发动机能量分配及循环效率PPT课件
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第三章 循环分析与能量利用
-
1
第三章 循环分析和能量利用
ICE工作过程研究内容：
➢工质成分变化； ➢热能的转化过程。 目标： ➢高的循环效率；
➢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。
-
2
对ICE工作过程的研究只能建立模型，进行理论分析！
-
19
第三节 理想循环
一、理想循环构成
工质—实际工质
循环—理论循环
相对热效率：真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。
rel
t ti
意义：内燃机提高循环效率最高限度。
现代高技术水平的内燃机来自百度文库相对效率已高达90%。
-
20
第三节 理想循环
二、工质特性对循环效率的影响 1、最高燃烧温度 1）比热容
2、循环效率 Otto循环循环效率: Diesel循环循环效率: Sabathe循环循环效率:
p z pc
Vz V z
t
1
1 k1
t 11k1kk11
t 11 k11k k1 1
-
9
第二节 理论循环
三、影响循环效率的因素
t f,k,,
1、压缩比的影响
增大压缩比可以
提高ICE的循环 t
效率
-
10
第二节 理论循环
T c’
Q1
z’
z
Q1
c
b
b’
a
Q2 Q 2
Q2 Q2
-
t t
S
11
第二节 理论循环
2、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。
t
Q1Q2 Q1
1Q2 Q1
c
bb
Q2 Q2 t2 t2
a
Q 2
Q2
S
因此，提高等容度，可以提高ICE的循环效率
-
23
第三节 理想循环
在着火极限区域内， 随着混合气浓度的加大， 循环效率逐渐下降。
稀薄燃烧可以得到 较高的循环效率！！
燃空当量比
-
24
第三节 理想循环
二、理想循环下SI-ICE和CI-ICE比较
小、大负荷下差距加大
ag0.8~1.2
ag ad
原因
Tmagx Tmadx
rg rd
ad1.3~7.0
多原子分子数增多，比热容增大，绝热指数下降， 效率下降。
残余废气系数和EGR率对循环效率影响较大。
-
22
第三节 理想循环
3、混合气浓度 浓混合气： 燃料裂解吸热，增加工质内能，做功能力下降； 工质最高温度大，循环效率低； 混合气中废气比例高，循环效率低。
稀混合气： 最高燃烧温度低，循环效率高； 混合气中废气比例少，循环效率高。
a
BDC
V
6
第二节 理论循环
NA-ICE的Sabathe循环
p
z，
Q1
Q 1
z
c
r
p0
TDC
Vc
Vs
Va
-
b Q2
a
BDC
V
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第二节 理论循环
TC-ICE的Sabathe循环
p z，
Q 1
z
Q1
c
r
pb pk
r,
TDC
Vc
Vs
Va
-
b Q2
a a,
BDC
V
8
第二节 理论循环
压力升高比： 预膨胀比：
cv fT cp T
在相同的加热量下，燃烧温度越高，工质比热容 升高越多，绝热指数下降越多，循环效率偏离理 论循环效率越远。
2）工质的高温裂解
-
21
第二节 理想循环
高温高压下，加速CO2、H2O、N2、O2、H2的裂解， 裂解吸热；膨胀过程温度、压力下降，进行放热的 逆向反应，使放热时间延长，等容度下降，效率下降。 2、残余废气系数
-
12
第二节 理论循环
分析：
➢ICE接近等容燃烧，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；
➢电喷汽油机把按照化学计量比混合气进行控制， 可得到较高的循环效率；
➢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。
tg td
SI-ICE小、大负荷循环效率相对于CI-ICE更小，
有效燃油消耗率高出30% ～50%。
-
25
第四节 真实循环
一、循环构成
p
真实循环+实际工质 z
时间损失
c
理论循环 理想循环 kk
后燃损失 传热、流动、不完全燃烧 工质泄漏等
换气损失
p0
c’
TDC r
Vc
-
b’
Vs Va
b a
BDC V
26
第四节 真实循环
四大损失
传热、流动、不完全燃烧和泄漏损失 换气损失 时间损失
后燃损失
工质和循环的变化，使实际循环效率和 理论循环效率相差10% ～20%。
二、理论循环类型 1、循环分析 早期ICE活塞运动速度低，汽油机为定容加热循环， 柴油机为定压加热循环。- 现代ICE为混合加热循环。 4
第二节 理论循环
Otto循环
p
z
Q1
c
r
p0
TDC
Vc
Vs
Va
-
b Q2
a
BDC
V
5
第二节 理论循环
Diesel循环 p
c
Q1
z
r
p0
TDC
Vc
Vs
Va
-
b Q2
-
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第二节 理论循环
Q1p Q1mQ1v Q2pQ2mQ2v
tptmtv
T
Q1m Q 1v Q 1 p
zv zm zp
c
bp bv bm
a Q2m Q 2v
Q2p
S
更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率
-
17
第二节 理论循环
不同机型比较 最高爆发压力形同， 吸热量相同
Q1p Q1mQ1v Q2pQ2mQ2v
-
13
第二节 理论循环
在预膨胀比一定时，压力升 高比对循环效率影响不大。
在压力升高比一定时，减小 预膨胀比，会显著提高循环 效率。
