第十二章氣體動(dòng)力循環(huán)

1、第十二章氣體動(dòng)力循環(huán)121 燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)11211 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理11212 分析簡(jiǎn)化假設(shè)21213 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析3122 考慮不可逆損失時(shí)的熱力學(xué)分析51221 熱力學(xué)第一定律分析61222 熱力學(xué)第二定律分析7123 具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)111231 回?zé)?11232 多級(jí)壓縮膨脹12124 往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)131241 內(nèi)燃機(jī)的工作原理131242 內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)141243 混合加熱循環(huán)分析151244 各種循環(huán)的熱效率比較17125 其他燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)201251 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)201252 蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)20思考題答案22121 燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓

2、加熱理想循環(huán)1211 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖如圖12-1所示。裝置主要由壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)所組成。其工作原理簡(jiǎn)述如下。圖12-1  燃汽輪機(jī)裝置1軸流式壓氣機(jī)；2燃燒室；3燃?xì)廨啓C(jī) 壓氣機(jī)1不斷地從大氣中吸入空氣，進(jìn)行壓縮升壓。壓縮空氣送入燃燒室2。在燃燒室中，空氣與供入的燃料在定壓下進(jìn)行燃燒，形成該壓力下的高溫燃?xì)?。高溫燃?xì)馀c來(lái)自燃燒室?jiàn)A層通道的壓縮空氣相混合，使其溫度降低至燃?xì)廨啓C(jī)葉片所能承受的溫度范圍。燃?xì)饬鹘?jīng)燃?xì)廨啓C(jī)3的噴管，膨脹加速，形成高速氣流，沖動(dòng)葉輪對(duì)外輸出功量。作功后的廢氣排入大氣。燃?xì)廨啓C(jī)作出的功量除用以帶動(dòng)壓氣機(jī)外，剩余部分（循環(huán)凈功

3、）對(duì)外輸出。1212 分析簡(jiǎn)化假設(shè)    由上述可見(jiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)裝置中工質(zhì)經(jīng)歷的是一個(gè)連續(xù)進(jìn)行的壓縮，燃燒和膨脹作功過(guò)程，過(guò)程中有物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化和熱力狀態(tài)的變化，沒(méi)有完成閉合循環(huán)。為使分析簡(jiǎn)化，我們對(duì)工質(zhì)狀態(tài)變化過(guò)程作如下理想化的假設(shè)：    第一，假定工質(zhì)進(jìn)行的是一個(gè)封閉的熱力循環(huán)。設(shè)想工質(zhì)沒(méi)有經(jīng)歷燃燒的化學(xué)反應(yīng)，在燃燒室中燃料釋放的熱量認(rèn)為是工質(zhì)從外部熱源吸收的熱量。噴入的燃料質(zhì)量忽略不計(jì)。廢氣帶入大氣的余熱則認(rèn)為是工質(zhì)在某一散熱器中排向冷源的熱量。經(jīng)過(guò)冷卻的工質(zhì)又進(jìn)入壓氣機(jī)，即認(rèn)為是定量工質(zhì)完成封閉的循環(huán)。 

4、;   第二，假定工質(zhì)經(jīng)歷的熱力過(guò)程都是準(zhǔn)平衡過(guò)程。工質(zhì)在壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的過(guò)程，因其向外散熱極少，理想化為可逆絕熱過(guò)程，即定熵過(guò)程。在燃燒室中，忽略流動(dòng)阻力引起的壓降損失，燃燒時(shí)壓力變化不大，理想化為定壓加熱過(guò)程。燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣和壓氣機(jī)吸入的空氣都接近大氣壓力，故將放熱過(guò)程視為定壓放熱過(guò)程。    第三，工質(zhì)熱力性質(zhì)按理想氣體性質(zhì)計(jì)算，且比熱容視為定值。    經(jīng)過(guò)上述假定后，得到的理想循環(huán)的p-v 圖及T-s 圖如圖12-2所示。它由定熵壓縮過(guò)程1-2，定壓加熱過(guò)程2-3，定熵膨脹過(guò)程3-4，定壓放熱過(guò)程

