內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)

內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)一、燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)理想循環(huán)為布雷頓循環(huán)（BraytonCycle）,它是工質(zhì)連續(xù)流動(dòng)做功的一種輪機(jī)循環(huán)，如圖1所示。它既可作內(nèi)燃布雷頓循環(huán)，又可作外燃布雷頓循環(huán)。內(nèi)燃的布雷頓循環(huán)為開式循環(huán)，常用工質(zhì)為空氣或燃?xì)狻Ｍ馊嫉牟祭最D循環(huán)是閉式循環(huán)，通過熱交換器對(duì)工質(zhì)加熱，在另一熱交換器排出工質(zhì)余熱。循環(huán)過程為：工質(zhì)在壓氣機(jī)中等熵壓縮1-2,在燃燒室（或熱交換器中）等壓加熱2-3，在燃?xì)廨啓C(jī)中等熵膨脹3-4和等壓排氣4-1。圖1燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的指示熱效率為k-1n.=1-兀k式中，兀c為壓氣機(jī)中氣體的壓比，k為比熱比。燃?xì)廨啓C(jī)開式循環(huán)常與內(nèi)燃機(jī)基本循環(huán)配合使用。二、渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)將渦輪增壓技術(shù)（或燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)）應(yīng)用到內(nèi)燃機(jī)上是內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的一項(xiàng)重大技術(shù)發(fā)展。一方面內(nèi)燃機(jī)希望獲得更多的進(jìn)氣（或可燃混合氣）充量，以提高內(nèi)燃機(jī)的功率和熱效率；另一方面從內(nèi)燃機(jī)排出的高溫、高壓廢氣能導(dǎo)入燃?xì)鉁u輪中再作功，推動(dòng)與燃?xì)鉁u輪相連（同軸）的壓氣機(jī)來提高進(jìn)氣（或可燃混合氣）的壓力供給內(nèi)燃機(jī)，這樣就成為渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)。渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)有等壓渦輪和變壓渦輪兩種系統(tǒng)，它們的熱力循環(huán)也有所不同。1.恒壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)圖2是等壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)。它由內(nèi)燃機(jī)基本循環(huán)1一2—3’一3—4一1和燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)7—1一5—6—7組成。

圖2等壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)壓氣機(jī)將氣體從狀態(tài)7（大氣壓力p）等熵壓縮到狀態(tài)1（壓力為p）之后進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)。按內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)到達(dá)狀態(tài)4。氣體在排氣過程進(jìn)入等壓渦輪時(shí)由于排氣門的節(jié)流損失和排氣動(dòng)能在排氣總管內(nèi)的膨脹、摩擦、渦流等損失而變成熱能，氣體溫度升高，體積膨脹而到達(dá)狀態(tài)5。氣體從4一5這部分能量沒有利用，對(duì)內(nèi)燃機(jī)來說相當(dāng)于從狀態(tài)4直接回到狀態(tài)1。