-
14
第二节 理论循环
3、绝热指数 提高绝热指数， 可以提高循环效率。
t
-
15
第二节 理论循环
四、理论循环研究的意义 ➢提供改善ICE性能的措施； ➢提供ICE比较的理论依据； 同一机型比较 压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同
tp tmtv
T
Q1m
Q 1v
Q1p
zp zm
pmax
zv
cp
cm cv
bmbv bp
a
Q 2m
Q 2v
Q2p
S
最高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率
-
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第二节 理论循环
五、理论循环下SI-ICE和CI-ICE的比较 ➢CI-ICE压缩比高于SI-ICE，具有更高的循环效率； ➢CI-ICE的最低有效燃油消耗率比SI-ICE低15% ～ 25%； ➢对于SI-ICE，混合气浓度偏离化学计量比浓度， 循环效率均会下降，经济性会下降。
三种循环模式： ➢理论循环
工质—理想气体 循环—理想循环
➢理想循环
工质—实际气体 循环—理想循环
工质—实际气体
➢真实循环
循环—真实循环
-
3
第二节 理论循环
一、理论循环构成 工质—理想气体（空气），物性参数为常数； 循环—理想循环构成封闭热力系统： 绝热压缩—定容定压吸热（燃料燃烧放热） —定容放热（进排气的换气过程）
-
1
第三章 循环分析和能量利用
ICE工作过程研究内容：
➢工质成分变化； ➢热能的转化过程。 目标： ➢高的循环效率；
➢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。
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对ICE工作过程的研究只能建立模型，进行理论分析！
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第三节 理想循环
一、理想循环构成
工质—实际工质
循环—理论循环
相对热效率：真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。
rel
t ti
意义：内燃机提高循环效率最高限度。
现代高技术水平的内燃机来自百度文库相对效率已高达90%。
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20
第三节 理想循环
二、工质特性对循环效率的影响 1、最高燃烧温度 1）比热容
2、循环效率 Otto循环循环效率: Diesel循环循环效率: Sabathe循环循环效率:
p z pc
Vz V z
t
1
1 k1
t 11k1kk11
t 11 k11k k1 1
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第二节 理论循环
三、影响循环效率的因素
t f,k,,
1、压缩比的影响
增大压缩比可以
提高ICE的循环 t
效率
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第二节 理论循环
T c’
Q1
z’
z
Q1
c
b
b’
a
Q2 Q 2
Q2 Q2
-
t t
S
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第二节 理论循环
2、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。
t
Q1Q2 Q1
1Q2 Q1
c
bb
Q2 Q2 t2 t2
a
Q 2
Q2
S
因此，提高等容度，可以提高ICE的循环效率
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第三节 理想循环
在着火极限区域内， 随着混合气浓度的加大， 循环效率逐渐下降。
稀薄燃烧可以得到 较高的循环效率！！
燃空当量比
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第三节 理想循环
二、理想循环下SI-ICE和CI-ICE比较
小、大负荷下差距加大
ag0.8~1.2
ag ad
原因
Tmagx Tmadx
rg rd
ad1.3~7.0
多原子分子数增多，比热容增大，绝热指数下降， 效率下降。
残余废气系数和EGR率对循环效率影响较大。
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第三节 理想循环
3、混合气浓度 浓混合气： 燃料裂解吸热，增加工质内能，做功能力下降； 工质最高温度大，循环效率低； 混合气中废气比例高，循环效率低。
稀混合气： 最高燃烧温度低，循环效率高； 混合气中废气比例少，循环效率高。
a
BDC
V
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第二节 理论循环
NA-ICE的Sabathe循环
p
z，
Q1
Q 1
z
c
r
p0
TDC
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b Q2
a
BDC
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第二节 理论循环
TC-ICE的Sabathe循环
p z，
Q 1
z
Q1
c
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b Q2
a a,
BDC
