外燃机

热能动力装置：能够将燃料燃烧释放出来的热量的一部分，连续不断的转换成机械能的整套热工设备，称为热能动力装置，简称动力装置。内燃机：如果直接将燃料的燃烧产物作为工质,这种动力装置称为内燃动力装置(或称为内燃机)。如往复式内燃机,燃气轮机和火箭发动机等。外燃机：如果只是利用燃烧产物来加热循环的工质(如蒸汽动力装置中利用燃气加热水),则这种动力装置称为外燃动力装置(或称外燃机)。第十章气体动力循环•第一节分析动力循环的一般方法•第二节往复式内燃机的动力循环•第三节内燃机三种理想循环的比较及循环的平均压力•第四节其他气体动力循环简介1。熟练掌握往复式内燃机的动力循环2。熟练掌握内燃机三种理想循环的有关计算、能量和性能分析以及相关比较3。了解其他气体动力循环基本要求：第一节分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般步骤是：（1）把实际工作过程简化成可逆理想循环。（2）确定理想循环中各典型点（各过程线交点）的状态参数，可将它们表示为工质的初态参数和循环特性参数的函数。（3）进行循环性能分析，确定表征循环整体性能的各种指标。第二节往复式内燃机的动力循环往复式内燃机的进气、压缩、燃烧和膨胀、排气四个工作过程是由活塞在四个行程内完成的，称为“四冲程内燃机”，在两个行程内完成的，称为“二冲程内燃机”。一、机械喷射式柴油机工作过程的理想化PVPb0-1：吸气过程。由于阀门的阻力，吸入气缸内空气的压力略低于大气压力。0121-2：压缩过程3452－3－4－5：燃烧和膨胀过程燃烧可分为定容过程和定压过程65－6－0：排气过程PVPb0123456简化原则为:（1）不计吸气和排气过程，将内燃机的工作过程看作是气缸内工质进行状态变化的封闭循环。（2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，并认为2－3是定容加热过程，3－4是定压加热过程。（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量交换,近似地认为是绝热过程。（4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过程。机械喷射式柴油机理想循环的P-v图和T-s图•该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“混合加热循环”，也称“萨巴太循环”。1-2：绝热压缩；2-3：定容吸热；3-4：定压吸热；4-5：绝热膨胀；5-1：定容放热q21vv23pp二、内燃机的特性参数及混合加热理想循环各典型点的状态参数（1）压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，它是表征内燃机工作体积大小的结构参数。（2）定容升压比:定容加热后的压力与加热前的压力之比，它是表示内燃机定容燃烧情况的特性参数。（3）定压预胀比:定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。34vv1-2为定熵过程：kkkkppTTvvTT12112112112;混合加热理想循环中各典型点上的状态参数，可以表示为初态参数及循环特性参数的函数：21vv23pp34vv21vv23pp34vv2-3为定容加热过程：kkpppTTTppTT12311232323；3-4为定压加热过程：kkpppTTTvvTT13411343434；21vv23pp34vv4-5为定熵过程，5-1及2-3为定容过程，因此有：kkkkkkkkTTTTvvvvvvvvTT111114511132411415445)()()()()()(kkppp145)()(231TTcqvv)(341TTcqpp三、混合加热循环的能量分析和性能分析热效率121qqt定容过程2－3工质吸入热量：定压过程3－4工质吸入热量：工质在混合循环中总吸热量：)()(3423111TTcTTcqqqpvpvq)(152TTcqv定容放热过程5－１中，工质放出的热量为)()()1(1)()()(11131412131534231512TTTTkTTTTTTTTcTTcTTcqqpvvt混合加热循环的热效率为：)1()1(111)1()1(11111111kkTTTkkkkkt循环净功和净热分别为)}1()]1()1[({11112100kkkkvpqqqw在循环特性参数（ε、λ及ρ）一定的条件下，提高初态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的净功。