1章1内燃机循环与效率.ppt

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1、第一章内燃机循环与效率,高等内燃机学,高等内燃机学先修课程为内燃机学,本章内容,第一节 内燃机效率与理论循环,第二节 追求效率的机型,注重历史,稀薄分层燃烧,100年前的思路,欧3欧4收口式燃烧室,6070年已有的技术,绝热发动机,7080年代广泛研究,重新受到重视,第一节 内燃机效率与理论循环,提高效率一直是推动技术发明、发展的永恒动力。技术一旦上升到理论层面会使技术得到飞跃发展。,1876年德国人奥托提出并研制了推动第二次工业革命的四冲程内燃机e=14%,1.在下止点附近燃烧，膨胀不充分；2.没有压缩过程，压缩比1；3.还要借助于大气压力使活塞复位,1860年法国人勒诺瓦尔研制的二冲程内燃

2、机e=4.5%,1862年法国铁路工程师罗沙提出现代四冲程内燃机,循环功：示功图围成的面积代数和，顺时针为正，逆时针为负,奥托四冲程内燃机的启示,奥托发动机效率高的根本原因是通过压缩过程提高了压缩比。重要贡献让人们认识到：要提高效率就要提高压缩比！,奥托循环Otto Cycle,要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。,Va气缸总容积Vc燃烧室容积Vs工作容积,一 内燃机循环理论,1.卡诺循环理论卡诺其人、其书、其预言(奥托机前52年，1824年，卡诺28岁),卡诺服役期间出版了一本热力发动机的研究与考察一书。5060年后人们才真正认识该书的重要性和先见性。,1）卡诺循环；2）压缩比与效率的

3、结论；3）发动机评价体系；4）对蒸汽机未来发展的预言。,1 卡诺循环理论,2）压缩比与效率 卡诺通过大量统计、研究得出：要想提高发动机的效率必须提高压缩比。,1）卡诺循环 工作在高低温热源间热机所能达到的最高理论效率：carnot=1-T1/T2 卡诺循环的弱点:Pzmax很高；循环指示功很低。,S=dQ/T,1 卡诺循环理论,4）对蒸汽机未来发展的预言 在蒸汽机的鼎盛时期，作出了蒸汽机必将被另一种发动机所代替的预言。蒸汽机实现高温、高压缩比都很困难。,3）发动机评价体系 提出了非常全面的发动机评价指标体系：动力性、经济性、可靠性、适应性、紧凑性等。,理论循环,一卡诺循环Carnot Cycl

4、e二奥托循环Otto Cycle（等容加热循环）三笛塞尔循环Diesel Cycle（等压加热循环）四混合循环（双烧循环）Dual Combustion Cycle,1斯特林循环（外燃）2埃里可森循环3米勒循环4阿特金森循环5.布雷登循环6.兰肯循环7.增压发动机理论循环,2 内燃机理论循环与实际循环,理论循环假设（1）工质为理想气体。不考虑进排气过程，无工质交换；（2）燃烧过程用缸外热源加热代替；（3）以向低温热源放热代替向大气换热，保证缸内工质温度、压力复原；（4）压缩与膨胀过程均为可逆过程。,奥托循环与迪赛尔循环,奥托循环Otto Cycle,低速汽油机接近奥托循环,迪赛尔循环Diese

5、l Cycle,早期低速柴油机接近迪赛尔循环,k=cp/cv等熵指数；c=V1/V2为压缩比；0=Vc/Vb为初始膨胀比。,双烧循环,双烧循环Dual Combustion Cycle,现代高速汽油机、柴油机接近双烧循环,k=cp/cv为等熵指数c=Va/Vc为压缩比p=pc/pb为压力升高比0=Vd/Vc为初始膨胀比,理论循环对比,V,p,V,p,V,p,V,p,p,V,定容燃烧,定压燃烧,双烧循环,要保证同样爆压，压缩比要很高,节流定容循环,换气为负功，要保证同样爆压，要增加燃料量,增压定容循环,换气为正功，要保证同样爆压，可减少燃料量,现代内燃机理论循环,（%）等容 等压 等温现代柴油机

