第九章气体动力循环

影响发动机的正常工作。用提高压缩比来提高点燃式
内燃机的热效率，实际上受到严格的限制。
汽油机增压比ε的允许值在6─10。
二、定压加热理想循环（狄塞尔循环，早期柴油机）
p 2
3
s
T 3
p
2 4
1-2：绝热压缩过程 2-3：定压加热过程
s
4
v
1
1
v
s
定压加热理想循环的p-v图及T-s图
3-4：绝热膨胀过程 4-1：定容放热过程
—constant-pressure combustion cycle; Brayton cycle
由于其加热过程是在定压下进行的，因此 其遵循的理想循环称为定压加热燃气轮机 装置的理想循环，也称为布雷顿循环。
1-2 绝热压缩（压气机内） 2-3 定压吸热（燃烧室内） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 4-1 定压放热（大气）
4
p
3
放热量 q2 cv T5 T1
v
5
2
循环净功 w0 q1 q2
循环热效率
t
w0 q1
1 q2 q1
v
1
s
t
1
cv T3
cv (T5 T1)
T2 cP T4
T3
T5 1
1
T3
T5 T1
T2 kT4
T3
1
T2 T1
T3 T2
T1 1
k
T3 T1
T4 T3
1
t
1
T2 T1
排气
进气
四冲程内燃机工作过程
(four-stroke cycle engine)
进气
排气
二、提高柴油机功率的主要途径
柴油机在每个循环中所作的功为
mw ptVs J
当柴油机转速为n r/min时，活塞每秒走过的冲程数量为2n/60；
设柴油机的冲程数为 ，则每秒完成的工作循环数为 2n / 60
1-2：压缩过程 2－3－4－5：燃烧和膨
胀过程燃烧可分为定容过
5 6 程和定压过程
1V
5－6－0：排气过程 由于存在流动阻力
，缸内气体压力略
高于大气压力
二、实际循环特点及理想化的条件：
1.取消进排气过程，变开口系统为闭口系统；
2.工质视为理想气体，比热为定值，化学成分保持不变；略去喷入 燃油的质量，认为工质质量不变；
T4 T3
T1 T2
T4 T1 T1 T3 T2 T2
t
1 T1 T2
1
1
1
注意：式中T1，T2并非指高温 热源，低温热源。
t
1 T1 T2
1
1
1
热效率 t 取决于气体的绝热指数k和压气机的增压 比β值。因为工质是空气，k=1.4，所以定压加热燃 气轮机装置的理想循环热效率只与压气机的增压比 β有关。压气机的增压比β越大，定压加热燃气轮机 装置的理想循环的热效率也增大。实际上，压气机 的增压比β通常在5~20之间。
空气首先进入轴流式压气机， 压缩后的空气进入燃烧室， 一部分空气直接参与燃料燃 烧，并与另一部分空气混合， 然后进入燃气轮机中膨胀做 功，最后排到大气中去。
构成： 压气机(compressor) 燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine)
二.定压加热理想循环
排气
进气
四冲程内燃机工作过程
(four-stroke cycle engine)
进气
排气
汽油机的实际工作循环
p
0
火花塞
Atmosphere
v
p
0
火花塞
Atmosphere
v
p
0
火花塞
Atmosphere
v
p
0
火花塞
Atmosphere
v
p
0
火花塞
Atmosphere
v
续3
p
0
火花塞
Atmosphere
则循环加热量全部由定容过程加入，此时的循环成为定容加热循环
反之增加定压加热量至 q1p q1, q1v 0
则循环加热量全部由定压过程加入，此时的循环成为定压加热循环
压缩比及吸热量相同时,活塞式内燃机各种循环的比较如图所示
从图中可以看出
q2,定容 q2,混合 q2,定压
因此热效率
t，定容 t，混合 t，定压
燃烧，喷油量一定，因此q1基本不变；热效率 t 的提
高又受到循环特性参数的限制，所以影响平均压力的 主要因素就是压缩始点的压力和温度。
主要途径就是增压和中冷，利用专门的压缩机---废气涡 轮增压器，将空气由大气压力压缩到较高的压力，再经 过空气冷却器降低空气温度。
第四节 燃气轮机装置动力循环
一.燃气轮机(gas turbine)装置简介
缸数为i的柴油机的整机功率为
Nt
i.
ptVs
.
