动、油混合、燃烧； • 膨胀段温差大、湍流度高，传热大，不利于热功转 换。 3）涡流和节流损失 缸内涡流有好处、也有缺点，不同工况对缸内涡流 的要求不一样；节流损失主要指分隔式燃烧室。
P 相同，dual> diesel > zmax= P zmax=相同， dual> diesel >
otto otto
实际汽油机由于爆燃的原因， 实际汽油机由于爆燃的原因， 远低于柴油机，因此汽 远低于柴油机，因此汽 油机的效率低于柴油机。 油机的效率低于柴油机。
内燃机实际循环
Va——气缸总容积 Vc——燃烧室容积 Vs——工作容积
奥托循环 Otto 奥托循环 OttoCycle Cycle
要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。
一 内燃机循环理论


1.卡诺循环理论
卡诺其人、其书、其预言(奥托机前52年，1824年，卡诺28岁)
卡诺服役期间出版了一本《热力发动机的研究与考察》 一书。50~60年后人们才真正认识该书的重要性和先见性。
① 提高效率一直是推动技术发明、发展的永恒动力。 ② 技术一旦上升到理论层面会使技术得到飞跃发展。
1860 年 法 国 人 勒 诺 瓦 尔 研制的二冲程内燃机 ——e=～4.5% 1862年法国铁路工程师罗沙 提出现代四冲程内燃机
p
p0
1876年德国人奥托提出并研 0 V 制了推动第二次工业革命的 大气压式内燃机示功图 四 冲 程 内 燃 机 — — e= ～ 1. 在下止点附近燃烧，膨胀不充分 14%
实际循环与理论循环的区别：
1）实际工质（燃气空气循环） （1）工质成分在燃烧中是变化的 （2）工质比热容随温度上升而增 大 （3）高温分解 （4）燃烧前后分子数发生变化 2）传热损失 3）燃烧时间损失（燃烧、喷油速度） 4）燃烧损失（后燃、不完全燃烧） 5）换气损失 6）涡流和节流损失 7）泄漏损失
迪赛尔循环 Diesel 迪赛尔循环 DieselCycle Cycle 早期低速柴油机接近迪赛尔循环 早期低速柴油机接近迪赛尔循环
奥托循环t 1
1

k 1 c
笛塞尔循环t 1
1
ck 1
0k 1 k ( 0 1)
k= cp/cv等熵指数；c=V1/V2为压缩比；0=Vc/Vb为初始膨胀比。
双烧循环
k 1 p 0 1 双烧循环t 1 k 1 c p 1 k p ( 0 1)
k= cp/cv为等熵指数 c=Va/Vc为压缩比 p=pc/pb为压力升高比 0=Vd/Vc为初始膨胀比
双烧循环 Dual 双烧循环 DualCombustion CombustionCycle Cycle 现代高速汽油机、柴油机接近双烧循环 现代高速汽油机、柴油机接近双烧循环
3 绝热发动机的问题
①效率问题 简单采用绝热（隔热），效率下降! ② 可靠性低。陶瓷材料脆、抗 冲击性差，结合工艺难保证； 高温润滑问题。 ③ 大量传热量在排气过程传出 55~60%，燃烧过程只占~15%。 绝热后，由此指示功只能提高 ~3~7%。 ④ 换气质量变差（高温） ⑤ NOx大增Tzmax增； ⑥ 排气能回收装置，使车体积 重量增加，影响整车效率的提 高。
如果发动机实现了配气 相位可调： （3）实现实际压缩比可 调，利于不同工况的稳 定工作。起动、低负荷。 （4）代替增压可 调。…… （ 实际压缩比 φc * *c）
一般增压循环 较高增压米勒循环 高增压米勒循环
2. 阿特金森循环
2）阿特金森循环（大幅度晚关进气门）
类似米勒循环，但 没有进气门关闭后，工 质膨胀冷却的特点。空 气在缸内停留的时间 长，温度较高,泵气损失 高于米勒循环 。 适用于 低负荷。如用于中、低 负荷的“柴油均质燃烧 HCCI”。（实际压缩比可