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第二节 理论循环
压力升高比： 预膨胀比：
cv fT cp T
在相同的加热量下，燃烧温度越高，工质比热容 升高越多，绝热指数下降越多，循环效率偏离理 论循环效率越远。
2）工质的高温裂解
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21
第二节 理想循环
高温高压下，加速CO2、H2O、N2、O2、H2的裂解， 裂解吸热；膨胀过程温度、压力下降，进行放热的 逆向反应，使放热时间延长，等容度下降，效率下降。 2、残余废气系数
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第二节 理论循环
分析：
➢ICE接近等容燃烧，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；
➢电喷汽油机把按照化学计量比混合气进行控制， 可得到较高的循环效率；
➢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。
tg td
SI-ICE小、大负荷循环效率相对于CI-ICE更小，
有效燃油消耗率高出30% ～50%。
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第四节 真实循环
一、循环构成
p
真实循环+实际工质 z
时间损失
c
理论循环 理想循环 kk
后燃损失 传热、流动、不完全燃烧 工质泄漏等
换气损失
p0
c’
TDC r
Vc
-
b’
Vs Va
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BDC V
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第四节 真实循环
四大损失
传热、流动、不完全燃烧和泄漏损失 换气损失 时间损失
后燃损失
工质和循环的变化，使实际循环效率和 理论循环效率相差10% ～20%。
二、理论循环类型 1、循环分析 早期ICE活塞运动速度低，汽油机为定容加热循环， 柴油机为定压加热循环。- 现代ICE为混合加热循环。 4
第二节 理论循环
Otto循环
p
z
Q1
c
r
p0
TDC
Vc
Vs
Va
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BDC
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第二节 理论循环
Diesel循环 p
c
Q1
z
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第二节 理论循环
Q1p Q1mQ1v Q2pQ2mQ2v
tptmtv
T
Q1m Q 1v Q 1 p
zv zm zp
c
bp bv bm
a Q2m Q 2v
Q2p
S
更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率
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第二节 理论循环
不同机型比较 最高爆发压力形同， 吸热量相同
Q1p Q1mQ1v Q2pQ2mQ2v
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第二节 理论循环
在预膨胀比一定时，压力升 高比对循环效率影响不大。
在压力升高比一定时，减小 预膨胀比，会显著提高循环 效率。
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第二节 理论循环
3、绝热指数 提高绝热指数， 可以提高循环效率。
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第二节 理论循环
四、理论循环研究的意义 ➢提供改善ICE性能的措施； ➢提供ICE比较的理论依据； 同一机型比较 压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同
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T
Q1m
Q 1v
Q1p
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pmax
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最高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率
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第二节 理论循环
五、理论循环下SI-ICE和CI-ICE的比较 ➢CI-ICE压缩比高于SI-ICE，具有更高的循环效率； ➢CI-ICE的最低有效燃油消耗率比SI-ICE低15% ～ 25%； ➢对于SI-ICE，混合气浓度偏离化学计量比浓度， 循环效率均会下降，经济性会下降。
三种循环模式： ➢理论循环
工质—理想气体 循环—理想循环
➢理想循环
工质—实际气体 循环—理想循环
工质—实际气体
➢真实循环
循环—真实循环
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第二节 理论循环
一、理论循环构成 工质—理想气体（空气），物性参数为常数； 循环—理想循环构成封闭热力系统： 绝热压缩—定容定压吸热（燃料燃烧放热） —定容放热（进排气的换气过程）