【发动机原理】第五章----发动机热力循环分析

第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环第二节发动机实际循环练习题结束22021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析教学目标１.了解发动机实际循环的计算方法及数学模拟。２.了解发动机理想循环有限时间热力学分析简介。３.理解理想参数对循环功与循环热效率的影响。４.掌握发动机实际工作过程热力循环。５.掌握发动机理想循环。６.掌握发动机实际循环中的能量和热量。32021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析42021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析我们一般把热能转换为功的周而复始的热力过程称为热机循环。一种性能良好的热机就是要求它具有良好的动力性和经济性，而这些指标的优劣与热机工作时所依据的热力循环密切相关，对热机的热力循环作出全面的深入的分析，可以更深刻的揭示热机工作过程的本质和热功转换的规律，为新型热机的研制提供理论依据。52021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析通过对发动机实际工作过程的分析，可以看出，在发动机能量转换的全部过程中，由于工质在‘质’和‘量’上都时刻发生着变化，机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的不可逆损失也大量存在。因此，在实际发动机中实现的实际循环的所有热力过程在某种程度上都是不可逆的，发动机的实际热力循环是一个非常复杂的不可逆过程。62021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析为了定量的研究发动机实际热力循环中热力参数对发动机性能的影响，通常将实际循环进行简化，从而得到便于进行定量分析的内燃机的理想循环。研究理想循环的目的可以概括为:72021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析(１)阐明各基本热力参数间的关系，明确提高经济性和动力性的基本途径。(２)确定循环热效率的理论极限，判断实际发动机工作过程进行的完善程度。(３)分析和比较发动机不同热力循环方式的经济性和动力性。82021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析一、发动机实际工作过程热力循环的简化由于实际发动机的工作过程是很复杂的，为了从热力过程完善程度这一角度来分析发动机实际发生的过程，需要忽略某些影响发动机性能的因素，在分析过程中，根据不同发动机的热力过程特点，用某些特定的热力过程近似代替实际发动机中复杂的热力过程，从而实现对发动机实际热力循环的简化。92021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析(一)发动机实际工作过程特点发动机的实际工作过程就是循环不断重复进行的过程，图5-1表示了四冲程发动机的实际工作过程示意图，由图可以看出，发动机实际工作过程是由进气过程、压缩过程、燃烧过程、膨胀做功过程和排气过程五个过程所组成的。102021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析112021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析１)进气过程进气过程如图５-１ａ)所示，为了使发动机连续运转，必须不断地吸入新鲜工质，即进气过程，此时进气门在发动机曲轴运转到上止点前的某一角度开启，当活塞由上止点向下止点移动，首先是上一循环滞留在汽缸中的残余废气膨胀，压力由排气终了压力Pt下降到小于大气压力P0，然后新鲜工质才被吸入汽缸。122021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析该过程的特点:由于进气系统的阻力，进气终了压力Pa一般小于大气压力P0,为0.08~0.095ＭPa。压力波动变化不大，进气过程中进气气流受到发动机高温零件及残余废气的加热，进气终了的温度Ｔ总是高于大气温度T0，变化范围约为40K，同压力波动一样温度同样变化不大，值得注意的是进气门打开时，排气门并没有关闭，而是过了上止点后某一角度才关闭。132021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析２)压缩过程压缩过程中活塞由下止点向上止点移动，压缩过程开始时，排气门关闭，进气门为了充分利用进气气流的惯性，在下止点后某一角度才关闭，如图5-1b)所示。这时，缸内工质受到压缩，温度、压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比ε表示，压缩过程的作用是增大做功过程的温差，获得最大限度的膨胀比，提高热功转换效率，同时也为燃烧过程创造有利的条件，在柴油机中，压缩后气体的高温还是保证燃料着火的必要条件。142021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析压缩过程的特点是:汽缸中的工质与缸壁间存在热交换及工质泄漏，发动机的压缩过程是一个复杂的多变过程，但由于工质与缸壁间的温差较小，热交换的强度较弱。３)燃烧过程从柴油机的燃烧过程分析中可知，由于在滞燃期内形成了大量的可燃混合气。当可燃混合气达到着火条件后，燃烧室内的混合气多处同时着火，在极短的时间内工质的压力、温度急剧升高，这一阶段的混合气形成燃烧过程类似于汽油机的燃烧过程可以近似的认为是定容燃烧过程。152021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析随着柴油燃料的继续喷入燃烧室，这时燃料在燃烧室内一边被加热蒸发、一边与空气混合形成可燃混合气、一边燃烧，这时的燃烧过程是在燃烧室工质压力、温度极高的情况下发生的，并且压力变化不大，如图5-2b)中ｚ′-ｚ所示，因此，近似的将这一阶段认为是定压燃烧过程。162021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析对于汽油机的燃烧过程，由于按一定空燃比预先混合好的可燃混合气充满了整个燃烧室，当在电火花的点燃下形成燃烧火焰中心后，火焰非常迅速地传播整个燃烧室，在上止点附近燃烧结束，整个燃烧过程近似于定容燃烧过程，如图5-2b)中ｃ-ｚ所示。