现代内燃机理论循环
（ % ） （ % ） 等容 等容 等压 等压等温 等温 20 20 20 20
现代柴油机： 30 现代柴油机： 30 50 50 现代汽油机： 50 现代汽油机： 50 30 30
= 相同， >dual >diesel otto = 相同， otto> dual> diesel
燃烧规律变，边喷边燃
4 绝热发动机研究应用状况
⑴ 整机只局部研究。美康明斯、日五十铃、日野。近似绝热 （隔热）完全可行，只是到整机完全实用尚有问题。 ⑵ 特殊场合还在努力探索，如坦克发动机。目的：①冷却问 题；②坦克弱点—动力舱体积； ③红外特征；④高增压、⑤ 实现高强化。 ⑶ 用于局部高温 强化已经很普遍。 一些隔热技术应用 也已经较为普遍。 ⑷ 应全面匹配，才 能保证效率的提高 ⑸适当隔热有利， 如图表明隔热度 A=20%较佳。
S=dQ/T
1 卡诺循环理论
3）发动机评价体系
提出了非常全面的发动机评价指标体系：动力性 、经济性、可靠性、适应性、紧凑性等。
4）对蒸汽机未来发展的预言
在蒸汽机的鼎盛时期，作出了蒸汽机必将被另一种 发动机所代替的预言 。蒸汽机实现高温、高压缩 比都很困难。
理论循环
一．卡诺循环Carnot Cycle 二．奥托循环Otto Cycle（等容加热循 环） 三．笛塞尔循环Diesel Cycle（等压加热循 环） 四．混合循环（双烧循 环）Dual Combustion Cycle 1．斯特林循环 2．埃里可森循环 3．米勒循环 4．阿特金森循环 5. 布雷登循环 6. 兰肯循环 7. 增压发动机理论 循环 ……
各种效率的一般范围
当T1=300K，T2=2500K，ηcarnot=0.88
状态 空气标准循环ηair 燃气空气循环ηrel 传热损失 ηth 燃烧损失 ①定时性ηth ②完全性ηth 换气损失 ηth 泵气损失 摩擦损失 ηrel=(0.7~0.8)ηair ηg=0.85ηrel 关系 ηdiesel 0.65~0.7 0.5 0.43~0.46 ηotto 0.55~0.6 0.45 0.37~0.40
涡流和节流损失
涡流和节流损失 节流损失主要指分隔式燃烧室。
4）换气损失
理论循环是向冷源等容放 热，属闭式循环；而实际与外 界有工质交换，属开式循环； 由于进排气流动损失与节流损 失，将使进排气过程产生泵气 损失 另： ①由于气门提前开启引起的损 失 换气损失 ②由于进排气门节流、工质更 换引起的损失 泵气损失 归 入机械损失。
4 绝热发动机研究的现状
5.隔热方法
氧化锆、SnC、Al2O3 、Ti-Al等；涂覆、
镶嵌、气隙、组合、纯隔热材料、熔铸、梯 度喷涂等。 6.实现理想的关键问题 高韧性易加工陶瓷材料、可靠性、润滑、摩 擦，回收排气能。
5 绝热复合式发动机
如上所述，仅仅利用缸内隔 热想回收大多数传热损失是不可 能的，必须同时回收排气能，此 即为绝热复合式发动机。 理想的“绝热复合式发 动机”采用了4项技术： 1）绝热；隔绝缸内传热损 失。 2）涡轮增压；保证换气质 量。 3）动力涡轮；回收排气的 压力势能。 4）蒸汽涡轮（兰肯循环） ；回收排气的高温热能。
2 绝热发动机设想的优点
设想 用“绝热”的陶瓷制作燃烧室零件，杜绝~1/3的传热热 量损失，将其尽可能转换成有效功。 ① 理论传热损失=0 可取消水冷却系统体积小、故障率降 低。 ② 燃烧更充分、可以采用稀燃，热效率将大幅度提高。 ③ 排气能大幅度增加 增压压缩比提高 换气质量将提高 ④ 高温燃烧对燃料的敏感度降低多燃料 ⑤ 陶瓷的热惯性小、导热系数很小 冷起动容易