氣體在等壓渦輪中從狀態(tài)5等熵膨脹到狀態(tài)6,然后排入大氣。2.變壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)變壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)如圖3。與等壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)不同，變壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)中氣體從狀態(tài)4進(jìn)入變壓渦輪中排氣能量不會(huì)由于排氣管突然變粗而膨脹損失，進(jìn)入變壓渦輪前的氣體壓力在p與P之間變化。如不計(jì)氣體流動(dòng)中的摩擦損失，氣體在渦輪中的膨脹從開始排氣時(shí)的P-P到J最后的P一P（因?yàn)楹竺鎻臍飧字信懦龅臍怏w壓力不斷下降）。圖3變壓渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的等容放熱過程4一1可看成為渦輪的等容加熱過程1一4，然后為氣體在渦輪內(nèi)的等熵膨脹4一5。5—6為等壓放熱過程。6—1為氣體在壓氣機(jī)中的等熵壓縮過程。三、渦輪增壓中冷內(nèi)燃機(jī)熱力循環(huán)

渦輪增壓中冷內(nèi)燃機(jī)循環(huán)是在渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的基礎(chǔ)上將經(jīng)壓氣機(jī)出口進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管的空氣進(jìn)行預(yù)先冷卻，即空氣從狀態(tài)1'一3變?yōu)?一2（圖4）,冷卻帶走的熱量為Q，以增加進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣充量，降低循環(huán)溫度，特別是降低燃?xì)獾淖罡邷囟?，有利于抑制、減少NOx的排放。圖4渦輪增壓中冷柴油機(jī)的熱力循環(huán)圖4渦輪增壓中冷柴油機(jī)的熱力循環(huán)渦輪增壓中冷內(nèi)燃機(jī)循環(huán)指示熱效率為人pK-1+K("-1)W-1)￡k-1[(人一1)+k以p-1)]0式中，后膨脹比；E=V/V為內(nèi)燃機(jī)壓縮比；入=P比。E=V1/V2為壓氣機(jī)的壓縮比；，p式中，后膨脹比；E=V/V為內(nèi)燃機(jī)壓縮比；入=P比。1 ― 65...、 23... 76234 .. . 5/P4為壓力升高比；E0=E盧2為增壓內(nèi)燃機(jī)總壓圖中，Q為內(nèi)燃機(jī)中氣體等容加熱量；Q為內(nèi)燃機(jī)中氣體等壓加熱量；Q為渦輪中氣體等壓加熱量；Q1為內(nèi)燃機(jī)中氣體等容放熱量；Q2為渦輪中氣體等壓放熱量；Q為中冷器中氣體冷卻量。如無中冷，W=1，貝U 5 6XpK—1￡k—1[(人—1)+KX(p—1)]0四、阿特金森熱力循環(huán)（AtkinsonCycle）四、阿特金森循環(huán)（圖5）是一種內(nèi)燃機(jī)循環(huán)。它與奧托循環(huán)的差別在于排氣過程是等壓而不是等容。如p—V圖，T-S圖所示。在相同工質(zhì)數(shù)量和加熱量的條件下，它有較大的膨脹功，所以熱效率高。

圖5阿特金森熱力循環(huán)阿特金森循環(huán)曾應(yīng)用于沙金(Sargent)煤氣機(jī)上(圖6)。煤氣與空氣的混合氣以大氣壓力。0進(jìn)入氣缸，當(dāng)活塞向下死點(diǎn)運(yùn)行至3S/4行程時(shí)，進(jìn)氣門就關(guān)閉，在其余S/4行程內(nèi)混合氣體就在氣缸中沿。aa”線膨脹至低于大氣壓的a”點(diǎn)，當(dāng)活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)混合氣仍沿a”a線，并繼續(xù)絕熱壓縮到c點(diǎn)。其后，工質(zhì)繼續(xù)被絕熱壓縮至上死點(diǎn)c。