《內(nèi)燃機循環(huán)與效率》教學課件

1、第一章內(nèi)燃機循環(huán)與效率高等內(nèi)燃機學第1頁，共29頁。高等內(nèi)燃機學先修課程為內(nèi)燃機學第2頁，共29頁。本章內(nèi)容第一節(jié) 內(nèi)燃機效率與理論循環(huán) 第二節(jié) 追求效率的機型 第3頁，共29頁。注重歷史稀薄分層燃燒100年前的思路歐3歐4收口式燃燒室6070年已有的技術(shù)絕熱發(fā)動機7080年代廣泛研究重新受到重視第4頁，共29頁。第一節(jié) 內(nèi)燃機效率與理論循環(huán) 提高效率一直是推動技術(shù)發(fā)明、發(fā)展的永恒動力。 技術(shù)一旦上升到理論層面會使技術(shù)得到飛躍發(fā)展。1876年德國人奧托提出并研制了推動第二次工業(yè)革命的四沖程內(nèi)燃機e=14%p0Vp0大氣壓式內(nèi)燃機示功圖1. 在下止點附近燃燒，膨脹不充分；2.沒有壓縮過程，壓縮比

2、1；3.還要借助于大氣壓力使活塞復位1860年法國人勒諾瓦爾研制的二沖程內(nèi)燃機e=4.5%1862年法國鐵路工程師羅沙提出現(xiàn)代四沖程內(nèi)燃機循環(huán)功：示功圖圍成的面積代數(shù)和， 順時針為正，逆時針為負 第5頁，共29頁。奧托四沖程內(nèi)燃機的啟示 奧托發(fā)動機效率高的根本原因是通過壓縮過程提高了壓縮比。 重要貢獻讓人們認識到：要提高效率就要提高壓縮比！奧托循環(huán)Otto Cycle要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。 Va氣缸總?cè)莘eVc燃燒室容積Vs工作容積第6頁，共29頁。一 內(nèi)燃機循環(huán)理論1.卡諾循環(huán)理論卡諾其人、其書、其預言(奧托機前52年，1824年，卡諾28歲) 卡諾服役期間出版了一本熱力發(fā)

3、動機的研究與考察一書。5060年后人們才真正認識該書的重要性和先見性。1）卡諾循環(huán)；2）壓縮比與效率的結(jié)論；3）發(fā)動機評價體系；4）對蒸汽機未來發(fā)展的預言。 第7頁，共29頁。1 卡諾循環(huán)理論 2）壓縮比與效率 卡諾通過大量統(tǒng)計、研究得出：要想提高發(fā)動機的效率必須提高壓縮比。1）卡諾循環(huán) 工作在高低溫熱源間熱機所能達到的最高理論效率：carnot=1-T1/T2 卡諾循環(huán)的弱點: Pzmax很高；循環(huán)指示功很低。S=dQ/T第8頁，共29頁。1 卡諾循環(huán)理論4）對蒸汽機未來發(fā)展的預言 在蒸汽機的鼎盛時期，作出了蒸汽機必將被另一種發(fā)動機所代替的預言 。蒸汽機實現(xiàn)高溫、高壓縮比都很困難。 3）發(fā)動

4、機評價體系 提出了非常全面的發(fā)動機評價指標體系：動力性、經(jīng)濟性、可靠性、適應性、緊湊性等。第9頁，共29頁。理論循環(huán)一卡諾循環(huán)Carnot Cycle二奧托循環(huán)Otto Cycle（等容加熱循環(huán)）三笛塞爾循環(huán)Diesel Cycle（等壓加熱循環(huán)）四混合循環(huán)（雙燒循環(huán)）Dual Combustion Cycle1斯特林循環(huán)（外燃）2埃里可森循環(huán)3米勒循環(huán)4阿特金森循環(huán)5. 布雷登循環(huán)6. 蘭肯循環(huán)7. 增壓發(fā)動機理論循環(huán)第10頁，共29頁。2 內(nèi)燃機理論循環(huán)與實際循環(huán) 理論循環(huán)假設（1）工質(zhì)為理想氣體。不考慮進排氣過程，無工質(zhì)交換；（2）燃燒過程用缸外熱源加熱代替；（3）以向低溫熱源放熱代替向