5、4-1所組成。這種循環(huán)稱為燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)，又稱勃萊敦（Brayton）循環(huán)。下面對(duì)循環(huán)進(jìn)行分析。圖12-2  勃萊敦循環(huán)1213 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)分析循環(huán)在定壓加熱過(guò)程2-3自熱源吸入的熱量q1為在定壓放熱過(guò)程4-1中向冷源放出熱量q2(絕對(duì)值)為按照循環(huán)熱效率的定義，有                         

6、0;                                              (A)對(duì)于定熵過(guò)程1-2及3-4，注意到p3=p2、p4=p1后

7、，有                                                  

8、60;                                   (B)               

9、;                                                  

10、0;           (C)引入反映循環(huán)特性的參數(shù)循環(huán)增壓比 ，由式(B)及(C)可得                                  &

11、#160;                                         (D)將式（D）代入式（A），可得到循環(huán)熱效率與循環(huán)增壓比的關(guān)系式：    &

12、#160;                                                  

13、                                 (12-1)從上式可見(jiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)的熱效率完全確定于循環(huán)增壓比，并隨值的增大而提高。這是因?yàn)橹荡_定了循環(huán)吸熱與放熱平均溫度的比值之故。對(duì)于增壓比的選擇，還應(yīng)考慮到它對(duì)單位質(zhì)量工質(zhì)在循環(huán)中所作的凈功

14、量的影響。循環(huán)凈功量w是燃?xì)廨啓C(jī)作功與壓氣機(jī)耗功之差，也等于循環(huán)吸熱量q1與放熱量q2之差，在p-v 圖及T-s 圖上相當(dāng)于封閉過(guò)程線包圍的面積12341。燃?xì)廨啓C(jī)作功量wT為      壓氣機(jī)耗功量wC（絕對(duì)值）為                    因此，循環(huán)凈功量w的計(jì)算式為      &#

15、160;           上式表明：在一定溫度范圍T3、T1內(nèi)，循環(huán)凈功量完全確定于增壓比。循環(huán)凈功量達(dá)到最大值時(shí)的增壓比稱為最佳增壓比opt，其數(shù)值可通過(guò)對(duì)上式求導(dǎo)，并令其導(dǎo)數(shù)為零得到：                         

16、0;            令循環(huán)最高溫度T3與最低溫度T1的比值T3/T1=，稱為循環(huán)增溫比，則                                

17、0;          燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，工質(zhì)最高溫度T3受金屬材料耐熱性能的限制，目前一般采用770800，最高采用到9001000，而T1受大氣溫度的限制，故popt值有一定的限度。 例題12-1  某燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)中，工質(zhì)視為空氣。空氣進(jìn)入壓氣機(jī)時(shí)的壓力為0.1MPa，溫度為17。循環(huán)增壓比p =6.2，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度為870K。循環(huán)的p-v圖及T-s圖見(jiàn)圖12-2。若空氣的比熱容cp=1.004kJ/(kg×K)，g =1.4，試分析此循環(huán)。 

18、   解 （1）循環(huán)各特性點(diǎn)的基本狀態(tài)參數(shù)為    點(diǎn)1：p1=0.1MPa   t1=27     T1=290K                      點(diǎn)2：p2=p p1=6.2´0.1=0.62 MPa     

19、60;                                                    點(diǎn)3：p3

20、=p2=0.62 MPa，T3=870K                      點(diǎn)4：p4=p1=0.1MPa                        

21、0;               （2）壓氣機(jī)耗功量wC及燃?xì)廨啓C(jī)作功量wT                    循環(huán)凈功量w             

22、60;        （3）循環(huán)的吸熱量q1及放熱量q2                      （4）循環(huán)熱效率                  或 &#

23、160;            122 考慮不可逆損失時(shí)的熱力學(xué)分析上節(jié)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)第一定律分析。為使分析更符合裝置的實(shí)際工作情況，本節(jié)將考慮燃?xì)廨啓C(jī)和壓氣機(jī)中存在的摩擦損失，以及循環(huán)與熱源和環(huán)境間的溫差傳熱，進(jìn)行熱力學(xué)第一定律和第二定律的分析。1221 熱力學(xué)第一定律分析考慮燃?xì)廨啓C(jī)和壓氣機(jī)內(nèi)的摩擦?xí)r，燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)，如圖12-3中循環(huán)1 - 2 - 3 - 4 - 1所示。其中，壓氣機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)出口狀態(tài)2和4都比理想循環(huán)的對(duì)應(yīng)狀態(tài)2t和4t有

