工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)9-氣體動力循環(huán)課件

第九章

氣體動力循環(huán)動力循環(huán)研究目的和分類動力循環(huán)：工質(zhì)連續(xù)不斷地將從高溫?zé)嵩慈〉玫臒崃康囊徊糠洲D(zhuǎn)換成對外的凈功按工質(zhì)氣體動力循環(huán)：內(nèi)燃機蒸汽動力循環(huán)：外燃機空氣為主的燃?xì)獍蠢硐霘怏w處理水蒸氣等實際氣體研究目的：合理安排循環(huán)，提高熱效率和功率熱機的分類熱機內(nèi)燃機外燃機柴油機(壓燃式)汽油機(點燃式)燃?xì)廨啓C蒸汽輪機往復(fù)式蒸汽機熱氣機(斯特林發(fā)動機)燃?xì)?/p>

蒸汽聯(lián)合循環(huán)汽油機轉(zhuǎn)速高，質(zhì)量小，噪音小，起動容易，制造成本低；柴油機壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟性能和排放性能都比汽油機好。

汽油機與柴油機比較柴油機與汽油機比較，柴油機的壓縮比高，熱效率高，燃油消耗率低，同時柴油價格較低，因此，柴油機的燃料經(jīng)濟性能好，而且柴油機的排氣污染少，排放性能較好。但它的主要缺點是轉(zhuǎn)速低，質(zhì)量大，噪聲大，振動大，制造和維修費用高。

汽油機與柴油機比較二沖程由于燃油消耗率高、HC等排放嚴(yán)重而逐漸淘汰出摩托車用市場，但軍用小型無人航空飛行器卻因其體積小、重量輕、單位氣缸工作容積輸出功率大而仍被看好，但要解決電控汽油噴射技術(shù)甚至廢氣渦輪增壓技術(shù)。二沖程與四沖程比較理論上同樣發(fā)動機排量、同樣工作轉(zhuǎn)速的二沖程發(fā)動機其功率應(yīng)等于四沖程的二倍，實際上由于實際壓縮比小于名義壓縮比，氣缸內(nèi)進氣不足（進氣時間短，存在給氣和掃氣損失），只等于1.5~1.6倍。1、二沖程沒有配氣機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，容易維修。2、二沖程作功間隔短，發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，飛輪轉(zhuǎn)動慣量小，容易上高速。3、二沖程燃油消耗率遠(yuǎn)較四沖程的燃油消耗率高，HC等排放嚴(yán)重。4、5、動力循環(huán)研究方法實際動力循環(huán)非常復(fù)雜不可逆，多變指數(shù)變化，燃燒等工程熱力學(xué)研究方法，先對實際動力循環(huán)進行抽象和理想化，形成各種理想循環(huán)進行分析，最后進行修正。進氣行程排氣門關(guān)閉進氣門開啟活塞溫度370~400K，

壓力0.07~0.09MPa大氣壓力線PVra示功圖上止點下止點示功圖：表示活塞在不同位置時氣缸內(nèi)氣體壓力的變化情況。

壓縮行程進氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉活塞壓縮比：ε=Va/VcPVra示功圖大氣壓力線c上止點下止點溫度600~700K，

壓力0.6~1.5MPa作功行程進氣門關(guān)閉排氣門關(guān)閉活塞PVra示功圖大氣壓力線cZb上止點下止點瞬時最高：溫度2200~2800K，

壓力3~5MPa作功終了：溫度1300~1600K，

壓力0.3~0.5MPa

排氣行程進氣門關(guān)閉排氣門打開活塞PVr示功圖大氣壓力線cZb上止點下止點溫度900~1200K壓力0.105~0.115MPa殘余廢氣二、四沖程柴油機的工作原理噴油器排氣行程進氣門排氣門純空氣溫度300-370K壓力0.0785～0.0932MPa

溫度750-1000K壓力3-5MPa瞬時：溫度2000-2500K壓力6-9MPa溫度800-1000K壓力0.105-0.125MPa終了：溫度1200～1500k壓力0.2-0.4MPa吸氣行程壓縮行程作功行程四沖程柴油機工作過程343—4邊噴油，邊膨脹V125pp062’0t4可達(dá)1400~1800℃4

停止噴柴油4—5

多變膨脹：先吸后放熱V近似膨脹pp5=0.25~0.45MPat5600~700℃n=1.2~1.385—6開閥排氣，降壓6—0

活塞推排氣,完成循環(huán)四沖程柴油機動化演示二、四沖程柴油機的理想化條件1.

工質(zhì)略去燃油質(zhì)量，工質(zhì)數(shù)量不變定比熱理想氣體P-V圖p-v圖2.

0-1和6-0抵消開口閉口循環(huán)3.

定容與定壓燃燒外界加熱4.

排氣向外界放熱5.

多變壓縮及膨脹絕熱6.

不可逆可逆125pp062’034三、柴油機理想循環(huán)及其熱效率1234512345pvTs分析循環(huán)吸熱量，放熱量，熱效率和功量定義幾個柴油機特性參數(shù)12345pv壓縮比定容升壓比定壓預(yù)脹比反映氣缸容積反映供油規(guī)律柴油機特性參數(shù)的意義（1）壓縮比：壓縮前的比體積與壓縮后的比體積之比，絕熱壓縮過程中工質(zhì)被壓縮的程度，內(nèi)燃機工作體積大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（2）定容升壓比:

定容加熱后的壓力與加熱前的壓力之比，內(nèi)燃機定容加熱量多少的特性參數(shù)。（3）定壓預(yù)脹比:

定壓加熱后的比體積與加熱前的比體積之比，內(nèi)燃機定壓加熱量多少的特性參數(shù)。理想混合加熱循環(huán)的熱效率計算熱效率將循環(huán)各特征點的溫度均用T1和特性參數(shù)表示：理想混合加熱循環(huán)的計算熱效率熱效率隨著壓縮比的提高，定容升壓比的提高，定容預(yù)脹比的減少而增加。ε,t,t各因素對混合加熱循環(huán)熱效率的影響1、當(dāng)、不變：即單位質(zhì)量加熱量不變，熱量分配不變，壓縮比對熱效率的影響受氣缸材料限制一般柴油機Ts2352’3’5’4’41各因素對混合加熱循環(huán)的影響2、當(dāng)不變即壓縮比不變，單位質(zhì)量加熱量不變，熱量分配比例改變T－s圖分析吸熱量的分配對熱效率的影響Ts23544’3’15’bab’如圖：增加定容加熱量（定容升壓比增加），減少定壓加熱量（定壓預(yù)脹比降低），總加熱量不變，而放熱量減少，則熱效率增加。壓縮比不變，單位質(zhì)量加熱量不變，熱量分配比例改變混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比ε、定容升壓比λ的增大而增大，隨定壓預(yù)脹比ρ的減小而增大。因此，在組織燃燒過程時，應(yīng)盡可能增加定容燃燒部分的比例，減少定壓部分的比例。總結(jié)和相同，平均溫度法Ts123v4v3m4m3p4p在壓縮比和加熱量相同的情況下，定容加熱循環(huán)經(jīng)濟性最高，但定壓加熱循環(huán)安全性最高。循環(huán)最高溫度和最高壓力：定容>混合>定壓三種循環(huán)的比較現(xiàn)代柴油機與汽油機動力循環(huán)圖示12345pv1234pv柴油機，壓燃式汽油機，點燃式第二節(jié)定容加熱理想循環(huán)和定壓加熱理想循環(huán)定容加熱循環(huán)（奧托OTTO循環(huán))32324411pvTsssvv德國工程師奧托（A.Otto）于1876年最先設(shè)計了使用氣體燃料的火花點火式四沖程內(nèi)燃機，使用的工作物質(zhì)主要是汽油及天然氣等。對這類內(nèi)燃機循環(huán)過程進行簡化即奧托循環(huán)

奧托(1832—1891)

定容加熱循環(huán)的計算1234Ts吸熱量放熱量(取絕對值）熱效率定容加熱循環(huán)的計算1234Ts熱效率定容加熱循環(huán)的計算汽油易爆燃一般汽油機一般柴油機效率高于汽油機的效率但汽油機小巧

1860年，法國的E.勒努瓦制出第一臺實用的煤氣機。1876年，德國的N.A.奧托制成單缸往復(fù)活塞式四沖程煤氣機(奧托內(nèi)燃機)。1881年，英國的D.克拉克制成二沖程煤氣機。

煤氣機大多用于發(fā)電站和動力站作為固定動力，也可用作船舶、車輛等的動力。

煤氣機所用燃料主要有甲烷(如天然氣、沼氣)、一氧化碳(如發(fā)生爐煤氣)、氫氣(如氫氣、高爐煤氣)和其他烷類(如液化石油氣)等。

燃用以甲烷為主要成分的燃料，熱值高且抗爆震性好。

煤氣機的簡介12345pv1234pv現(xiàn)代柴油機，壓燃式早期低速柴油機，壓燃式二、定壓加熱循環(huán)定壓加熱循環(huán)（狄塞爾Diesel循環(huán))32324411pvTsspv定壓加熱循環(huán)的計算1234Ts吸熱量放熱量(取絕對值）熱效率定壓加熱循環(huán)的計算熱效率當(dāng)

不變當(dāng)

不變活塞式內(nèi)燃機三種理想循環(huán)比較比較的條件：壓縮比吸熱量反映氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、工藝材料反映一定程度的作功量最高壓力反映材料耐壓、壁厚、成本最高溫度反映材料耐溫比較的對象：混合加熱，定容加熱，定壓加熱和相同，平均溫度法Ts123v4v3m4m3p4p在壓縮比和加熱量相同的情況下，定容加熱循環(huán)經(jīng)濟性最高，但定壓加熱循環(huán)安全性最高。循環(huán)最高溫度和最高壓力：定容>混合>定壓三種循環(huán)的比較和相同Ts相等12v452m2p3在安全性條件相同的前提下，定壓加熱循環(huán)由于允許較高的壓縮比而獲得最好的經(jīng)濟性。和相同3p4mTs2p3m12v4v3v4p2m？和相同，比較大小總結(jié)：壓縮比、加熱量相同時，定容加熱循環(huán)的熱效率最高；否則，其它比較條件下，定壓加熱循環(huán)熱效率最高。第三節(jié)提高功率的途徑一、內(nèi)燃機循環(huán)平均壓力單位氣缸體積在每一循環(huán)中所作的功稱為“內(nèi)燃機理想循環(huán)的平均壓力”。意義：衡量單位氣缸工作容積的作功能力。12345pVVSpbptmwmw二、提高柴油機功率的主要途徑每個氣缸在每循環(huán)中所作的功：式中：m——每循環(huán)進氣質(zhì)量;w——氣缸單位質(zhì)量每循環(huán)作功量;n——轉(zhuǎn)速;i——缸數(shù);t——沖程數(shù)。

轉(zhuǎn)速為n，缸數(shù)為i，沖程為t的柴油機整機功率：提高平均壓力Pt是提高柴油機功率的根本途徑。三、提高平均壓力的方法每一循環(huán)，氣缸工作體積中的氣體質(zhì)量為：根據(jù)熱效率定義，單位質(zhì)量的循環(huán)功：代入平均壓力表達(dá)式：提高初壓p1，降低初溫T1增壓中冷，