5、大氣換熱，保證缸內(nèi)工質(zhì)溫度、壓力復原；（4）壓縮與膨脹過程均為可逆過程。 第11頁，共29頁。奧托循環(huán)與迪賽爾循環(huán) 奧托循環(huán)Otto Cycle低速汽油機接近奧托循環(huán)迪賽爾循環(huán)Diesel Cycle早期低速柴油機接近迪賽爾循環(huán)k= cp/cv等熵指數(shù)；c=V1/V2為壓縮比；0=Vc/Vb為初始膨脹比。第12頁，共29頁。雙燒循環(huán)雙燒循環(huán)Dual Combustion Cycle現(xiàn)代高速汽油機、柴油機接近雙燒循環(huán)k= cp/cv為等熵指數(shù)c=Va/Vc為壓縮比p=pc/pb為壓力升高比0=Vd/Vc為初始膨脹比第13頁，共29頁。理論循環(huán)對比VpVpVpVppV定容燃燒定壓燃燒雙燒循環(huán)要保證

6、同樣爆壓，壓縮比要很高節(jié)流定容循環(huán)換氣為負功，要保證同樣爆壓，要增加燃料量增壓定容循環(huán)換氣為正功，要保證同樣爆壓，可減少燃料量第14頁，共29頁?，F(xiàn)代內(nèi)燃機理論循環(huán)（%） 等容 等壓 等溫現(xiàn)代柴油機：30 50 20現(xiàn)代汽油機：50 30 20=相同，ottodualdieselPzmax=相同，dualdiesel otto實際汽油機由于爆燃的原因， 遠低于柴油機，因此汽油機的效率低于柴油機。第15頁，共29頁。由于工質(zhì)改變?nèi)紵?、傳熱、換氣、流動內(nèi)燃機實際循環(huán)實際循環(huán)與理論循環(huán)的區(qū)別：1）實際工質(zhì)（燃氣空氣循環(huán)） （1）工質(zhì)成分在燃燒中是變化的 （2）工質(zhì)比熱容隨溫度上升而增大 （3）高溫分

7、解 （4）燃燒前后分子數(shù)發(fā)生變化2）傳熱損失3）燃燒時間損失（燃燒、噴油速度） 4）燃燒損失（后燃、不完全燃燒）5）換氣損失6）渦流和節(jié)流損失7）泄漏損失第16頁，共29頁。1）工質(zhì)1）工質(zhì) ：考慮實際工質(zhì)（燃氣空氣循環(huán)）（1）工質(zhì)成分在燃燒中是變化的 三原子分子變多，Cp、Cv變大，意味著，加入同樣的熱量，溫度增加減小，熱功轉(zhuǎn)換能力下降； （2）工質(zhì)比熱容隨溫度上升而增大 T增加，Cp、Cv變大，同樣熱功轉(zhuǎn)換不利。 （3）高溫分解 上止點附近分解、吸熱遠離上止點合成、放熱，但熱量的利用律下降。汽油機Tzmax柴油機Tzmax（4）燃燒前后分子數(shù)發(fā)生變化 分子數(shù)變化系數(shù)對液體燃料1，對氣體燃料

8、1。 第17頁，共29頁。2)傳熱損失、3)渦流和節(jié)流損失2）傳熱損失 對流、柴油機輻射（燃燒段占總傳熱的15-20%） 壓縮沖程前段工質(zhì)升溫不利于進氣，后期降溫不利于起動、油混合、燃燒； 膨脹段溫差大、湍流度高，傳熱大，不利于熱功轉(zhuǎn)換。 3）渦流和節(jié)流損失 缸內(nèi)渦流有好處、也有缺點，不同工況對缸內(nèi)渦流的要求不一樣；節(jié)流損失主要指分隔式燃燒室。第18頁，共29頁。渦流和節(jié)流損失渦流和節(jié)流損失節(jié)流損失主要指分隔式燃燒室。 第19頁，共29頁。4）換氣損失 理論循環(huán)是向冷源等容放熱，屬閉式循環(huán)；而實際與外界有工質(zhì)交換，屬開式循環(huán)；由于進排氣流動損失與節(jié)流損失，將使進排氣過程產(chǎn)生泵氣損失另：由于氣門