24、較大的熵值，這是因?yàn)榻^熱過(guò)程中不可逆因素總要導(dǎo)致系統(tǒng)熵增的緣故。 燃?xì)廨啓C(jī)的摩擦損失用相對(duì)內(nèi)效率hT度量。T是燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際作功量 與理想作功量 之比,即壓氣機(jī)的摩擦損失用壓氣機(jī)的絕熱效率hC,s度量。hC,s是壓氣機(jī)理想耗功量 與實(shí)際耗功量 之比，即壓氣機(jī)實(shí)際出口空氣焓值h2為循環(huán)吸熱量q1為                        

25、0;  循環(huán)凈功量w為循環(huán)效率為  又因 ，故                                             &#

26、160;                         (A)又有                        &#

27、160;                                              (B)  將式(A)及(B)代入ht的表示，則得&

28、#160;                                                  

29、                           (12-2)由上述分析可見(jiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)的摩擦損失使循環(huán)功量減少、循環(huán)熱效率降低；壓氣機(jī)的摩擦損失使循環(huán)功量與吸熱量減少相同數(shù)量，總的效果也使循環(huán)熱效率降低，但影響程度次于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的摩擦損失。1222 熱力學(xué)第二定律分析燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率ht是對(duì)循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)第一定律分析得出的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

30、。在熱力學(xué)第一定律分析的基礎(chǔ)上再對(duì)裝置進(jìn)行熱力學(xué)第二定律分析，可以得出有效能在各過(guò)程中利用與耗散的情況，給出各種不可逆因素造成的耗散大小，從而判明過(guò)程的熱力學(xué)完善程度及改進(jìn)循環(huán)的途徑。熱力學(xué)第二定律分析的依據(jù)是第三章中導(dǎo)出的有效能方程下面應(yīng)用有效能方程對(duì)圖12-3所示燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的各個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。  對(duì)于加熱過(guò)程2-3，作功量 ，有效能方程可寫(xiě)成其中，吸熱量中的有效能 ；工質(zhì)的有效能增量； 為過(guò)程中的耗散功。這是一個(gè)由吸熱量中的有效能轉(zhuǎn)為工質(zhì)有效能增量的過(guò)程，其完善程度用過(guò)程火用效率 表示 工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹作功過(guò)程3-4：因?yàn)槭墙^熱過(guò)程，故ex,Q=0。這是

31、一個(gè)工質(zhì)有效能（減少量）轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)外作功的過(guò)程，其有效能方程可寫(xiě)成其中(s4-s3)為摩擦引起的過(guò)程熵產(chǎn)量。過(guò)程效率燃?xì)廨啓C(jī)的效率hex.T比它的相對(duì)內(nèi)效率hT高，這是因?yàn)閺臒崃W(xué)第二定律的角度來(lái)看，在其摩擦損失的功量h4-h4t中，只有耗散功T0(s4-s4t)才在過(guò)程中轉(zhuǎn)換成了無(wú)效能，而另一部分 則仍為出口工質(zhì)的有效能，在后續(xù)過(guò)程中是可能得到利用的（例如采用回?zé)岽胧?，未?jì)入損失的緣故。    在放熱過(guò)程4-1中， ，有效能方程寫(xiě)成式中-ex,Q,2為放熱量q2中對(duì)外輸出的有效能。若放熱量直接傳向環(huán)境(T0)，則 ，工質(zhì)的減少量全部耗散為無(wú)效能。 &#

32、160;  絕熱壓縮過(guò)程1-2與膨脹作功過(guò)程相反，是外功轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)增量的過(guò)程，有效能方程寫(xiě)成過(guò)程的效率為由于壓縮過(guò)程摩擦消耗的功量中有一部份也轉(zhuǎn)變?yōu)楣べ|(zhì)的增量，故效率 較壓縮效率hC,s高。從以上分析可見(jiàn)，在熱力學(xué)第二定律分析中各過(guò)程的損失項(xiàng)都是過(guò)程中各種不可逆因素造成的耗散功 ，它反映了在能量轉(zhuǎn)換與利用中能量損失的實(shí)質(zhì)原因。    對(duì)于整個(gè)循環(huán)，在熱源提供的有效能ex,Q,1中，輸出的有效能僅為循環(huán)功量 （當(dāng)放熱量直接傳向環(huán)境時(shí)），有效能方程為其中耗散功為各過(guò)程耗散功之和式中循環(huán)熵產(chǎn) 。由于工質(zhì)完成循環(huán)，其熵變化為零，故循環(huán)熵產(chǎn)也就是循環(huán)中熱源及冷源熵

