清华大学发动机原理-第3章循环分析与能量利用

DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity点燃式和压燃式内燃机工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控Email:[e-mail]:010-62772515-13汽车发动机原理帅石金清华大学汽车工程系DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity1.循环模式与热效率2.机械损失与机械效率3.能量分配与合理利用ssa0ctmcsetmumeRTτps)(2in)lηηη(Hu)V(PηGH111ηetHuηitηmHuηcηtηmHube循环热效率和机械效率质环节讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响因素第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特性与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧的基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物的Th成与控制第10章新燃烧方式与替代燃料动力DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity循环模式分类根据工质和循环特征分类:1)理论循环(TheoreticalCycle)工质——理想气体(空气)，物性参数(比热比,)为常数，不随温度变化循环——理想循环：封闭热力循环：系统加热燃烧放热；系统放热气体交换(进、排气)特殊热力过程：绝热压缩和膨胀；等容或等压加热和放热2)理想循环(IdealCycle)工质——真实工质循环——理想循环3)真实循环(RealCycle)工质——真实工质循环——真实循环Q2Q1等熵压缩等容/等压加热等熵膨胀等容放热工质和循环模式是决定循环热效率的两大因素DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity循环热效率(Cyclethermalefficiency)t1q1q2t1qwt0123wtq1q2pVTswtwtq2q1示功图温熵图温熵图(T-s)是分析循环热效率的一种有效而又直观的方法wtpdVTdsdu循环功(动力过程功）热力学第一定律循环热效率:Tdsdq熵（entropy）这一中文译名是意译而来的。“entropy”最初由克劳修斯（Clausius）于1865年创造的。字尾“tropy”源于希腊文，是转变之意。字头“en”是源于energy（能量）的字头。1923年，德国物理学家普朗克（I.R.Planck）来南京第四中山大学（即中央大学前身）讲学，我国著名物理学家胡刚复教授（时任南京第四中山大学自然科学院院长）担任翻译。胡刚复教授根据entropy意为热量与温度之商，而且这个概念与火有关，就在商上另加火旁，首次创造了中国字典中从未有过的新字“熵”。此字含义极其妥帖，沿用至今。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环分类根据加热过程进行分类：1)等容加热→等容循环(Otto循环)2)等压加热→等压循环(Diesel循环)3)混合(等容＋等压)加热→混合循环(Sabathe循环)12:等熵压缩(isentropic)23:等容/等压加热(isochoric/isobaric)34:等熵膨胀(isentropic)41:等容放热(isochoric)DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity等容循环(Isochoriccycle)spT3q1q1q2241V1234V1V2q2q2q1奥托循环(OttoCycle):早期汽油机转速低，燃烧接近等容放热压力升高比＝p3/p2压力升高比对等容循环的热效率没有影响！等容循环效率:tt,v1123t,v12q1TTT1T2VV1TT21V1q21cTTv41cvT3T21T4TV1V42T2T4T3V1111t,v1111T31DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity加热时刻对循环的影响(等容度)q1=const.q13333q13*4*41q222*3*4*4q212*2TpsVTDC加热:1-2-3-4BTDC加热:1-2*-3*-3’-4*-1ATDC加热:1-2-2*-3*-4*-1q2q1t1偏离上止点加热，t增大or减小?cmmVc1V等容度：VcmVs等容加热≠100％等容度q2增加，t减小VcDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity等压循环(Isobariccycle)q13341q22q212Tpq1p2V2V1sV44狄赛尔循环(DieselCycle):早期柴油机在上止点喷油燃烧t,p=容积预膨胀比:=V3/V2DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity混合循环与其他循环的比较q1p24q2,vvT21q14q2,v等容循环3pq12341q2,pvTs21q141q2,p等压循环3s3t,s=现代汽油机和柴油机的实际工作循环是混合循环。pq1,p41q2,svs21q2,sq1,v2q1,p334q1,v33T混合循环DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity混合循环与其他循环的比较q1=const.