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第二章热力循环及其相关理论
2.内燃机的热力循环 2.1 内燃机热力循环分析的重要性 2.2 内燃机的基本热力循环 2.3 内燃机的其他热力循环 2.1 内燃机热力循环分析的重要性 内燃机取代蒸汽机就是因为其具有高的热效率和结构紧凑。 100年来内燃机(特别是柴油机)的热效率提高了近2倍。 内燃机就是在对其工作过程和热力循环进行分析的基础上出现的。 内燃机的发展也是与热力循环的几次重大发展紧密联系在一起的。 2.2 内燃机的基本热力循环 2.2.1 空气标准循环 2.2.2 实际循环 2.2.1 空气标准循环 空气标准循环的条件: 循环中,工质为定量空气(视为理想气体),不考虑进、排气过程,无工质交换。 燃烧过程用内燃机气缸外的热源加热。 循环结束依靠向外放热,保证气缸内空气温度、压力恢复到初始状态。 压缩与膨胀过程均为可逆过程。 2.2.1 空气标准循环 分析热力循环用到的参数: 2.2.1 空气标准循环 空气标准循环分类 卡诺循环(Carnot Cycle) 奥托循环(Otto Cycle) 笛赛尔循环(Diesel Cycle) 双燃烧循环(Dual Combustion Cycle) 卡诺循环(Carnot Cycle) 卡诺循环由等熵压缩①、等温加热②、等熵膨胀③、和等温放热④组成。 卡诺循环热效率: 奥托循环(Otto Cycle) 奥托循环由等熵压缩①、等容加热②、等熵膨胀③和等容放热④组成。 低速汽油机和高速柴油机十分接近奥托循环。 奥托循环热效率: 实际发动机近似等容循环 柴油引燃天然气的均质混合气压燃着火过程 狄赛尔循环(Diesel Cycle) 狄赛尔循环由等熵压缩、等压加热、等熵膨胀和等容放热组成。 早期及低速柴油机接近狄赛尔循环。 狄赛尔循环热效率: 双燃烧循环(Dual Combustion Cycle) 双燃烧循环由等熵压缩、等容加热、等压加热、等熵膨胀和等容放热组成。 现代柴油机接近双燃烧循环。 双燃烧循环热效率: 循环比较 气缸最高压力相同。 示功图面积相同。 2.2.2 实际循环 实际循环与空气标准循环的区别: 工质是变化的。 存在工质的交换,带来换气损失?open。 燃烧室不是绝热,存在着传热损失?ht。 加热不是在瞬间完成,加上燃烧不完全、后燃,产生燃烧(加热损失) ?time,?b。 作功输出产生摩擦损失?m。 典型的汽油机燃烧过程 汽油机燃烧过程可分为3个阶段:着火阶段I(着火落后期)、急燃期II、和后燃期III。 a. 正常燃烧;b. 不正常燃烧 汽油机爆震燃烧 a. 正常燃烧;b. 轻微爆震;c. 严重爆震 典型的柴油机燃烧过程 柴油机燃烧过程可分为滞燃期I、急燃期II、补燃期III和缓燃期IV。 a. 正常燃烧;b. 不正常燃烧 2.3 内燃机的其他热力循环 燃气轮机循环 阿特金森热力循环 涡轮增压循环 涡轮增压中冷内燃机热力循环 米勒热力循环 燃气轮机循环-布雷顿循环 燃气轮机的理想循环为布雷顿循环(Brayton Cycle) 工质在压气机中等熵压缩1-2;在燃烧室等压加热2-3;在燃气轮机中等熵膨胀3-4和等压排气4-1。 设?c为压气机中气体的压力比,则布雷顿循环的热效率为: 阿特金森热力循环(Atkinson Cycle) 阿特金森热力循环与奥托循环区别在于排气过程为等压而非等容。 在相同工质数量和加热量的条件下,能发出较大的膨胀功,因而热效率高。 阿特金森热力循环曾用于沙金煤气机上。 涡轮增压内燃机热力循环 涡轮增压应用到内燃机上是一项重大技术发展。 增加进气充量,提高内燃机的功率和热效率。 利用内燃机高温、高压排气推动压气机作功,增加能量利用率。 涡轮增压内燃机热力循环 等压涡轮增压内燃机热力循环。 变压涡轮增压内燃机热力循环。 等压涡轮增压内燃机热力循环 等压涡轮增压内燃机热力循环由1?2 ? 3’ ? 3 ? 4 ? 1和燃气轮机循环7 ? 1 ? 5 ? 6 ? 7组成。 涡轮增压内燃机热力循环热效率: 变压涡轮增压内燃机热力循环 与等压涡轮增压热力循环不同,变压涡轮增压内燃机气体从状态4进入变压涡轮中排气能量不会由于排气管突然变粗而膨胀损失,进入变压涡轮前气体压力在p4与p4’之间变化。如不计气体流动摩擦损失,气体在涡轮中的膨胀从开始排气时的p4→p5到最后p1’ →p5。 内燃机的等容放热过程4→1可看成为涡轮的等容加热过程1→4,然后为气体在涡轮内的等熵膨胀4→5。5→6为等压放热。6→1为其他在压气机中的等熵压缩。 涡轮增压中冷内燃机热力循环循环 在压气机出口对进气进行冷却,降低燃烧最高温度,减少NOx排放。 增压中冷内燃机热力循环效率: 米勒循环(Miller Cycle) 米勒循环是1951年由米勒提出。 部分负荷时,调节配气定时,使膨胀比大于压缩比。 米勒循环的优
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