内燃机原理第三章工作循环与能量利用

掌握理论循环模型及影响循环效率的因素；掌握工质属性对循环效率的影响；掌握从理论循环到实际循环的能量损失情况；掌握ICE机械损失的构成及机械效率的测量方法；了解现代ICE的能量利用状况；掌握提高ICE热效率的技术措施。inTRpVlHPsssscaumtce20umtceHb1混合气总量能量转换“质”问题本章的研究目标：如何得到高的循环效率？如何得到高的机械效率？ICE工作过程研究内容：工质成分变化；热能的转化过程。目标：高的循环效率低的污染物排放工作过程研究难度：工质的质和量是时间的函数；物理、化学过程一直在进行；存在摩擦、散热、燃烧、节流等（不可逆）。工质循环模式对ICE工作过程的研究只能建立模型，进行定性分析！三种循环模式：理论循环（TheoreticalCycle）工质—理想气体循环—理想循环理想循环（IdealCycle）工质—实际气体循环—理想循环真实循环（Realcycle）工质—实际气体循环—真实循环一、理论循环（TheoreticalCycle）热力循环构成等熵压缩循环——理想循环构成封闭热力系统等容/等压加热工质——理想气体（空气），物性参数不变等熵膨胀定容放热1Q2Q循环类型封闭热力循环：绝热压缩等容等压吸热（燃烧放热）绝热膨胀等容放热（进排气换气过程）等容（isochoric）加热循环等压（isobaric）加热循环等容等压混合加热循环TDCBDCcVaVsV0pVparczb1Q等容加热循环——奥托循环（OttoCycle)2Q早期ICE活塞运动速度低，汽油机接近等容加热循环STaczb1Q2Q121QQtT-S图TDCBDCcVaVsV0pVparzcb1Q等压加热循环——狄赛尔循环（DieselCycle）2Q早期ICE活塞运动速度低，喷油压力低，持续时间长，柴油机接近定压加热循环现代的低速大功率柴油机（船舶）可简化为等压加热循环STaczb1Q2QT-S图TDCBDCcVaVsV0pVparzcz，b1Q1Q混合加热循环（SabatheCycle）2Q现代ICE活塞运动速度高，喷油压力高，均为混合加热循环STacbVQ12QT-S图zz’pQ1TDCBDCcVaVsVkpVpbp1Q1Qczbz，TC-ICE的Sabathe循环arr,a,2Q循环效率Otto循环循环效率:111ktDiesel循环循环效率:11111kkktSabathe循环循环效率:111111kkkt压力升高比：等容加热过程中工质压力的升高比值。czpp预膨胀比：等压加热过程中工质的体积增大比值。zzVV影响循环效率的因素,,,kft压缩比的影响t增大压缩比可以提高ICE的循环效率；压缩比由8增加为12，热效率提高10～15％，压缩比20，热效率提高不明显。acbzSTc’z’b’2Q1Q2Q1Qtt22QQ同等吸热量时：zz’压力升高比和预膨胀比的影响等容度：循环吸热过程中等容吸热量占总吸热量的比率。STz’zacb1Qb2Q2Q1Qac22QQ22tt提高等容度，可以提高ICE的循环效率VQ1VQ1VVQQ11吸热量相同等容度提高11QQV在预膨胀比一定时，压力升高比对循环效率影响不大。在压力升高比一定时，减小预膨胀比，会显著提高循环效率。等压过程等容过程ICE接近等容燃烧（高等容度），可以得到高循环效率；分析：CI-ICE负荷增大，循环喷油量加大，燃烧时间加长，预膨胀比加大，等容度下降，循环效率降低；EFI的SI-ICE把按照化学计量比混合气进行控制，火焰传播速度快，等容度高，可得到较高的循环效率。CI-ICE多次喷射技术会降低循环效率。CI-ICE高压喷射技术会提高循环效率；绝热指数提高绝热指数，可以提高循环效率。t吸热量相同增大，、减小、工质温升增大，放热量减小，循环效率提高kpcVc理论循环研究的意义提供ICE之间性能比较的理论依据提供了改善ICE性能的原则和方向同一机型不同加热模式比较压缩比、工质吸热量相同，吸热形式不同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）。zpbpacSTvmpQQQ111tvtmtp更高的等容度决定了等容加热循环具有更高的效率zmbmzvbvvQ2vQ1pQ1pQ2mQ2mQ1vmpQQQ222STtvtmtp更高的压缩比决定了等压加热循环具有更高的效率zvbvvQ2vQ1pQ1pQ2mQ2mQ1vmpQQQ111vmpQQQ222不同机型比较zpbpacpbmzmcm线等maxp最高爆发压力相同，吸热量相同，压缩比不同cv理论循环下SI-ICE和CI-ICE比较CI-ICE压缩比远高于SI-ICE，CI-ICE具有更高的循环效率，表现出更好的动力性和经济性；CI-ICE的比SI-ICE低15%～25%；mineb中、小负荷CI-ICE的比SI-ICE低30%～50%ebCI-ICE负荷质调节，负荷减小，喷油量减少负荷bg，ctebSI-ICE负荷量调节，负荷减小，混合气量减少负荷bagm火焰传播速度，cteb二、理想循环（IdealCycle）研究理想循环的目的热力循环构成循环——理想循环工质——实际工质压缩过程：空气+燃料蒸气+废气膨胀过程：废气+空气工质热力参数与温度、成分、分子结构等有关工质特性参数对循环效率的影响程度；ICE提高循环效率最高限度。相对热效率：真实循环循环效率与理想循环循环效率之比。