33、變化量的代數(shù)和。循環(huán)的效率由于 ，故 高于 。在向定溫?zé)嵩次鼰釙r(shí) ，此時(shí)其中 為卡諾循環(huán)熱效率。    例題12-2    如圖12-3所示的循環(huán)，其參數(shù)與例題12-1相同，即T1=290K，p1=0.1MPa， ，T3=870K， 。取壓氣機(jī)絕熱效率hC,s=0.85，燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率hT=0.85。若選定參考狀態(tài)T0=273K，p0=0.1MPa，h0=0，s0=0。設(shè)熱源溫度T=1200K，試對(duì)各過(guò)程及整個(gè)循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)第一、二定律分析。    解 （1）熱力學(xué)第一定律分析計(jì)算 

34、0;  按壓氣機(jī)絕熱效率定義式有                                    其中理論耗功量已在上例中算得：h2th1=199.2 kJ/kg，故壓氣機(jī)實(shí)際耗功量為    &

35、#160;                               壓氣機(jī)出口溫度T2為                 &#

36、160;                  按燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率定義式有                              

37、;      其中，理論作功量已在上例中計(jì)算得：h3h4t=354.8kJ/kg。燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際作功量為                                    燃?xì)廨啓C(jī)出口溫度T4為&#

38、160;                                   循環(huán)凈功量w為              

39、                      循環(huán)的吸熱量q1為                           &#

40、160;        循環(huán)效率為                                    或      

41、                                  （2）熱力學(xué)第二定律分析計(jì)算有關(guān)參數(shù)為              

42、60;                                                  &#

43、160;                                          吸熱過(guò)程2-3從熱源吸入熱量的有效能為      

44、;                              其余狀態(tài)參數(shù)及各過(guò)程、循環(huán)的火用分析用列表計(jì)算法進(jìn)行，如下表所示。參考狀態(tài)T0、P0下的h0=0，s0=0，因此表中各量的計(jì)算式為 狀態(tài)點(diǎn) T K P MPa h kJ/kg skJ/（kg×K）

45、ex kJ/kg 過(guò)程 ex,inex,outkJ/kg ex,Q kJ/kg wt kJ/kg wl kJ/kg hex   0 273 0.10 0 0 1 290 0.117.07 0.06065 0.512 1-2 -215.453 0 -234.35 18.897 0.9193 2 523.42 0.62251.42 0.12987 215.965 2-3 -208.702 268.80 0 60.098 0.7764 3 870 0.62599.39 0.64001 424.667 3-4 328.459 0 301.58 26.8

46、79 0.9181 4 569.62 0.1297.80 0.73843 96.208 4-1 95.696 0 0 95.696   1 290 0.117.07 0.06065 0.512 循環(huán) 0 268.80 67.23 201.570 0.2501 123 具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)1231 回?zé)崽岣哐h(huán)吸熱平均溫度或降低放熱平均溫度可以提高循環(huán)熱效率。在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，采用回?zé)崾峭瑫r(shí)達(dá)到提高吸熱平均溫度和降低放熱平均溫度的有效方法。    分析圖12-4所示循環(huán)，注意到燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度T4通常總是高于壓氣機(jī)出口溫度T2，所以放熱過(guò)程的高溫段4

47、-6（T6=T2）與吸熱過(guò)程的低溫段2-5（T5=T4）是在相同溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的。如果工質(zhì)的比熱容為定值，則4-6段的放熱正好用作2-5段的吸熱，這種工質(zhì)內(nèi)部的熱量交換稱為回?zé)?。在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，回?zé)崾峭ㄟ^(guò)增設(shè)回?zé)崞鱽?lái)實(shí)現(xiàn)的。具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖如圖12-5所示。                             

48、;          圖12-4  燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)          圖12-5  有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置    在回?zé)崞髦?，若燃?xì)獗焕鋮s到可能的最低溫度T2，壓縮空氣被預(yù)熱到可能的最高溫度T4，則這種理想情況稱為極限回?zé)帷O限回?zé)嵩趯?shí)際上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，由于空氣和燃?xì)庠诨責(zé)崞髦袚Q熱時(shí)具有一定的溫差，因此空氣在被加熱后的實(shí)際溫度T7必定小于T4，廢氣離

