(整理)工程热力学结课课题报告浅谈发动机的热效率问题

工程热力学结课课题报告
——浅谈发动机的热效率问题
一、内燃机发动机
1.四冲程发动机的基本结构：
1—油底壳2—机油3—曲
轴4—曲轴同步带轮5—
同步带6—曲轴箱7—连
杆8—活塞9—水套10—
汽缸11—汽缸盖12—排
气管13—凸轮轴同步带轮
14—摇臂15—排气门
16—凸轮轴17—高压线
18—分电器19—空气滤清
器20—化油器21—进气管
22—点火开关23—点火线
圈24—火花塞25—进气
门26—蓄电池27—飞轮
28—启动机
2.四冲程发动机的基本工作原理
1.进气行程
活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。

此时进气门开启，
排气门关闭，曲轴转动180°。

在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增
大，汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，
空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混
合形成可燃混合气。

由于进气系统存在阻力，进气终点(图中 a 点)
汽缸内气体压力小于大气压力0 p ，即pa= (0.80～0.90) 0 p 。

进
入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气
门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到
340～400K。

2.压缩行程
压缩行程时，进、排气门同时关闭。

活塞从下止点向上止点
运动，曲轴转动180°。

活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内
混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力
pc可达800～2 000kPa，温度达600～750K。

在示功图上，压
缩行程为曲线a～c。

3.做功行程
当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合
气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速
提高。

燃烧最高压力pZ达3 000～6 000kPa，温度TZ达2
200～2 800K。

高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点
运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。

随着活塞下移，
汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达 b 点时，
其压力降至300～500kPa，温度降至1 200～1 500K。

在
做功行程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。

在示
功图上，做功行程为曲线c-Z-b。

4.排气行程
排气行程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。

排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。

由于排气系统的阻力作用，排气终点r 点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.05～1.20)p0。

排气终点温度Tr=900～1100K。

活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。

二、发动机工作过程中的奥托循环
内燃机的四个冲程，其实是一种热力循环，其理想状态是定容加热的热力循环，又叫四冲程循环。

四冲程循环原理1862年由法国的一位工程师首先提出，1876年德国工程师奥托利用这个原理发明了发动机，因这种发动机具有转动平稳、噪声小等优良性能，对工业影响很大，就把这种循环
命名为奥托循环。

①吸气（01→） 这是一个等压膨胀的过程，空气和汽油混合气体进入气缸
②压缩（12→） 这是一个绝热压缩的过程，空气和汽油的混合气体从1（11,T V ）状态变化到2（22,T V ）。

③爆炸（23→） 这是一个等体吸热过程，压缩到体积2V 时点火，混合气体从状态2（22,T V ）急剧升温到（32,T V ）。

④做功（34→） 这是一个绝热膨胀过程，气体从3（32,T V ）变化到（41,T V ）。

⑤排气（410→→） 这是一个放热过程，相当于气体从4（41,T V ）状态回到1（11,T V ）。

3、奥托循环的效率
在23→的等体积过程中，气体的吸热量
1,32()V m Q C T T ν=-
在41→的等体积过程中，气体的放热量
2,41()V m Q C T T ν=-
其他两个过程为绝热过程，因此奥托循环的效率为
241132
11Q T T Q T T η-=-
=-- 分别代入1
321142T T V T T V γ-⎛⎫
== ⎪
⎝⎭
，可得奥托循环的效率为
()
111
21211
111/T T r V V γγη--=-
=-=- 其中，12/r V V =为气体的压缩比，γ为理想气体的泊松比
实际中，内燃机的压缩比r 不超过7，去空气的γ=1.4，根据上式可以得到，汽油机的理论工作效率为
1.41
1155%
7
η-=-
=
但是由于各种不理想的状况，实际工作中汽油机的功率比这要小得多。