在c點(diǎn)點(diǎn)火并按等容過程進(jìn)行燃燒。由于膨脹行程比壓縮行程約大1/4，阿特金森循環(huán)功比奧托循環(huán)功增加相當(dāng)于陰影面積。但實(shí)際上因膨脹后期膨脹壓力較低，膨脹功并不大。如果設(shè)計(jì)與制造水平不高，減去摩擦功及散熱量的增加最后所得無幾，反而使結(jié)構(gòu)復(fù)雜。自由活塞壓氣機(jī)和燃?xì)鉁u輪組成的內(nèi)燃機(jī)循環(huán)可近似看成這種循環(huán)。圖6沙金煤氣機(jī)熱力循環(huán)五、米勒熱力循環(huán)(MillerCycle)米勒熱力循環(huán)是1951年由米勒提出。在汽油機(jī)或煤氣機(jī)部分負(fù)荷工作時(shí)通過調(diào)節(jié)配氣定時(shí)，可以減小泵氣損失，使氣缸內(nèi)工質(zhì)的膨脹比大于壓縮比，如圖7(a)中的膨脹線3-4和壓縮線1-2,以改善汽油機(jī)或煤氣機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的效率下降。在相同的壓縮比下，米勒循環(huán)熱效率要比阿特金森循環(huán)熱效率高。在由于爆燃而限制汽油機(jī)壓縮比提高的情況下，增大膨脹比可改善循環(huán)的指示效率。在柴油機(jī)上米勒熱力循環(huán)是阿特金森熱力循環(huán)在高增壓內(nèi)燃機(jī)上的發(fā)展與應(yīng)用。其實(shí)質(zhì)是低溫高增壓，即利用提前關(guān)閉進(jìn)氣門使進(jìn)氣充量減小，并在進(jìn)氣行程中在氣缸內(nèi)繼續(xù)膨脹、冷卻，實(shí)現(xiàn)可變壓縮比和不變的膨脹比。用于柴油機(jī)上的米勒熱力循環(huán)如圖7（b）、（c）。圖7米勒熱力循環(huán)（a）汽油機(jī)方式；（b）、（c）柴油機(jī)方式在較高的進(jìn)氣壓力P與不變的壓縮比￡下，依靠不同程度提前關(guān)閉進(jìn)氣門，以適應(yīng)不同的增壓壓力，從而自動(dòng)誦整實(shí)際壓縮比，維持壓縮終了壓力p和最大爆發(fā)壓力P不變，完成acz’zba’a熱力循環(huán)。其余的排氣能量bb'a”則在廢氣渦輪中利用并推動(dòng)壓氣機(jī)作功。壓氣機(jī)將空氣壓力從P提高到P（在a”b”膨脹線上或在b”a”壓縮線上）。一般增壓的內(nèi)燃機(jī)熱*力循環(huán)與米勒熱力循環(huán)的比較如圖8，其熱力參數(shù)如表1。米勒循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)為：在相同的壓縮終了壓力P2下允許達(dá)到較高的平均有效壓力P；指示熱效率〃高；2 6在起動(dòng)與低負(fù)荷時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好；可獲得較高的容積效率，特別是可改善內(nèi)燃機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)空氣量的不足；在膨脹終了溫度t5及燃燒最高溫度t4基本不變時(shí)可大幅度提高平均有效壓力p，因而可保證高增壓內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷不變。 6

圖8一般增壓內(nèi)燃機(jī)與高增壓米勒熱力循環(huán)內(nèi)燃機(jī)比較（a）一般增壓循環(huán)；（b）較高增壓米勒循環(huán)；（c）高增壓米勒循環(huán)表1不同循環(huán)方式的熱力參數(shù)比較一般增壓循環(huán)較高增壓米勒循環(huán)高增壓米勒循環(huán)增壓壓力^/MPa0.290-51.0壓縮比E1】.27.64.6平均有效壓力A/MPa2,072.58幻89 |進(jìn)氣溫度El/C90909。壓縮終了溫度盤七681597544燃燒溫度心1033918844燃燒最高溫度tJ'C171717271712膨脹終了溫度女/宅941977955米勒循環(huán)適用于大缸徑的中、低速柴油機(jī)上，在長(zhǎng)沖程發(fā)動(dòng)機(jī)上能充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。