(1)在一定的λ、ρ条件下，压缩比ε愈大,热效率愈高。（2）在一定的ε值条件下,提高定容升压比λ和降低定压预胀比ρ,混合加热循环的热效率增高。混合加热循环的热效率随压缩比ε、定容升压比λ的增大而增大，随定压预胀比ρ的减小而增大。因此，在组织燃烧过程时，应尽可能增加定容燃烧部分的比例，减少定压部分的比例。四、定容加热理想循环和定压加热理想循环1、定容加热理想循环(汽油机的理想循环)混合加热循环在=1时：111kt)1)(1(11110kkvpwεt，ε=6‾102.定压加热理想循环(早期柴油机的理想循环)混合加热循环在λ=1时：)1(1111kkkt)]1()]1([11110kkkkvpw热效率随着压缩比ε的增大,预胀比ρ的减小和采用高ｋ值的气体而增大。一、平均温度的概念第三节内燃机三种理想循环的比较及循环的平均压力前提条件：1.循环初始状态点1相同2.对每kg工质而言,加入的热量相同Tsabcd加热过程a-b-c：asabcsTdsqaccba面积1scsa1T)(11accbassTTdsq加热过程的平均进热温度：acssqT11放热过程的平均放热温度：acssqT222TTsabcdscsa1T2T121211TTqqt1234提高平均进热温度或降低平均放热温度的措施,均能提高循环的热效率。二、压缩比ε相同的比较Tsq1相同，初态1相同相同压缩过程终点2112112kkvvTT412354’5’4’’5’’121qqtabb’b’’''''''2'''22515515551abqabqabqpv面积面积面积tpttv三、循环的最高压力相同时的比较Tsq1相同，初态1相同121qqtabb’b’’''''''2'''22515515551abqabqabqpv面积面积面积tpttv2’’4’’5’’54123Pmax2’4’5’单位气缸体积在每一循环中所作的功称为“内燃机理想循环的平均压力”。2/mNVmwpst四、内燃机循环平均压力1vVms如吸入气缸中气体的比体积为v1，则气缸工作体积中的气体质量为：理想气体状态方程：111RTvp热效率定义：tqw11111RTqpVmqptsttttpTqp111,,，降低提高第四节其它气体动力循环简介一、勃雷顿循环由于燃气轮机的部件是在高温下连续地工作,因此,进入第一排叶片的燃气温度要受到叶片材料耐热强度的限制,这使得燃气轮机热效率也远低于往复式内燃机。根据燃气轮机装置循环工作的特性，经理想化之后，可以近似的合理的看作由下列四个基本热力过程所组成的理想循环，燃气轮机装置的理想循环称为定压加热燃气轮机循环,也称勃雷顿循环。12定熵压缩过程（在压气机中完成）；23定压加热过程（在燃烧室或加热器中完成）；34定熵膨胀过程（在气轮机中完成）；41定压冷却过程（在大气中或冷却器中完成）。二、理想回热循环1.斯特林循环斯特林按正循环工作时可以作为热机循环，对外作出功量；按逆向循环工作时，可以作为热泵循环。循环由四个过程组成：（1)定温压缩过程。如图10-13（a）所示。（2）定容吸热过程。如图10-13（b）所示。（3）定温膨胀过程。如图10-13（c）所示。（4）定容放热过程。如图10-13（d）所示。在斯特林循环中，在定容吸热过程2-3中工质从回热器中吸收的热量正好等于定容放热过程4-1放给回热器的热量。经过一个循环回热器恢复到初始状态。可以证明：在相同的温度范围内，理想的定容回热循环（斯特林循环）和卡诺循环，具有相同的热效率。斯特林循环的突出优点是热效率高、污染少，对加热方式的适应性强。随着科技的发展以及环境保护日益为人们所重视，斯特林循环的应用前景越来越好。2.艾利克松循环它是一种开式的循环，用定压回热代替了斯特林循环中的定容回热。艾利克松定压回热理想循环abcda（如图所示），由下列四个过程所组成：ab为定压吸热过程（从回热器中吸热）；bc为定温膨胀过程，并从高温热源吸热；cd为定压放热过程（向回热器中放热）；da为定温压缩过程，并向低温热源放热。同样可以证明：在相同的温度范围内，理想的定压回热循环（艾利克松循环）和卡诺循环，具有相同的热效率。理想回热循环（斯特林循环和艾利克松循环）通常称为概括性卡诺循环。实践证明，采用回热措施可以提高循环热效率，也是余热回收的一种重要节能途径。1。气体动力循环的基本概念1）内燃机的特性参数：压缩比、定容升压比定压预胀比2）内燃机循环平均压力、循环平均进热温度和平均放热温度2。三种循环（混合、定容、定压加热）的工作过程、原理及P-V图和T-S图3。三种循环各典型点的状态参数计算4。三种循环的能量分析和性能分析5。三种循环的热效率比较（在有关相同条件下进行比较）6。了解其他气体动力循环本章小结21vv23pp34vv