49、開(kāi)回?zé)崞鞯臏囟萒8必定高于T2。我們用回?zé)岫萻 來(lái)表示實(shí)際的回?zé)岢潭?，其定義為通常s =0.50.7。    采用回?zé)岷蟮男Ч梢詫⑵渑c同樣參數(shù)的未采用回?zé)岬难h(huán)相比較得出。    從能量平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，兩種循環(huán)的凈功量相同（同為封閉過(guò)程線所包圍的面積12341），但采用回?zé)岷笱h(huán)從外熱源的吸熱量減小為5-3段所吸入的熱量，因而循環(huán)熱效率必然提高。    從吸熱和放熱平均溫度來(lái)看，回?zé)嵫h(huán)從熱源的吸熱過(guò)程5-3，與對(duì)冷源的放熱過(guò)程6-1的熵變化仍然相等，而吸熱平均溫度較原循環(huán)高，放熱平均溫度較

50、原循環(huán)低，故循環(huán)的熱效率提高。1232 多級(jí)壓縮膨脹    回?zé)嶂荒茉谝詨簹鈾C(jī)出口溫度為下限，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度為上限的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，也就是說(shuō)，回?zé)嵝Ч艿竭@兩個(gè)出口溫度的限制。如能降低壓氣機(jī)出口溫度，提高燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度，則可有更顯著的回?zé)嵝Ч?#160;   圖12-6為具有回?zé)岬亩嗉?jí)壓縮、中間冷卻的壓氣機(jī)和多級(jí)膨脹，中間再熱的燃?xì)廨喲b置示意圖。圖12-7表示這種裝置工作過(guò)程中工質(zhì)的理想循環(huán)。             &

51、#160;    圖12-6 多級(jí)壓縮、膨脹、回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)裝置  圖12-7 多級(jí)壓縮、膨脹回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)    由圖12-7可見(jiàn)，在相同的壓力范圍內(nèi)，多級(jí)壓縮、中間冷卻可以降低壓氣機(jī)出口溫度，而多級(jí)膨脹，中間再熱有較高的排氣溫度，因而循環(huán)可以在較大的溫度范圍(T4到T9)內(nèi)進(jìn)行回?zé)幔玫捷^大的回?zé)嵝Ч?。從圖上還可看出，這種循環(huán)中從熱源吸熱的過(guò)程5-6及7-8都是在循環(huán)最高溫度附近的一個(gè)較小的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，所以有較高的吸熱平均溫度，而對(duì)冷源的放熱過(guò)程10-1及2-3都是在接近循環(huán)最低溫度下進(jìn)行的，故有較低的放

52、熱平均溫度，因而此循環(huán)有較高的熱效率。隨著壓縮和膨脹的分級(jí)數(shù)增多，回?zé)岬臏囟确秶龃螅鼰岷头艧崞骄鶞囟雀髯韵蜓h(huán)最高溫度和最低溫度靠近，因而循環(huán)熱效率將進(jìn)一步提高。在極限情況下，當(dāng)分級(jí)數(shù)趨于無(wú)限大時(shí)，壓縮過(guò)程變?yōu)槎貕嚎s，膨脹過(guò)程變?yōu)槎嘏蛎洠ㄈ鐖D12-7中的定溫線1-a及6-b所示），而在兩個(gè)溫度之間的兩個(gè)定壓過(guò)程a-6和b-1中進(jìn)行極限回?zé)?，此時(shí)的循環(huán)稱為埃爾遜（Ericsson）循環(huán)。它與相同溫度范圍內(nèi)的卡諾循環(huán)有相同的熱效率。    燃?xì)廨啓C(jī)裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量較輕、使用方便、工作可靠，故廣泛應(yīng)用于航空、運(yùn)輸、化工、鋼鐵等部門(mén)。124 往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)

