内燃机原理第三章工作循环与能量利用

循环——理想循环构成封闭热力系统
Q1
Q2
等熵压缩 等容/等压加热 等熵膨胀
定容放热
封闭热力循环：
绝热压缩
等容等压吸热（燃烧放热）
等容放热（进排气换气过程） 绝热膨胀
➢循环类型
等容（isochoric）加热循环 等压（isobaric）加热循环
等容等压混合加热循环
等容加热循环——奥托循环（Otto Cycle)
提供ICE之间性能比较的理论依据 同一机型不同加热模式比较 压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同
Q1p Q1m Q1v Q2 p Q2m Q2v
tp tm tv
T
Q1m Q1v Q1p zv zm
zp
c
bp bv bm
a Q2m Q2v
Q2 p
S
更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率
负荷
ma gb
c，
火焰传播速度
t
be
二、理想循环（Ideal Cycle）
➢热力循环构成 工质——实际工质 循环——理想循环
压缩过程：空气+燃料蒸气+废气 膨胀过程：废气+空气
工质热力参数与温度、成分、分子结构等有关
➢研究理想循环的目的
工质特性参数对循环效率的影响程度；
ICE提高循环效率最高限度。
p
z
Q1
早期ICE活塞
运动速度低，
c
汽油机接近
等容加热循环
r
p0
TDC
Vc
Vs
Va
b
Q2 a
BDC
V
T-S图 T
Q1
z
t
1
Q2 Q1
c
b
a
Q2
S
等压加热循环——狄赛尔循环（Diesel Cycle）
早期ICE活塞 运动速度低，
p
c
Q1
z
喷油压力低，
持续时间长，
现代的低速 大功率柴油 机（船舶） 可简化为等 压加热循环
➢掌握理论循环模型及影响循环效率的因素； ➢掌握工质属性对循环效率的影响； ➢掌握从理论循环到实际循环的能量损失情况； ➢掌握ICE机械损失的构成及机械效率的测量方法； ➢了解现代ICE的能量利用状况； ➢掌握提高ICE热效率的技术措施。
Pe
ctm
Hu
al0
cVs
ps RsTs
2in
能量转换“质”问题
提高等容度，可以提高ICE的循环效率
等
在预膨胀比一定时，压力升
容 过
高比对循环效率影响不大。 程
在压力升高比一定时，减小 预膨胀比，会显著提高循环 效率。
等压过程
分析：
ICE接近等容燃烧（高等容度），可以得到高循环效率； CI-ICE负荷增大，循环喷油量加大，燃烧时间加长，
预膨胀比加大，等容度下降，循环效率降低； CI-ICE高压喷射技术会提高循环效率； CI-ICE多次喷射技术会降低循环效率。
CI-ICE压缩比远高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循环效率，
表现出更好的动力性和经济性；
CI-ICE的 bemin 比SI-ICE低15% ～ 25%；
中、小负荷CI-ICE的 be 比SI-ICE低30% ～ 50%
CI-ICE负荷质调节，负荷减小，喷油量减少
负荷
gb
c，
t
be
SI-ICE负荷量调节，负荷减小，混合气量减少
对ICE工作过程的研究只能建立模型，进行定性分析！
三种循环模式：
工质—理想气体
➢理论循环（Theoretical Cycle）
循环—理想循环
➢理想循环（Ideal Cycle）
工质—实际气体 循环—理想循环
➢真实循环（Real cycle）
工质—实际气体 循环—真实循环
一、理论循环（ Theoretical Cycle ） ➢热力循环构成 工质——理想气体（空气），物性参数不变
不同机型比较
T
最高爆发压力相同，
吸热量相同，压缩比不同
Q1p Q1m Q1v Q2 p Q2m Q2v
tp tm tv
Q1m Q1v
cp
cm cv
a
Q2m
Q2v
Q1 p
等pm
线
ax
zp zm zv
bmbv bp
Q2 p S
更高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率
➢理论循环下SI-ICE和CI-ICE比较
t
1
1
k 1
k 1
k 1
Sabathe循环循环效率:
t
1
1
k 1
源自文库
k 1
1 k
1
➢影响循环效率的因素
t f , k, ,
压缩比的影响
增大压缩比可以 提高ICE的循环 效率；
压缩比由8增加 t
为12，热效率 提高10～15％， 压缩比>20，热 效率提高不明显。
T c’
TC-ICE的Sabathe循环
p z，
Q1
z
Q1
c
r
pb pk
r,
TDC
Vc
Vs Va
b
Q2
a a,
BDC
V
压力升高比：等容加热过程中工质压力的升高比值。
预膨胀比：等压加热过程中工质的体积增大比值。
➢循环效率 Otto循环循环效率:
t
1
1 k1
pz
pc
Vz
Vz
Diesel循环循环效率:
b
柴油机接近
r
定压加热循环 p0 TDC
Vc
Q2
a
BDC
V
Vs
Va
T-S图 T
Q1
z
c
b
a
Q2
S
混合加热循环（Sabathe Cycle）
现代ICE活塞
p
z，
Q1
Q1
z
运动速度高，
c
喷油压力高，
均为混合加
热循环
r
p0
TDC
Vc
Vs
Va
b
Q2 a
BDC
V
T-S图
T
Q1 p
z
Q1V
z’
c
b
a
Q2
S
Q1
z’
z
Q1
c
b
b’
a
Q2 Q2
S
同等吸热量时： Q2 Q2 t t
压力升高比和预膨胀比的影响 T
等容度：循环吸热过程中 等容吸热量占总吸热量的
Q1 Q1
z’
z’
z z
比率。 Q1V Q1
吸热量相同
c
Q1V Q1V 等容度提高
Q2 Q2
a
t2 t 2
bb Q2 Q2
S
Q1V Q1V
be
1
ctm
Hu
本章的研究目标： ➢如何得到高的循环效率？ ➢如何得到高的机械效率？
混合气总量
ICE工作过程研究内容：
➢工质成分变化；
➢热能的转化过程。
目标：
工质
➢高的循环效率
循环模式
➢低的污染物排放
工作过程研究难度： ➢工质的质和量是时间的函数； ➢物理、化学过程一直在进行； ➢存在摩擦、散热、燃烧、节流等（不可逆）。
EFI的SI-ICE把按照化学计量比混合气进行控制，火焰传播 速度快，等容度高，可得到较高的循环效率。
绝热指数
提高绝热指数， 可以提高循环效率。
t
吸热量相同
k 增大，c p、cV 减小、
工质温升增大，放热
量减小，循环效率提高
➢理论循环研究的意义 提供了改善ICE性能的原则和方向 在允许的条件下, 尽可能提高压缩比 , 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、 合理选择燃烧始点、压燃同时着火 ）； 保证工质具有较高的等熵指数（稀燃 ）。