1章1内燃机循环与效率

第一章内燃机循环与效率高等内燃机学北京理工大学张卫正本章内容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稀薄分层燃烧100年前的思路欧3欧4收口式燃烧室60~70年已有的技术绝热发动机70~80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①提高效率一直是推动技术发明、发展的永恒动力。②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%p0Vp0大气压式内燃机示功图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惠更斯发动机设计方案（1673年）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OttoCycle奥托循环OttoCycle要得到就要先付出；付出得越多，得到得越多。csccscaVVVVVVVVV/1/)(//21Va——气缸总容积Vc——燃烧室容积Vs——工作容积111kt奥托循环一内燃机循环理论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。50~60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。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/T1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CarnotCycle二．奥托循环OttoCycle（等容加热循环）三．笛塞尔循环DieselCycle（等压加热循环）四．混合循环（双烧循环）DualCombustionCycle1．斯特林循环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111kct奥托循环奥托循环OttoCycle奥托循环OttoCycle低速汽油机接近奥托循环低速汽油机接近奥托循环迪赛尔循环DieselCycle迪赛尔循环DieselCycle早期低速柴油机接近迪赛尔循环早期低速柴油机接近迪赛尔循环)1(111001kkkct笛塞尔循环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DualCombustionCycle双烧循环DualCombustionCycle现代高速汽油机、柴油机接近双烧循环现代高速汽油机、柴油机接近双烧循环)1(1111001ppkpkctk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为初始膨胀比现代内燃机理论循环（%）等容等压等温现代柴油机：305020现代汽油机：503020（%）等容等压等温现代柴油机：305020现代汽油机：503020=相同，ottodualdiesel=相同，ottodualdieselPzmax=相同，dualdieselottoPzmax=相同，dualdiesel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。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μ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：①由于气门提前开启引起的损失换气损失②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：①压缩负功增加②最高压力下降③初期膨胀比减小，等温燃烧增加6）燃烧损失6）燃烧损失（后燃、不完全燃烧）不完全燃烧（φa1；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，ηcarnot=0.88状态关系ηdieselηotto空气标准循环ηair0.65~0.70.55~0.6燃气空气循环ηrelηrel=(0.7~0.8)ηair0.50.45传热损失ηth燃烧损失①定时性ηth②完全性ηth换气损失ηthηg=0.85ηrel0.43~0.460.37~0.40泵气损失摩擦损失ηm=(0.8~0.9)ηg0.37~0.420.3~0.33二其它工作循环——高效率循环)]()()[(1501243VVpuuuumWcl1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）高速内燃机循环指示功-不考虑泵气3421//VVVVec；膨胀比压缩比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）一般增压循环较高增压米勒循环高增压米勒循环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φc**c）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）。三绝热发动机1起源早期可靠性70年代重点排放问题，效率还在次要地位。73年的石油危机（政治，1年多），美国各汽车公司都严重亏损；在当时排放问题停滞不前的情况下，很多研究人员转而研究汽车、发动机的节能问题；特别是75年美能源厅要求10年内：轿车节能30～50%货车23%客车20%技术条件也成熟。绝热发动机的研究首先从美国等国开始，并迅速在全世界展开。2绝热发动机设想的优点①理论传热损失=0可取消水冷却系统体积小、故障率降低。②燃烧更充分、可以采用稀燃，热效率将大幅度提高。③排气能大幅度增加增压压缩比提高换气质量将提高④高温燃烧对燃料的敏感度降低多燃料⑤陶瓷的热惯性小、导热系数很小冷起动容易设想用“绝热”的陶瓷制作燃烧室零件，杜绝~1/3的传热热量损失，将其尽可能转换成有效功。3绝热发动机的问题①效率问题简单采用绝热（隔热），效率下降!燃烧规律变，边喷边燃②可靠性低。陶瓷材料脆、抗冲击性差，结合工艺难保证；高温润滑问题。③大量传热量在排气过程传出55~60%，燃烧过程只占~15%。绝热后，由此指示功只能提高~3~7%。④换气质量变差（高温）⑤NOx大增Tzmax增；⑥排气能回收装置，使车体积重量增加，影响整车效率的提高。4绝热发动机研究应用状况⑴整机只局部研究。美康明斯、日五十铃、日野。近似绝热（隔热）完全可行，只是到整机完全实用尚有问题。⑵特殊场合还在努力探索，如坦克发动机。目的：①冷却问题；②坦克弱点—动力舱体积；③红外特征；④高增压、⑤实现高强化。⑶用于局部高温强化已经很普遍。一些隔热技术应用也已经较为普遍。⑷应全面匹配，才能保证效率的提高⑸适当隔热有利，如图表明隔热度A=20%较佳。4绝热发动机研究的现状5.隔热方法　　氧化锆、SnC、Al2O3、Ti-Al等；涂覆、镶嵌、气隙、组合、纯隔热材料、熔铸、梯度喷涂等。6.实现理想的关键问题高韧性易加工陶瓷材料、可靠性、润滑、摩擦，回收排气能。5绝热复合式发动机理想的“绝热复合式发动机”采用了4项技术：1）绝热；隔绝缸内传热损失。2）涡轮增压；保证换气质量。3）动力涡轮；回收排气的压力势能。4）蒸汽涡轮（兰肯循环）；回收排气的高温热能。　　如上所述，仅仅利用缸内隔热想回收大多数传热损失是不可能的，必须同时回收排气能，此即为绝热复合式发动机。5绝热复合式发动机1）绝热；隔绝缸内传热损失，e↗7%。要由供油、配气、增压等的协调才能得到此收益。2）动力涡轮；回收排气的压力势能。e↗3%3）蒸汽涡轮（兰肯循环）；回收排气的高温热能。e↗7%4）无水冷却系统损失，摩擦改善。e↗8%。高温摩擦系数小，但润滑油应能承受高温。5）冷却能并未降低多少。29%25%因为增加了多个高速高温轴承。6）排气33%12%　　绝热复合式发动机效率的提高：e=38%63%5绝热复合式发动机　带蒸汽涡轮（兰肯循环）的绝热复合式发动机当时难以应用于对移动式车辆。图为日野研制的带动力涡轮的复合式发动机，效率达到49.5%发动机废热利用——蒸汽涡轮排气能回收的其它方式1）利用压力波动2）取暖3）二级膨胀式发动机不成功：机械损失收获4）回热式发动机……第二节追求效率的机型一．高热效率理论循环卡诺循环是工作在高低温热源间热机效率最高的循环。但是：卡诺循环有:Pzmax很高；循环指示功很低的弱点，不实用。理论