ηm=(0.8~0.9) ηg
0.37~0.42
0.3~0.33
二 其它工作循环——高效率循环
1. Miller（米勒1951）循环（下止点前即关闭进气门）
米勒循环 （a）低速汽油机 （b）高速内燃机
1
循环指示功 -不考虑泵气
Wcl m[(u3 u4 ) (u2 u1 ) p0 (V5 V1 )]
2.没有压缩过程，压缩比~1； 3.还要借助于大气压力使活塞复位
惠更斯发动 机设计方案 （1673年）
奥托四冲程内燃机的启示
奥托发动机效率高的根本原因是通过压缩过程提高了压缩比。 重要贡献——让人们认识到：要提高效率就要提高压缩比！
奥托循环t 1
1
k 1
V1 / V2 Va / Vc (Vs Vc ) / Vc 1 Vs / Vc
第一章 内燃机循环与效率
高等内燃机学
北京理工大学 张卫正
本章内容
Baidu Nhomakorabea
第一节 内燃机效率与理论循环 第二节 追求效率的机型

注重历史
稀薄分层燃烧 稀薄分层燃烧
100年前的思路
欧3欧4 收口式 燃烧室 70~80 年代广 泛研究
60~70年已有的 技术
绝热发动机
重新受到重视
第一节 内燃机效率与理论循环
由于工质改变 燃烧、传热、换气、流动
1）工质
1）工质 ：考虑实际工质（燃气空气循环） （1）工质成分在燃烧中是变化的 三原子分子变多，Cp、Cv变大，意味着，加入同样的热 量，温度增加减小，热功转换能力下降； （2）工质比热容随温度上升而增大 T增加，Cp、Cv变大，同样热功转换不利。 （3）高温分解 上止点附近分解、吸热远离上止点合成、放热，但热 量的利用律下降。汽油机Tzmax>柴油机Tzmax （4）燃烧前后分子数发生变化 分子数变化系数μ对液体燃料>1，对气体燃料<1。
调，但不降温）
米勒循环
优点：通过普通可调机 构、易于实现（调节范围要
求低）
阿特金森循环
3. 可调工作循环
3）可调工作循环的 内燃机往复式结构
优点： （ 1 ）可变压缩比、变 膨胀比，变工作容积； （ 2 ）使活塞在上止点 的停留时间加长，以利 于提高等容度。 缺点： （ 1 ）机构复杂、体积 大，侧压力大。
1）卡诺循环； 2）压缩比与效率的结论； 3）发动机评价体系； 4）对蒸汽机未来发展的预言。
1 卡诺循环理论
1）卡诺循环
工作在高低温热源间热机所能达到的最高理论效率。 carnot=1-T1/T2 卡诺循环的弱点: Pzmax很高；循环指示功很低。
2）压缩比与效率
卡诺通过大量统计、研 究得出：要想提高发动机的 效率必须提高压缩比。
2 内燃机理论循环与实际循环 理论循环假设
（1）工质为理想气体。不考虑进排气过 程，无工质交换； （2）燃烧过程用缸外热源加热代替； （3）以向低温热源放热代替向大气换热， 保证缸内工质温度、压力复原； （4）压缩与膨胀过程均为可逆过程。
奥托循环与迪赛尔循环
奥托循环 Otto 奥托循环 OttoCycle Cycle 低速汽油机接近奥托循环 低速汽油机接近奥托循环
提高效率的四大途径
1）提高热能转换效率 2）杜绝散热能损失 （绝热发动机） 3）回收排气能（复合 发动机） 4）有效利用发动机输 出功，降低各种损 失（对整车更关 键）。
三 绝热发动机
1 起源 早期可靠性70年代重点排放问题，效率还在次要地位。 73年的石油危机（政治，1年多），美国各汽车公司都严重 亏损；在当时排放问题停滞不前的情况下，很多研究人员转而 研究汽车、发动机的节能问题； 特别是75年美能源厅要求10年内： 轿车节能30～50% 货车 23% 客车 20% 技术条件也成熟。 绝热发动机的研究首先从美国等国开始，并迅速在全世界展 开。