工程热力学动力循环模板

7 动力循环( Power Cycles)

热能向机械能转换需要经过工质的循环, 理想的循环是卡诺循环, 但卡诺循环并不实用, 其中的等温过程就难以实现。利用相变过程固然能够实现等温过程, 但在吸热温度、压力方面却不遂人愿, 因此实际循环与卡诺循环的差异比较大。但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有, 实际循环与卡诺循环一样, 也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成, 其中吸热常常伴随燃料燃烧放热。

为了提高动力循环的能量转换的经济性, 必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析, 以寻求提高经济性的方向及途径。

实际动力循环都是不可逆的, 为提高循环的热经济性而采取的各种措施又使循环变得非常复杂。为使分析简化, 突出热功转换的主要过程, 一般采用下述手段: 首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环, 分析该理论循环, 找出影响其循环热效率的主要因素和提高热效率的可逆措施; 然后分析实际循环与理论循环的偏离之处和偏离程度, 找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。本课程主要关心循环中的能量转换关系, 减少实际损失是具体设备课程的任务, 因此我们主要论及前者。

7.1 内燃动力循环

内燃机的燃料燃烧( 吸热) 、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行的, 结构紧凑。由于燃烧是在作功设备内进

行的, 因此称为内燃机。

汽车最常见的动力机是内燃机, 可是随着技术的进步、环境保护标准的提高与石油天然气资源紧缺, 使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池的电动汽车已经呼之欲出。当前提到汽车发动机依然主要是指内燃机。

内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、

1—气缸盖和气缸体; 2—活塞; 3—连杆; 4

—水泵; 5—飞轮; 6—曲轴; 7—润滑油管;

8—油底壳; 9—润滑油泵; 10—化油器; 11

热效率高和操作方便等特点, 广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域。它是仿照蒸汽机的结构创造的, 最初使用煤气作为燃料。随着石油工业的发展, 内燃机获得了更合适的燃料——汽油和柴油。德国人奥托( Nicolaus A. Otto) 首先于1877年制成了实用的点燃式四冲程内燃机, 狄塞尔( Rudoff Diesel) 随后于1897年制成了压燃式内燃机。20世纪30年代出现的增压技术, 使内燃机性能得到大幅度提高。当前内燃机在经济性能( 主要指燃料和润滑油消耗) 、动力性能( 主要指功率、转矩、转速) 、运转性能( 主要指冷起动性能、噪声和排气质量) 和耐久可靠性能等方面均有了长足的进步。

7.1.1 四冲程内燃机的工作原理

四冲程( 行程) 内燃机是指由进气、压缩、作功和排气等四个冲程组成一个工作循环的往复式内燃发动机, 其工作原理如图7-2所示。

1）进气冲程这是内燃机工作循环的第一个冲程。开始时进气门打开, 曲轴旋转180, 活塞由上止点运动到下止点, 新鲜空气被吸入气缸。

2）压缩冲程进、排气门全部关闭, 气缸形成封闭系统, 曲轴旋转180, 活塞由下止点运动到上止点, 将气缸内的充量压缩。

3）作功( 膨胀) 冲程气缸内高温、高压气体膨胀作功, 推动活塞由上止点运动到下止点, 曲轴旋转180, 对外作功。

4）排气冲程膨胀冲程结束后, 排气门打开, 曲轴旋转180, 推动活塞由下止点运动到上止点, 将燃烧后的废气经排气门排出气缸。

四冲程内燃机经历上述工作循环, 曲轴共旋转720。四个冲程中仅有作功冲程是活塞对外作功, 其它三个冲程都需要外界驱动活塞运动。四冲程柴油机和汽油机的工作过程都包括上述四个冲程, 两者在工作原理上的区别是: 柴油机压缩的是单一气体( 空气) , 当活塞到达上止点附近时, 缸内空气的压力温度很高, 适时地喷入柴油, 在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧, 因此称为压燃式内燃机; 汽油机则是在气缸外形成可燃混合气, 然后充入气缸, 压缩终了时靠火花塞打火点燃( 其压缩终了时压力温度比压燃式内燃机低得多) , 因此称为点燃式内燃机1。

1由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混合物, 受混合气体自燃温度的限制, 不能采用大压缩比, 不然混合气体就会”爆燃”, 使发动机不能正常

图7-2 四冲程内燃机工作原

显然活塞的往复运动必然产生很大的振动, 因

工作。实际汽油机的压缩比大都在5~12的范围内。柴油机压缩的仅仅是空气, 不存在爆燃的问题, 其压缩比多在14~20的范围内。这是由汽油和柴油的燃烧特性所决定的, 汽油燃烧速度比柴油快得多, 压力越高, 密度越大, 火焰传播越快( 正常点燃时, 火焰传播速度为30~ 70m/s, 而爆燃时可达800~1000m/s) 。如果汽油机也像柴油机一样先压缩空气再喷油自燃, 依然会出现爆燃。