53、理想循環(huán)1241 內(nèi)燃機(jī)的工作原理往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的氣缸內(nèi)進(jìn)行著吸氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣諸過(guò)程，而完成一個(gè)工作循環(huán)。按所用燃料不同，有煤氣機(jī)、汽油機(jī)和柴油機(jī)之分。按引燃方式不同，又可分為點(diǎn)燃式和壓燃式。煤氣機(jī)、汽油機(jī)為點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，燃料與空氣的可燃混合物經(jīng)壓縮，被電火花點(diǎn)燃。柴油機(jī)為壓燃式內(nèi)燃機(jī)，空氣被壓縮后，柴油噴入高溫的空氣中而自燃。早期的柴油機(jī)利用高壓氣將柴油噴入氣缸，稱為氣力噴射式柴油機(jī)?，F(xiàn)今的柴油機(jī)采用高壓油泵將柴油升壓，經(jīng)過(guò)噴油嘴噴入氣缸稱為機(jī)械噴射式柴油機(jī)。 下面以機(jī)械噴射式四沖程柴油機(jī)為例，說(shuō)明內(nèi)燃機(jī)的工作原理。氣缸中，工質(zhì)的壓力隨體積變化的曲線可用示功器繪出，如

54、圖12-8所示。圖中0-1線表示吸氣沖程。開(kāi)啟進(jìn)氣閥，活塞自左止點(diǎn)向右移動(dòng)至右止點(diǎn)，空氣被吸入氣缸。由于閥門(mén)的節(jié)流作用，吸入缸內(nèi)的氣體壓力略低于大氣壓力pb。吸氣沖程是缸內(nèi)氣體數(shù)量增加，而熱力狀態(tài)沒(méi)有變化的機(jī)械輸送過(guò)程。1-2線表示壓縮沖程。進(jìn)氣閥關(guān)閉、活塞返行，自右止點(diǎn)移向左止點(diǎn)，消耗外功對(duì)空氣壓縮升壓。壓縮終了時(shí)，氣體的溫度應(yīng)超過(guò)燃料的自燃溫度（柴油的自燃溫度為335左右），一般為600700。由于空氣與缸壁的熱交換（缸壁夾層有水冷卻），空氣壓縮為放熱壓縮，過(guò)程的平均多變指數(shù)n=1.341.37。2-3-4線表示缸內(nèi)燃燒過(guò)程。通常在空氣壓縮終了前，一部分柴油由高壓油泵提前噴入氣缸，這部分柴

55、油遇高溫空氣即迅速自燃。此時(shí)活塞在左止點(diǎn)附近，位置變動(dòng)很少，燃燒幾乎在定容下進(jìn)行(2-3段)，燃?xì)獾膲毫E增至4.58.0MPa。隨后噴入的柴油陸續(xù)燃燒，且活塞向右移動(dòng)，這時(shí)燃燒近乎在定壓下進(jìn)行(3-4段)，燃燒終了時(shí)燃?xì)鉁囟冗_(dá)1 4001 500。4-5線表示膨脹沖程，活塞自左向右移動(dòng)，高溫高壓燃?xì)馀蛎涀鞴?。由于氣缸容積的限制，膨脹終了的廢氣壓力一般為0.30.5MPa?？紤]到燃?xì)馀c氣缸壁的熱交換，總的說(shuō)來(lái)，燃?xì)馀蛎洖榉艧崤蛎涍^(guò)程。5-6-0表示排氣沖程。活塞右移至右止點(diǎn)附近時(shí)，排氣閥開(kāi)啟，排出部分廢氣，缸內(nèi)壓力驟減到略高于大氣壓力（5-6段）。活塞向左返行，將其余廢氣排至大氣中(6-0段)

56、。6-0段排氣沖程亦是機(jī)械輸送過(guò)程?；钊狄苿?dòng)兩次(四個(gè)沖程)完成一個(gè)工作循環(huán)。1242 內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán) 由上述可見(jiàn)，活塞式內(nèi)燃機(jī)中，工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且不是閉合循環(huán)。在作熱力學(xué)分析時(shí)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)中工質(zhì)狀態(tài)變化過(guò)程作如下理想化的假定，而將上述有吸氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣的開(kāi)口熱力過(guò)程理想化為定量工質(zhì)(定比熱容理想氣體)的封閉循環(huán)。圖12-8  內(nèi)燃機(jī)工作原理     第一，不計(jì)吸氣和排氣過(guò)程，將內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程看作是氣缸內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行的封閉循環(huán)，如圖12-8中1-2-3-4-5-6-1所示。這樣處理，主要忽略了因進(jìn)、排氣過(guò)程推擠