ittrel最高燃烧温度分子结构,,Tfccpv比热容真实工质对循环效率的影响T/KcV、cp/(kJ/kg.k)kcVcpkRTcQvvTcQppTkpvcc,Tt多原子分子数pvcc,kTt在相同加热量下，燃烧温度越高，工质比热容升高越多，绝热指数下降越多，循环效率偏离理论循环效率越远。高温时，原子间的结合力减弱，产生热裂解——吸热工质的高温裂解2CO22CO+O22H2+O22H2O膨胀过程温度、压力下降，进行逆向反应——放热放热时间延长高温裂解吸热1Qt2H2O+O24OH2H2H22OO22NON2+O2燃烧温度越高、压力越小，热裂解越严重SI-ICE高温裂解程度CI-ICE高温裂解程度工质分子变化数液体燃料ICE，分子量大，不计燃料分子数气体燃料ICE，分子量小，计入燃料分子ptpt分子变化数对ICE循环效率影响不大混合气浓度1a未燃燃料量1Qt多原子分子数ktT燃烧温度kT/K浓度增大1a单双原子数kt空气量T燃烧温度采用稀薄燃烧可以得到高循环效率燃空当量比循环效率CI-ICE比EF具有更高的循环效率残余废气系数残余废气量燃烧速度t三原子分子数ktSI-ICE残余废气系数rgCI-ICE残余废气系数rdSI-ICE循环效率较低ICE的EGR率越大，等容度下降越多，三原子气体含量越多，循环效率越低。EGR降低排放以性能损失为代价理想循环下SI-ICE和CI-ICE比较大负荷时2.1~8.0ag0.7~3.1adrdrg小负荷时tdtgdgTTmaxmaxtdtgrdrgtdtgSI-ICE加浓很小，CI-ICE的很大agadtgdgTTmaxmaxtdtgtdtg在小负荷、大负荷工况下，SI-ICE的经济性低30%～50%TDCBDCcVaVsV0pVp理论循环理想循环kk传热、流动、不完全燃烧工质泄漏等时间损失后燃损失换气损失czbb’c’ar三、真实循环（RealCycle）传热、流动、不完全燃烧和泄漏损失换气损失时间损失后燃损失四大损失工质和循环的变化，使实际循环效率和理论循环效率相差10%～20%。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：dTTFQWW)(式中：压缩行程：前期吸热，后期散热，使压缩线略下降—有利Fw—散热面积，Fw=f（）；α—传热系数；T—缸内工质温度，T=f（）；Tw—燃烧室壁面温度。作功行程：温差大，散热强烈，使pz和膨胀线下降—不利作功行程压力线下降幅度远大于压缩线—动力过程功减小时间损失实际燃烧及向工质加热不可能瞬间完成点火(喷油)提前，使有用功面积下降，循环效率下降；pz出现在TDC后10～15CA，非等容加热，有用功面积减小。换气损失排气门早开，造成膨胀功损失；泵气损失功（W2＋W3）。不完全燃烧损失正常燃烧时，也有c≠100%；不正常燃烧、a＜1等，t下降较大。缸内流动损失流动增强以及提高涡流与湍流程度，t下降原因：流动造成能量损失、散热损失流动损失，非直喷式柴油机＞直喷式柴油机工质泄漏损失工质和循环方面的差异，使得：理论循环效率—实际循环效率=10~20百分点曲轴箱窜气造成的工质泄露，损失相对较小。该差别是改善ICE循环效率的基本原则机械损失各部分所占份额SICISICISICI180020018006003600400转速平均有效压力泵气功损失曲柄、连杆、活塞损失其它附件损失高压油泵损失配气机构损失机械效率：memimiem11memimiemPPPPPPP11msmmPVnip2一、机械损失的组成（一）机械摩擦损失%80~50mfWplmemfmPPPP活塞组件摩擦轴承摩擦配气机构摩擦其它损失运动件的空气动力损失正时齿轮、链轮、带轮的传动损失连杆大头搅油损失曲轴箱内空气压缩和通风损失活塞连杆组件和曲轴轴承摩擦损失高，转速、负荷增大，该损失也增大。发电机、水泵、机油泵、高压油泵、调速器、点火装置。内燃机台架试验中必须拆除的四大附件：空压机、空滤器、风扇和消声器。（三）泵气功损失进排气过程中工质流动时的节流和摩擦损失。转速、负荷增大，驱动附件损失也增大。%40~%5PlW（二）驱动附件损失%10meWSI-ICE小负荷和高速，泵气损失大负荷对CI-ICE泵气损失影响小高转速时泵气损失高平均机械损失压力/kPa转速/（r/min）曲轴与密封活塞连杆组配气机构油泵水泵与发电机SI-ICE的试验结果各种ICE标定工况下的机械效率：SI-ICE：80%～90%CI-ICE：78%～85%增压CI-ICE：80%～92%分析：增压内燃机为什么具有更高的机械效率？二、机械损失的测定方法（一）示功图法测量方法用燃烧分析仪测量工况点（，）下的示功图，测算，计算、、和。ntqTiWePeWmWm示功图法可以得到ICE的机械损失、机械效率运行特性。注意事项准确标定TDC位置；NA-ICE测量面积为代表的面积；CPW提高面积计算离散化精度；各个缸均需测量。TDC位置设置不准确对机械效率有什么影响？TDCp°CABDCBDC如果：TDC位置靠前BDCBDC1W2WTDCBDC°CABDCpTDC1W2W3W)()(211322测得的偏高iWiemWW偏小)()()(12321212WW32WWTDCBDC°CABDCp如果：TDC位置靠后BDCBDC3W2W1W2WTDC1W测得的偏低iWiemWW偏高)()(211322)()()(123212