172021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析182021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析４)膨胀做功过程膨胀过程如图5-1c)所示，膨胀过程中进、排气门均关闭，燃烧产生的高温、高压的工质推动活塞由上止点向下止点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随着活塞的向下运动迅速降低，膨胀过程的特点是:由于膨胀过程中高温、高压的工质通过汽缸体与外界有强烈的换热，热交换损失、漏气损失和补燃现象存在整个膨胀过程。192021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析因此，膨胀过程也是一个多变过程，但更为复杂，膨胀终了的温度在1000K左右，由于柴油机膨胀比大，转化为有用功的热量多，热效率高，所以膨胀终点的温度和压力柴油机均比汽油机小。５)排气过程排气过程如图5-1d)中表示的曲线，当膨胀过程接近下止点时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，汽缸内工质的压力急剧降低，膨胀过程结束时，活塞由下止点向上止点移动，将汽缸内的废气强制排出。202021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析当活塞接近上止点时，为了充分利用气流的惯性，减小活塞排气消耗的能量，以及充分利用进气对排气的扫气效应活塞运动到上止点后某一曲轴转角排气门才关闭，排气过程结束，排气过程特点是:排气过程中，由于排气系统有阻力。排气终了的压力大于大气压力，压力差用来克服排气系统的阻力，排气系统阻力越大，排气终点的压力越高。212021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析残留在汽缸中的废气就越多，排气温度可用来考察发动机工作过程的完善程度。因为排气温度低,说明燃料燃烧后转变为有用功的热量多，发动机工作过程进行得越完善。222021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析(３)根据柴油机燃烧过程的特点，将其简化为定容和定压两个燃烧过程组成，汽油机的燃烧过程简化为定容燃烧过程(图5-2)。(４)发动机排出废气的过程，实际上是热机向低温环境放热的过程，在发动机排气过程中，由于随着排气门的打开，汽缸内的工质压力快速下降。因而，将发动机排气过程简化为定容放热过程与定压排气过程，如图５-３中ｄ-ａ-ｏ所示。232021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析(５)忽略发动机进、排气过程损失，进、排气过程线将重合为一条线，如图5-3中a-o所示，经以上简化，柴油发动机与汽油发动机的实际示功图由图5-3中a)、b)简化为图5-3中c)、d)表示的理论示功图。汽油机排气终了的压力约为0.1MPa，温度约为1000k，柴油机的排气终了压力和温度都比汽油机低。(二)发动机实际热力循环简化242021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析，图5-3a)、b)示出了四冲程柴油机和四冲程汽油机实际工作循环的示功图，根据前面分析的发动机实际工作过程特点，将发动机实际工作循环作了如下简化:(１)由于进气过程中压力波动变化较小，发动机的进气过程简化为压力不变的等压过程，如图5-3中0-a所示。(２)忽略发动机压缩、膨胀过程中工质与缸壁间存在热交换及工质泄漏等不可逆因素，将压缩、膨胀过程认为是绝热等熵过程，如图5-3中a-b，z-d所示。252021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析二、发动机理想循环(一)基本假设由于在实际发动机中实现的实际循环的所有热力过程在某种程度上都是不可逆的，因此，鉴于发动机实际工作过程的复杂性，很难用数学解析的方法定量地分析发动机性能参数之间的变化规律，实际工程中将发动机实际工作过程热力循环简化为理想循环进行热力学分析就成为发动机热力循环分析中最基本的解析方法。262021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析在分析过程中，把实际发动机中的热力过程理想化,即用理想的可逆循环代替发动机实际循环，可逆循环中的所有热力过程都是可逆的，我们称之为理想循环过程。在已经得到的简化示功图5-3c)、d)的基础上，对于发动机热力循环过程进一步简化就得到了发动机理想循环示功图，如图5-４所示，为此，采用了如下的假设:272021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析282021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析292021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析(１)工质是理想气体。(２)比热容为常数。(３)所有的过程都是内部可逆的。(４)在所有的热力过程中，工质的质量是不变的，化学成分也是不变的。302021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析(５)发动机的燃烧过程是由假想的热源通过传热，向工质加入一定的热量来实现的。(６)循环中的排气放热过程，是由假想的工质通过传热向低温热源释放一定的热量来实现的。(７)发动机的压缩和膨胀过程是等熵过程。(８)忽略进、排气过程中的所有损失。312021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发动机热力循环分析上述理想循环示功图中的混合加热循环(萨巴德循环)是由高速柴油机实际热力循环简化来的，称之为双燃循环。等容加热循环是由汽油机实际热力循环简化来的，称之为奥托循环(otto)。等压加热循环则是由低速柴油机实际热力循环简化来的，称之为狄赛尔循环(Diesel)。322021年1月3日第五章发动机热力循环分析第一节发动机理想循环发动机原理发