章 内燃机循环与效率

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

⏹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60~70年已有的技术

绝热发动机70~80

年代广

泛研究

重新受到重视

第一节 内燃机效率与理论循环

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。

1876年德国人奥托提出并研制了推动第二次工业革命的四冲程内燃机——ηe=～14%

p0

V p

大气压式内燃机示功图

1. 在下止点附近燃烧，膨胀不充分

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

1860年法国人勒诺瓦尔

研制的二冲程内燃机

——ηe=～4.5%

1862年法国铁路工程师罗沙

提出现代四冲程内燃机

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Otto Cycle

奥托循环Otto Cycle 要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。

c

s c c s c a V V V V V V V V V /1/)(//21+=+===εεV a ——气缸总容积V c ——燃烧室容积V s ——工作容积

1

1

1--

=k t ε

η奥托循环

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）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

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: P zmax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。

S=dQ/T

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

……

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

1

1

1--

=k c

t ε

η奥托循环奥托循环Otto Cycle 奥托循环Otto Cycle 低速汽油机接近奥托循环

低速汽油机接近奥托循环迪赛尔循环Diesel Cycle 迪赛尔循环Diesel 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)

1(11

1001---

=-ρρε

ηk k k c

t 笛塞尔循环k = c p /c v 等熵指数；εc =V 1/V 2为压缩比；ρ0=V c /V b 为初始膨胀比。

双烧循环

双烧循环Dual Combustion Cycle 双烧循环Dual Combustion 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)

1(11

1

100

1-+---

=-ρλλρλε

ηp p k p k c

t k 双烧循环k = c p /c v 为等熵指数εc =V a /V c 为压缩比λp =p c /p b 为压力升高比ρ0=V d /V c 为初始膨胀比

现代内燃机理论循环

（%） 等容 等压 等温现代柴油机：30 50 20现代汽油机：50 30 20

（%） 等容 等压 等温现代柴油机：30 50 20现代汽油机：50 30 20ε=相同，ηotto >ηdual >ηdiesel

ε=相同，ηotto >ηdual >ηdiesel P zmax =相同，ηdual >ηdiesel > ηotto

P zmax =相同，ηdual >ηdiesel > ηotto 实际汽油机由于爆燃的原因， ε 远低于柴油机，因此汽油机的效率低于柴油机。

实际汽油机由于爆燃的原因， ε 远低于柴油机，因此汽油机的效率低于柴油机。