57、功的差別而完成的負(fù)功(在圖上為面積0-1-6-0所表示)。進(jìn)、排氣壓力都接近大氣壓力，它們的推擠功近乎大小相等符號(hào)相反，完成的負(fù)功很小。因此，上述處理是合理的。    第二，將燃燒過(guò)程2-3-4看作是熱源對(duì)工質(zhì)的加熱過(guò)程。并認(rèn)為2-3是定容加熱過(guò)程。3-4是定壓加熱過(guò)程。    第三，忽略壓縮和膨脹過(guò)程中工質(zhì)與缸壁之間的熱交換以及內(nèi)摩擦，認(rèn)為1-2過(guò)程是定熵壓縮過(guò)程，4-5過(guò)程是定熵膨脹過(guò)程（直達(dá)右止點(diǎn)）。    第四，用活塞處在右止點(diǎn)位置的定容放熱過(guò)程代替排氣過(guò)程5-6。工質(zhì)從膨脹終點(diǎn)定容放熱，壓力降低

58、，直達(dá)壓縮過(guò)程起點(diǎn)，完成循環(huán)。    通過(guò)如上理想化得到的內(nèi)燃機(jī)（機(jī)械噴射式柴油機(jī)）的理想循環(huán)的p-v圖及T-s圖如圖12-9所示，稱為混合加熱循環(huán)。它由定熵壓縮過(guò)程1-2、定容加熱過(guò)程2-3、定壓加熱過(guò)程3-4、定熵膨脹過(guò)程4-5、定容放熱過(guò)程5-1所組成。圖12-9  混合加熱循環(huán)    點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)（煤氣機(jī)、汽油機(jī)）壓縮的是燃料和空氣的可燃混合物。壓縮終了時(shí)，活塞處于左止點(diǎn)處，由電火花塞產(chǎn)生火花而將可燃混合氣點(diǎn)燃。由于燃燒迅速，此時(shí)活塞的位移極小，幾乎在定容下燃燒，故可按定容加熱循環(huán)（又稱奧托(Otto)循環(huán)）來(lái)分析，

59、如圖12-10所示。定容加熱循環(huán)由定熵壓縮過(guò)程1-2、定容加熱過(guò)程2-3、定熵膨脹過(guò)程3-4、定容放熱過(guò)程4-1所組成。圖12-10  定容加熱循環(huán)    早期的柴油機(jī)，在壓縮終了時(shí)用高壓空氣將柴油噴入氣缸，隨噴隨燃，活塞已向右移動(dòng)，缸內(nèi)壓力變化不大，近乎在定壓下燃燒，故按定壓加熱循環(huán)（又稱狄塞爾(Diesel)循環(huán)）來(lái)分析，如圖12-11所示。定壓加熱循環(huán)由定熵壓縮過(guò)程1-2、定壓加熱過(guò)程2-3、定熵膨脹過(guò)程3-4、定容放熱過(guò)程4-1所組成。圖12-11  定壓加熱循環(huán)   定容加熱循環(huán)和定壓加熱循環(huán)都可看作是混

60、合加熱循環(huán)的一種特殊情況。下面先分析混合加熱循環(huán)熱效率和影響效率的主要因素。1243 混合加熱循環(huán)分析混合加熱循環(huán)(圖12-9)的吸熱量q1：在定容加熱過(guò)程2-3中加入的熱量 為在定壓加熱過(guò)程3-4中加入的熱量 為故                                

61、        循環(huán)放熱量 ，即定容放熱過(guò)程5-1中放出的熱量為    混合加熱循環(huán)的凈功量w為    混合加熱循環(huán)的熱效率為                              &#

62、160;                   (A)  引入下列反映循環(huán)特性的參數(shù)：    壓縮比：     定容升壓比：     定壓預(yù)脹比： 對(duì)于定熵壓縮過(guò)程1-2，有對(duì)于定容加熱過(guò)程2-3，有對(duì)于定壓加熱過(guò)程3-4，有注意到 ，對(duì)于定熵膨脹過(guò)程4-5，有把以上各溫度代入熱效率公式（A），得  

63、                                                  (12-3)

64、0; 分析上式說(shuō)明，混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比 、定容升壓比 兩者的增大而增大，隨定壓預(yù)脹比 的減小而增大。    如果混合加熱循環(huán)的定壓預(yù)脹比 ，即為定容加熱循環(huán)，其熱效率為                                