6、：30 50 20现代汽油机：50 30 20,=相同，ottodualdiesel,Pzmax=相同，dualdiesel otto,实际汽油机由于爆燃的原因，远低于柴油机，因此汽油机的效率低于柴油机。,由于工质改变,燃烧、传热、换气、流动,内燃机实际循环,实际循环与理论循环的区别：1）实际工质（燃气空气循环）（1）工质成分在燃烧中是变化的（2）工质比热容随温度上升而增大（3）高温分解（4）燃烧前后分子数发生变化2）传热损失3）燃烧时间损失（燃烧、喷油速度）4）燃烧损失（后燃、不完全燃烧）5）换气损失6）涡流和节流损失7）泄漏损失,1）工质,1）工质：考虑实际工质（燃气空气循环）（1）工质成

7、分在燃烧中是变化的 三原子分子变多，Cp、Cv变大，意味着，加入同样的热量，温度增加减小，热功转换能力下降；（2）工质比热容随温度上升而增大 T增加，Cp、Cv变大，同样热功转换不利。,（3）高温分解 上止点附近分解、吸热远离上止点合成、放热，但热量的利用律下降。汽油机Tzmax柴油机Tzmax,（4）燃烧前后分子数发生变化 分子数变化系数对液体燃料1，对气体燃料1。,2)传热损失、3)涡流和节流损失,2）传热损失 对流、柴油机辐射（燃烧段占总传热的15-20%）压缩冲程前段工质升温不利于进气，后期降温不利于起动、油混合、燃烧；膨胀段温差大、湍流度高，传热大，不利于热功转换。3）涡流和节流损失

8、 缸内涡流有好处、也有缺点，不同工况对缸内涡流的要求不一样；节流损失主要指分隔式燃烧室。,涡流和节流损失,涡流和节流损失节流损失主要指分隔式燃烧室。,4）换气损失,理论循环是向冷源等容放热，属闭式循环；而实际与外界有工质交换，属开式循环；由于进排气流动损失与节流损失，将使进排气过程产生泵气损失另：由于气门提前开启引起的损失 换气损失由于进排气门节流、工质更换引起的损失 泵气损失 归入机械损失。,5）燃烧时间损失,5）燃烧时间损失（燃烧、喷油速度）燃烧的进行需要足够的时间。为了尽可能使燃油在上止点附近燃烧，喷油需要提前。,燃烧速度的有限性所引起的：压缩负功增加最高压力下降初期膨胀比减小，等温燃烧

9、增加,6）燃烧损失,6）燃烧损失（后燃、不完全燃烧）不完全燃烧（a 1；混合不良；局部过稀、未燃、熄火）后燃问题（不能保证等压燃烧段。柴油机喷油后期油压降低、喷油速率降低、雾化差、PT降低、混合变难）7）泄漏损失,各种效率的一般范围,当T1=300K，T2=2500K，carnot=0.88,二 其它工作循环高效率循环,1.Miller（米勒1951）循环（下止点前即关闭进气门）,米勒循环（a）低速汽油机（b）高速柴油机,循环指示功-不考虑泵气,1.米勒循环,Miller（米勒1951）循环的优点（早关进气门）,（1）对汽油机：不能提高，膨胀比增加效率高（2）进气门关闭后，工质膨胀冷却、压缩终

10、了压力低。适用于高增压柴油机。在同样的压缩终了压力情况下，米勒循环的实际压缩比高（温度低）,如果发动机实现了配气相位可调：（3）实现实际压缩比可调，利于不同工况的稳定工作。起动、低负荷。（4）代替增压可调。（实际压缩比c*c）,顾氏系统,进气实现了米勒循环高负荷抑制pzmax低负荷正常进气。压缩比高 提高低负荷性能 代替可变增压低温循环（高负荷时，降低压缩比、进气膨胀冷却）降低气缸热负荷NOx低高增压时(不放气)，代替动力涡轮。进气膨胀功高，效率高、功率大。,2.阿特金森循环,2）阿特金森循环（大幅度晚关进气门）,类似米勒循环，但没有进气门关闭后，工质膨胀冷却的特点。空气在缸内停留的时间长，温度较高,泵气损失高于米勒循环。适用于低负荷。如用于中、低负荷的“柴油均质燃烧HCCI”。（实际压缩比可调，但不降温）优点：通过普通可调机构、易于实现（调节范围要求低）,米勒循环,阿特金森循环,3.可调工作循环,3）可调工作循环的内燃机往复式结构,优点：（1）可变压缩比、变膨胀比，变工作容积；（2）使活塞在上止点的停留时间加长，以利于提高等容度。,缺点：（1）机构复杂、体积大，侧压力大。,提高效率的四大途径,1）提高热能转换效率2）杜绝散热能损失（绝热发动机）3）回收排气能（复合发动机）4）有效利用发动机输出功，降低各种损失（对整车更关键）。,