2n
60
ptVs ni
30
平均压力的提高是提高整个柴油机功率的根本途径
三、提高平均压力的方法
理想气体状态方程：p1v1 RT1
热效率定义： w q1t
pt
mq1t
Vs
p1q1t
RT1
提高p1, q1,t，降低T1 pt
对于吸入一定量的空气而言，为了使喷入的燃油完全
★当循环最高压力和最高温度相同时三种循环的比较
q2相同，初态1相同
t
1
q2 q1
q1 面积123451
q1v 面积12'451
q1p 面积12''3451
q q q pmax和Tmax 相同时，三种循环的比较
即 有
1v
tv
1 1p
t
tp
从上图还可以看出，定压加热循环的压缩比在三种循环中最高。
v
p
3 2 0
火花塞
4
1" Atmosphere 1'
v
p
3 2 0
火花塞
4
1" Atmosphere 1'
v
p
3 2 0
火花塞
续3
4
1" Atmosphere 1'
v
9-1 柴油机实际循环和 理想循环
一、柴油机的实际工作过程
P 34 2
P0
b
0-1：吸气过程。由于阀门的阻力，吸入
气缸内空气的压力略低于大气压力。
在安全性条件相同的前提下，定压加热循环由于允许较高的压缩 比而获得最好的经济性。
第三节 提高柴油机功率的主要途径
一、 平均压力的概念
单位气缸体积在每一循环中 所作的功称为“内燃机理想循 环的平均压力”。
pt
mw Vs
N / m2
平均压力大，说明单位气缸容 积做功能力大，柴油机的动力 性能优良 。
两冲程内燃机工作过程 (two-stroke cycle engine)
第九章 气体动力循环
第一节 柴油机实际循环 和理想循环 第二节 定容加热理想循 环和定压加热理想循环 第三节 提高柴油机功率 的主要途径
热能动力装置： 能够将燃料燃烧释放出来的热量的一部分， 连续不断的转换成机械能的整套热工设备，称为热能动力装置，简 称动力装置。
内燃机：如果直接将燃料的燃烧产物作为工质,这种动力装置 称为内燃动力装置(或称为内燃机)。如活塞式内燃机等。
1-2：绝热压缩过程 2-3：定容加热过程 3-4：定压加热过程
4-5：绝热膨胀过程 5-1：定容放热过程
该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“混合加热循环”
1、为了计算柴油机理想循环热效率，引入柴油机循环的特性参 数： （1）压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，它是表 征内燃机工作体积大小的结构参数。
v
p
0
火花塞
Atmosphere
v
p
0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
0
火花塞
Atmosphere
1'
v
续3
p
0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
2 0
火花塞
Atmosphere
T3 T2
T5 1 T1
1
k
T3 T1
T4 T3
1
1
T2 T1
T3 T2
T3 T2
T4 T3
k
1
1
k
T3 T1
T4 T3
1
上式表明，
1
1
k 1
1
k 1
k
1
混合加热理想循环的热效率随压缩比ε、定容升压比λ的增
大而增大，随定压预胀比ρ的增大而减小。因此，在组织
燃烧过程时，应尽可能增加定容燃烧部分的比例，减少定
活塞式内燃机分类：
按燃料：煤气机、汽油机和柴油机； 按点火方式：点燃式（汽油机、煤气机）和压燃式（柴油机）； 按冲程：四冲程和二冲程
外燃机：如果只是利用燃烧产物来加热循环的工质(如蒸汽动力 装置中利用燃气加热水),则这种动力装置称为外燃动力装置(或称外 燃机)。
两冲程内燃机工作过程 (two-stroke cycle engine)
3.把内燃变为外部加热，用工质从外界的定容吸热和定压吸热过程 代替燃油的燃烧放热过程；
4.膨胀和压缩过程忽略热交换，变多变过程为绝热过程； 5.用定容放热代替排气过程，认为工质恢复到循环的初始状态； 6.所有热力过程均可逆。
三、柴油机理想循环及其热效率
p
3
4
T
4
p
3
s
2
s
5
v
5
2
v
1
1
v
s
柴油机混合加热理想循环的p-v图及T-s图
火花塞
续3
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
4 Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
续3
4
1" Atmosphere 1'
v
p
3 2 0
火花塞
4
1" Atmosphere 1'