六、多缸內(nèi)燃機(jī)保持最佳熱效率的各種熱力循環(huán)內(nèi)燃機(jī)特別是移動(dòng)式（車輛、船只）內(nèi)燃機(jī)其工作負(fù)荷是變化的，因而其熱力循環(huán)參數(shù)是不同的。在部分負(fù)荷時(shí)循環(huán)熱效率大為降低。為了保持最佳熱效率，在多缸內(nèi)燃機(jī)上，特別是在高增壓的柴油機(jī)上采用停缸、充量轉(zhuǎn)換和順序增壓等熱力循環(huán)方式。1.停（關(guān)）缸在多缸高增壓柴油機(jī)上，由于要限制柴油機(jī)內(nèi)燃?xì)獾淖畲蟊l(fā)壓力和最高溫度，都要適當(dāng)降低壓縮比￡（視增壓度高低￡=10?14）。但在部分負(fù)荷或小負(fù)荷時(shí)會(huì)使起動(dòng)困難，燃燒惡化，有害氣體排放增加。在此情況下與其各個(gè)氣缸的熱力循環(huán)都不好，不如關(guān)掉一些缸而讓另一些氣缸在最好的熱力循環(huán)下工作。德國(guó)MTU公司396-03系列增壓柴油機(jī)采用的關(guān)缸技術(shù)是將柴油機(jī)的氣缸分為兩組。同軸的噴油泵齒桿分別控制供給該兩組氣缸油量的噴油泵柱塞。在液壓油的作用下同軸的噴油泵齒桿可以相對(duì)移動(dòng)，使一組氣缸供油，一組氣缸不供油。2.停缸與充量轉(zhuǎn)換高增壓柴油機(jī)當(dāng)壓縮比￡=8.5?12時(shí)，壓縮終了氣體壓力和溫度都大幅度下降，起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)速低，在氣缸上也沒有形成有效的油膜，氣缸內(nèi)漏氣量也明顯增加（約為壓縮開始時(shí)氣缸內(nèi)充氣量的80%?85%），這些都使柴油機(jī)的起動(dòng)十分困難，燃燒也不好。為此可采用氣缸充量轉(zhuǎn)換方式，將停缸（也即供氣缸）的壓縮空氣通入工作缸（也即充氣缸）內(nèi)。為了保證供氣壓力和正確的配氣相位，供氣缸必須比充氣缸提早50°?120°曲軸轉(zhuǎn)角，即充氣缸開始?jí)嚎s，供氣缸已處在壓縮階段。供氣時(shí)刻約在充氣缸進(jìn)氣門剛關(guān)閉時(shí)，供氣延續(xù)到充氣缸壓縮上止點(diǎn)前40°?80°曲軸轉(zhuǎn)角，這時(shí)供氣缸內(nèi)的氣體壓力仍約略高于充氣缸內(nèi)的氣體壓力。這種充量轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)方式在低轉(zhuǎn)速時(shí)效果明顯。轉(zhuǎn)換的空氣充量約為充氣缸開始?jí)嚎s時(shí)空氣量的30%。壓縮終了溫度約可提高70°C，壓縮比則可比原值提高3。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1000r/min，由于充量轉(zhuǎn)換閥（機(jī)械的、氣動(dòng)的或電動(dòng)的單向閥）、管路等的壓力損失及空氣轉(zhuǎn)送時(shí)間減小而使轉(zhuǎn)送的空氣質(zhì)量減少。3.停止增壓或部分增壓為改善增壓內(nèi)燃機(jī)部分負(fù)荷的熱力循環(huán)，也可采用相當(dāng)于上面所說的關(guān)缸方式，不過它不是關(guān)掉內(nèi)燃機(jī)的某些氣缸，而是讓渦輪增壓器不工作，這時(shí)增壓內(nèi)燃機(jī)就成為非增壓內(nèi)燃機(jī)，或讓其中一個(gè)渦輪增壓器（如果有兩個(gè)并聯(lián)的渦輪增壓器，即單級(jí)增壓或有兩個(gè)串聯(lián)的渦輪增壓器，即兩級(jí)增壓）不工作，使渦輪增壓器始終在高效率區(qū)運(yùn)行，從而可保證增壓內(nèi)燃機(jī)在最好的熱力循環(huán)下運(yùn)行。停止增壓或部分增壓的主要裝置是在渦輪和壓氣機(jī)的進(jìn)口處分別安裝控制閥和止回閥。進(jìn)、排氣管也作相應(yīng)