三、发动机工作中的卡诺循环
1、背景：
卡诺循环可以想象为是工作与两个恒温热源之间的准静态过程，其高温热源的温度为T1，低温热源的温度为T2。

这一概念是1824年N.L.S.卡诺在对热机的最大可能效 率问题作理论研究时提出的。

卡诺假设工作物质只与两个恒温热源交换热量，没有散热、漏气、摩擦等损耗。

为使过程是准静态过程，工作物质从高温热源吸热应是无温度差的等温膨胀过程，同样，向低温热源放热应是等温压缩过程。

因限制只与两热源交换热量，脱离热源后只能是绝热过程。

作卡诺循环的热机叫做卡诺热机。

卡诺定理阐明了热机效率的限制，指出了提高热机效率的方向（提高T1，降低T3，减少散热、漏气、摩擦等不可逆损耗，使循环尽量接近卡诺循环）。

成为热机研究的理论依据、热机效率的限制。

2、条件：a.准静态循环，可以正逆循环。

b.工质为理想气体。

c.工质只和两个温度不同的恒温热库交换热量。

3、组成：有两个等温过程，有两个绝热过程组成。

4、特点：a.卡诺循环热机效率只与两个恒温热库温度 T1 和 T2 有关，与工质无关。

b.它指明提高热机效率的方向，即提高 T1 值或降低 T2 值。

实际降低 T2 是困难的，热电厂尽可能地提高 T1 温度。

c.卡诺循环是理想循环，实际循环效率要小很多。

5、卡诺循环的四个步骤
：
1→2过程，等温膨胀，在这个过程中系统从环境
中吸收热量；
2→3过程，绝热膨胀，在这个过程中系统对环境
作功；
3→4过程，等温压缩，在这个过程中系统向环境
中放出热量；
4→1过程，绝热压缩，系统恢复原来状态，在这
个过程中系统对环境作负功。

四、热机的效率为什么低
众所周知，热机就是能够利用燃料燃烧时放出的能来做机械功的机器。

热机应用很广，但是它
的效率低的问题一直在困扰着使用者。

那为什么热机的效率会这么低呢？
首先，热机的效率是指热机工作部分中转变为机械功的热量和工质从发热器得到的热量的比。

如果用η表示，则有
η
从式中很明显地看出Q1越大，Q2越小，热效率越高，这是热机效率中的主要部分，它表明了热机中热量的利用程度。

根据热力学第一定律，能量是守恒的。

而在热机工作的过程中，会存在着各种形式的无用能量的散失，比如：由于机械传动等克服摩擦说消耗的能量、废弃带走的能量等。

故其效率会很低。

而有些热机是利用卡诺循环制成的，其工作过程如图：
卡诺循环在p-v图上的过程曲线：
故其效率还可写成：
η（这里的温度指的是绝对温度。

)
在目前普遍运行的燃煤电厂利用的高温蒸汽的温度约为500℃，蒸汽冷凝的温度一般在环境温度，约为30℃。

若按卡诺循环效率公式计算，其可能达到的理想效率为
η
而实际电厂的效率约为40%左右，比卡诺循环的效率低很多。

这是因为实际电厂在其工作过程中，使用的工质是水和水蒸气，而不是理想气体，他们不可能工作在理想卡诺循环中的两条等温线之间（水吸收热量升温，蒸发及产生的水蒸汽的升温过程中温度在不断变化）。

而且循环过程不可能是准静态的，期间不可避免地存在能量损耗。

同时，从公式中不难看出，提高效率的方式无非就是降低T2或升高T1，但实际中要将冷凝温度降低到环境温度以下是很不经济的，而不断提高工质工作的最高温度状态会对容器、保温、冷却等方面都带来挑战，这些都是效率低下的原因。

五、如何提高热机的工作效率
1、降低缸体温度，使η=1-T1/T2 中T1尽量减小，提高效率。

发动机缸体的冷却原理如下图所示，发动机输出轴带动水泵工作，将低温的冷却水泵入发动机缸体的水套中，冷水和汽缸壁发生热交换，将热量带到散热器中排除车外。

缸体内水套的形状有多种，如下图所示
⑴将水套截面设计成曲面状，能增加冷却水和缸体的接触面积，就能更好地吸收热量，降低T1，
提高效率。

⑵加快冷却水的流动速度，使单位时间内有更多的冷却水与缸体接触，同样能改善吸热效果，以降
低T1。

2、排出的废气回收利用，或使其循环对进入热机的空气加温
将排出的围棋导到进气门处，对进入气缸的空气进行加热，进一步增大T2，同样能提高热机的工作效率。

3、燃料雾化促进充分燃烧
改进雾化器和喷油嘴，改进油气混合方式，使得燃料在气缸内燃烧更充分，较少损失，提高效率。

油气混合方式：
下面三种混合方式不同，效率也不同。

2、加强润滑，减少摩擦损耗的能量
选用合适的润滑油和润滑方式，减小摩擦损失，并定期对发动机进行保养和维护。

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