9、提前開啟引起的損失 換氣損失由于進排氣門節(jié)流、工質(zhì)更換引起的損失 泵氣損失 歸入機械損失。 第20頁，共29頁。5）燃燒時間損失5）燃燒時間損失（燃燒、噴油速度） 燃燒的進行需要足夠的時間。為了盡可能使燃油在上止點附近燃燒，噴油需要提前。 燃燒速度的有限性所引起的：壓縮負功增加最高壓力下降初期膨脹比減小，等溫燃燒增加第21頁，共29頁。6）燃燒損失6）燃燒損失（后燃、不完全燃燒） 不完全燃燒（a 1；混合不良；局部過稀、未燃、熄火） 后燃問題（不能保證等壓燃燒段。柴油機噴油后期油壓降低、噴油速率降低、霧化差、PT降低、混合變難）7）泄漏損失第22頁，共29頁。各種效率的一般范圍 當T1=300

10、K，T2=2500K， carnot=0.88狀態(tài)關(guān)系dieselotto空氣標準循環(huán)air0.650.70.550.6燃氣空氣循環(huán)relrel=(0.70.8)air0.50.45傳熱損失 th燃燒損失 定時性th 完全性th換氣損失 thg=0.85rel0.430.460.370.40泵氣損失摩擦損失m=(0.80.9) g0.370.420.30.33第23頁，共29頁。二 其它工作循環(huán)高效率循環(huán)1. Miller（米勒1951）循環(huán)（下止點前即關(guān)閉進氣門）米勒循環(huán)（a）低速汽油機（b）高速柴油機循環(huán)指示功-不考慮泵氣第24頁，共29頁。1. 米勒循環(huán)Miller（米勒1951）循環(huán)的

11、優(yōu)點（早關(guān)進氣門）（1）對汽油機：不能提高，膨脹比增加效率高（2）進氣門關(guān)閉后，工質(zhì)膨脹冷卻、壓縮終了壓力低。適用于高增壓柴油機。在同樣的壓縮終了壓力情況下，米勒循環(huán)的實際壓縮比高（溫度低）一般增壓循環(huán)較高增壓米勒循環(huán)高增壓米勒循環(huán)如果發(fā)動機實現(xiàn)了配氣相位可調(diào)：（3）實現(xiàn)實際壓縮比可調(diào)，利于不同工況的穩(wěn)定工作。起動、低負荷。（4）代替增壓可調(diào)。 （ 實際壓縮比c * *c）第25頁，共29頁。顧氏系統(tǒng)進氣實現(xiàn)了米勒循環(huán)高負荷抑制pzmax低負荷正常進氣。壓縮比高 提高低負荷性能 代替可變增壓低溫循環(huán)（高負荷時，降低壓縮比、進氣膨脹冷卻）降低氣缸熱負荷NOx低高增壓時(不放氣)，代替動力渦輪。進氣膨脹功高，效率高、功率大。第26頁，共29頁。2. 阿特金森循環(huán)2）阿特金森循環(huán)（大幅度晚關(guān)進氣門） 類似米勒循環(huán)，但沒有進氣門關(guān)閉后，工質(zhì)膨脹冷卻的特點。空氣在缸內(nèi)停留的時間長，溫度較高,泵氣損失高于米勒循環(huán)。適用于低負荷。如用于中、低負荷的“柴油均質(zhì)燃燒HCCI”。（實際壓縮比可調(diào)，但不降溫）優(yōu)點：通過普通可調(diào)機構(gòu)、易于實現(xiàn)（調(diào)節(jié)范圍要求低）米勒循環(huán)阿特金森循環(huán)第27頁，共29頁。3. 可調(diào)工作循環(huán)3）可