=const.q2,pq2,sq2,vt,pt,st,vDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环热效率的比较0.20.40.60.8t0048121620等容循环等压循环混合循环150bar70barp3=40barp1=1bar=1.4q*=9.14q1cpT1q*在加热量、压缩比相同的条件下，等容循环具有最高的热效率，因此，提高等容加热比例是提高热效率的有效途径DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity压缩比和等熵指数对热效率的影响20004812160.20.40.8t,v0.6=1.41.31.2结论：1)压缩比ε越大,热效率越高压缩比由8增加为12，热效率能提高10～15％。但ε20，热效率提高不明显。2)等熵指数越大,热效率越高等熵指数由1.2提高到1.4,热效率可增加40％(q和不变,1,cp和cv,工质温升,效率)。循环参数对热效率的影响四大循环参数:1)压缩比;2)等熵指数;3)压力升高比;4)预膨胀比DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity压力升高率和预膨胀比对热效率影响:1)＝1,等容循环,对t无影响2)＝1,等压循环,增大,t明显下降3)混合循环：不变：随上升，t略有增加再增大，t不受影响不变：随增大，t明显下降结论：减少等压加热；增加等容加热循环参数对热效率的影响DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环分析的指导意义1）指出了改善发动机动力性、经济性的基本原则和方向在允许的条件下,尽可能提高压缩比,尤其是汽油机合理组织燃烧,提高循环加热等容度（减少预膨胀比、合理选择燃烧始点、压燃同时着火）保证工质具有较高的等熵指数（稀燃）2）提供了发动机之间进行动力性、经济性对比的理论依据同一机型不同加热模式的对比、及q1不变：等容循环t混合循环t等压循环不同机型(汽、柴油机)的对比pmax及q1相同：等压循环t混合循环t等容循环ttDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理论循环分析的指导意义汽、柴油机负荷变化(q1不同)时的对比部分负荷柴油机:缸内喷射扩散燃烧,喷油时间缩短,初期等容放热变化不大,即基本不变而减小,t提高部分负荷汽油机:预混燃烧,燃烧速度下降,燃烧时间加长,即下降而上升,t下降结果：中、低负荷工况,柴油机使用油耗较汽油机低30％～50％。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity理想循环假设：1)保持理论循环中关于循环的假设(简化)2)工质特性按真实情况考虑：循环过程中成分是变化的研究理想循环的目的：1)工质特性对热效率的影响(与理论循环相比)2)理想循环代表了人类努力所能达到的水平(与真实循环相比)相对热效率：真实循环的指示效率与理想循环热效率之比。反映了实际发动机指示效率接近理想水平的程度。dtrelit压缩过程:空气+燃料蒸气+残余废气膨胀过程:废气+空气工质的热力参数随温度、分子结构及混合气浓度等变化DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实工质对热效率的影响1)比热容cv,cp=f（T,分子结构）ΔQv=cv×ΔT，ΔQp=cp×ΔTT↑cv和cp↑↓ΔT↓t↓多原子分子↑cv和cp↑↓ΔT↓t↓即：真实工质＜理想工质真实工质t↓例如：柴油机汽油机；稀薄燃烧化学计量比燃烧2)高温热分解高温时，原子间的结合力减弱，产Th热分解（吸热过程）。CO2→CO+O2H2O→H2+O2低温膨胀及排气时，反向燃烧放热。因此，燃烧放热时间拉长等容度↓t↓。*T越高，p越小热分解越严重，因此，汽油机热分解＞柴油机热分解。DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实工质对热效率的影响1.401.351.301.251.204001000K600800温度Temperature=cp/cvAirw/oexhaustgasresidual3)工质分子变化系数液体燃料发动机燃烧后，1，p和t↑气体燃料发动机燃烧后，1，p和t↓（气体燃料分子计入燃前分子总数）总的来说，的影响不大4)过量空气系数a1，未燃碳氢↑多原子↑T↑↓t↓a1，空气↑单双原子↑T↓tDepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity汽油机与柴油机理想循环热效率的比较考虑真实工质特性后，汽、柴油机热效率差距加大：1)高负荷柴油机a汽油机a柴油机t汽油机t汽油机混合气浓且等容度高，Tmax↑，残余废气↑↓，热分解↑汽油机t↓汽油机柴油机，但影响不大2)低负荷汽油机a更小，而柴油机a更大汽油机t↓↓汽油机r↑，柴油机r不变，汽油机↓，燃烧速度↓汽油机t↓汽油机高、低负荷温差小，Tmax↑↓汽油机t↓DepartmentofAutomotiveEngineeringTsinghuaUniversity真实循环1)传热损失(总加热量的6％)真实循环并非绝热过程,通过气缸壁面、缸盖底面、活塞顶面向外散热。散热量Qw=∫αFw（T-Tw）dτ式中，α—传热系数Fw—散热面积,Fw=f（）T—缸内工质温度,T=f（）Tw—燃烧室壁面温度压缩过程:前期吸热,后期散热,使压缩线略下降(有利)。燃烧及膨胀过程:温差大,散热强烈,使pz和膨胀线下降(不利)。燃烧膨胀线的下降幅度远大于压缩线,使动力过程功减小。D