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高等内燃机学,第一章 内燃机循环与效率,1,高等内燃机学 先修课程为内燃机学,2,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,3,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,4,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,5,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,6,一 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)压缩比与效率的结论; 3)发动机评价体系; 4)对蒸汽机未来发展的预言。,7,1 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,8,1 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。,9,理论循环,一卡诺循环Carnot Cycle 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 ,10,2 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。,11,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Diesel 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。,12,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,13,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,14,现代内燃机理论循环,(%) 等容 等压 等温 现代柴油机: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。,15,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,16,1)工质,1)工质 :考虑实际工质(燃气空气循环) (1)工质成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。,17,2)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 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。,18,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。,19,4)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。,20,5)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,等温燃烧增加,21,6)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,22,各种效率的一般范围,当T1=300K,T2=2500K, carnot=0.88,23,二 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,24,1. 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),25,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。,26,2. 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,27,3. 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。,28,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)。,29,
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