65、;                                                  

66、0;    (12-4)如果定容升壓比 ，即為定壓加熱循環(huán)，其熱效率為                                          

67、60;                               (12-5)  1244 各種循環(huán)的熱效率比較 活塞式內(nèi)燃機(jī)各種循環(huán)的熱效率比較決定于實(shí)施循環(huán)時(shí)的條件，在不同條件下進(jìn)行比較可得到不同的結(jié)果。一般分別以壓縮比、吸熱量、放熱量、循環(huán)最高壓力、循環(huán)最高溫度和循環(huán)初始

68、狀態(tài)相同作為比較熱效率的條件。    1.壓縮比 和吸熱量q1相同時(shí)的比較    圖12-12中，1-2-4¢-5¢-1為定容加熱循環(huán)，1-2-3-4-5-1為混合加熱循環(huán)，1-2-4²-5²-1為定壓加熱循環(huán)。在所給條件下 相同，三種循環(huán)的絕熱壓縮線1-2重合，由于各循環(huán)的q1相同，而過(guò)點(diǎn)2的定容線比定壓線陡，則4¢-5¢線必在最左邊，4-5線居中，4²-5²線在最右邊。因此，三種循環(huán)的放熱量q2不同，且有面積15¢bal<面積15cal

69、<面積15²dal即                              所以，循環(huán)熱效率為             同樣，也可對(duì)各循環(huán)的吸熱平均溫度和放熱平均溫度進(jìn)行比較。從圖12-12可以看出根

70、據(jù) ，從而也可以得出上述的結(jié)果。    上述比較說(shuō)明，從熱力學(xué)分析來(lái)看，e 和q1相同時(shí)定容加熱比定壓加熱對(duì)循環(huán)有利。這是由于定容加熱循環(huán)有較高的吸熱平均溫度和較低的放熱平均溫度之故。    實(shí)際應(yīng)用中，三種循環(huán)的壓縮比各不相同，這是由于不同燃料的著火燃燒方式不同，而決定了采用不同的壓縮比。對(duì)于按定容加熱循環(huán)工作的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，如果壓縮比太高，則壓縮后可燃?xì)怏w的溫度超過(guò)其自燃溫度(汽油約為415)，以致在點(diǎn)火前產(chǎn)生不正常的燃燒，即發(fā)生所謂“爆燃”。發(fā)生爆燃時(shí)，氣缸內(nèi)發(fā)生金屬撞擊聲，氣缸過(guò)熱，發(fā)動(dòng)機(jī)功率及熱效率顯著下降，排氣冒黑煙等，嚴(yán)

71、重時(shí)甚至發(fā)生事故，故點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)通常取 。對(duì)于壓燃式內(nèi)燃機(jī)，因壓縮的是空氣，不會(huì)發(fā)生上述情況，壓縮比可取較大值，通常為 。壓縮比的下限值要使壓縮終了溫度能保證燃料自燃，壓縮比的上限值為考慮機(jī)械強(qiáng)度等因素所限定。    2循環(huán)最高壓力和最高溫度相同時(shí)的比較                           &

72、#160;                   如圖12-13所示，1-2¢-4-5-1為定容加熱循環(huán)，1-2-3-4-5-1為混合加熱循環(huán)，1-2²-4-5-1為定壓加熱循環(huán)。在所給的條件下，三種循環(huán)的最高壓力、最高溫度點(diǎn)重合在點(diǎn)4，而三種循環(huán)的壓縮比各不相同。從圖中可看出，三種循環(huán)的放熱量q2都相同，都等于面積15bal，而加入的吸熱量q1各不相同，且即   &#

73、160;    所以，循環(huán)熱效率為        同樣，因?yàn)?#160;       而 相等，也可得出上述結(jié)果。    這三種循環(huán)可以在其它條件下作比較，所得的結(jié)論是：在壓縮比相等的情況下，定容加熱循環(huán)具有較高的熱效率；在除此之外的所有情況下，當(dāng)定壓加熱循環(huán)的壓縮比大于定容加熱循環(huán)時(shí)，定壓加熱循環(huán)具有較高的熱效率，而混合加熱循環(huán)介于兩者之間。    活塞式內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。    例題12-3  內(nèi)燃機(jī)定容加熱循環(huán)的初始狀態(tài)為 。壓縮比e=8，對(duì)每千克