v
p
3 2 0
火花塞
4
1" Atmosphere 1'
定容加热理想循环为 1 时混合加热理想循环的特例，故可得
t
1
1
k 1
t
1
1 k1
分析： 若循环加热量不变,提高
增压比ε，实际上提高
了吸热平均温度，降低
了放热的平均温度，所
T
T3
T1'
T1
2'
2
T2 T2'
3' 3
v
4
4' v
以循环的热效率提高了。
1
s
实际上压缩比过大，使压缩终了时的气体产生爆燃现象，
1'
v
Fra Baidu bibliotek p
2 0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
2 0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
续3
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
续3
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
火花塞
续3
Atmosphere
1'
v
p
3 2 0
一、定容加热理想循环（Otto循环,汽油机）
汽油机是点燃式内燃机。由吸气过程吸入的汽油与空气的可燃
混合物，经活塞压缩至上止点时，由电火花塞点火而迅速燃烧，
这时活塞位移极小。
p
T
1-2：绝热压缩过程
3
3
s
2
s
2-3：定容加热过程
v
4 3-4：绝热膨胀过程
2
4
v
4-1：定容放热过程
1
1
v
s
定容加热理想循环的p-v图及T-s图
压部分的比例。
3、用T-s图分析影响混合加热理想循环热效率的因素
1）、单位质量加热量q1不变，热量分配q1v、q1p也不变， 压缩比对热效率的影响
现代柴油机的压缩比一般在12-22之间
2）压缩比不变，单位质量加热量也不变，改变定容和 定压加热量分配比例对热效率的影响
t
1
q2 q1
q1相等， q2减小
三.定压加热理想循环分析
1.热效率ηt
q1
h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
cp T3 T2
q2
h4
h1
c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
t
1 q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
1
T4
T3
p4 p3
1
T1
T2
p1 p2
p4 p1 p3 p2
定压加热理想循环为 1 时混合加热理想循环的特例，故可得
t
1
1
k 1
k k(
1 1)
定压预胀比对循环热效率的影响
p
2
3
3'
s
T
3'
3
p
2
4'
4'
s
4
4
v
1
1
v
s
增大预胀比ρ，可使吸热平均温度升高，放热平均温度
也升高，因定容线比定压线陡，所以放热平均温度增长
的比吸热平均温度增长的快，使循环热效率减小。
t
1
1
k 1
k k(
1 1)
定压加热理想循环热效率随着压缩比ε的增大,预胀比ρ的减 小和采用高ｋ值的气体而增大。
定压加热理想循环压缩比的提高受到机械效率减小的限制，因 为定压加热循环中机器所受的最高压力不是短时间的，压缩比过 高会使零件笨重、摩擦损失增加，有效热效率得不到提高，故必 须限制其循环的最高压力和温度。
循环热效率增加
在压缩比和单位质量加热量不变的条件下，增加定容加热量、减 少定压加热量，可以提高混合加热理想循环的热效率。
不能单纯为了提高热效率而盲目增加定容加热量的比例。定容加 热量过大，会使压力升高比过大而导致循环的最高压力和最高温 度过高，引起柴油机各部件受力过大或过热，影响机器使用寿命。
如果增加定容加热量至 q1v q1, q1p 0
从图中还可以看出，循环最高温度 Tmax 和最高压力 pmax
的（对应于4点）关系为：定容〉混合〉定压
结论：在压缩比和加热量相同的前提下，定容加热 循环经济性最高，但是定压加热安全性最高。 综合经济性和安全性两方面的因素，现代柴油机一 般采用混合加热循环。
第二节定容加热理想循环和定压加热理想循环
v1 v2
（2）定容升压比: 定容加热后的压力与加热前的压力之比，它 是表示内燃机定容燃烧情况的特性参数。
p3 p2
（3）定压预胀比: 定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，它 是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。
v4 v3
2、混合加热理想循环热效率的计算
T
吸热量 q1 cv T3 T2 cp T4 T3