第4章 气体动力循环.ppt

第4章 气体动力循环,2019/11/7,2,§4.1 循环分析的目的和一般方法,分析动力循环的目的是为了得到能够反映该循环特性的规律，并评价其在热能对机械能连续转换及能量有效利用上的工作性能⑴分析动力循环的一般方法,①对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素,②在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆损失，及其产生的原因、大小和改进的办法,对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行热效率分析外，还应当进行熵产或可用能损失方面的分析，以便合理评估循环的完善性,2019/11/7,3,本课程着重于分析动力循环的能量转换效应，因而主要讨论有关动力装置的理论循环，但有时也涉及一些实际循环的问题,实际气体动力循环中的工质有时是空气，但主要是燃气，而且在循环的不同过程中成份不同,燃气的热物性与空气相近，理论分析中,视工质为类似于空气的某种定比热容理想气体,,⑵对实际气体动力循环所作的理想化处理,①,②,实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后均将废气排弃，更换新的工质,理论分析时抽象成闭式循环,燃烧过程视为对工质的加热过程,排气过程视为工质的放热过程,,2019/11/7,4,§4.2 内燃机定容加热理想循环,——奥托（Otto）循环,活塞式内燃机属往复式机器，亦称往复式内燃机(reciprocation internal engine),按完成一个循环的冲程数分,二冲程内燃机、四冲程内燃机,活塞式内燃机每一工作循环包含进气、压缩、燃烧、膨胀和排气等过程,,内燃机按所用燃料分类,汽油机、柴油机、煤气机,,按着火方式分,点燃式、压燃式,,,,2019/11/7,5,⑴汽油机工作过程的示功图,示功图——气缸中工质的压力随容积（活塞的移动）而变化的关系图示,汽油机属点燃式(spark-ignition)内燃机,四冲程汽油机示功图中,0-1 —— 吸气冲程，气体压力略低于大气压力,1-2-3—— 压缩、燃烧冲程，在2处点燃，开始燃烧,3-4 —— 膨胀作功冲程,4-1-0 ——排气冲程，在4处排气阀开启,定容燃烧汽油机示功图,0-1与0-1过程接近重叠,煤气机的工作过程与汽油机类似,2019/11/7,6,汽油机工作循环理想化为可逆定容加热循环,⑵奥托循环,①奥托循环的工作过程,——奥托 (Otto) 循环,奥托循环,,,P,,4,,2,1,3,s,,,T,,,,1,2,3,4,,,,,奥托循环由4过程组成：,1-2 ——绝热压缩过程,2-3 ——定容加热过程,3-4 ——绝热膨胀过程,4-1 ——定容放热过程,,s,,v,,s,,v,,s,,v,,s,,v,2019/11/7,7,②奥托循环中各转折点的参数关系,奥托循环的P-v图,,,P,,4,,2,1,3,,,,,s,,v,,s,,v,由定容过程2-3和4-1，,,①,②,③,,定义,压缩比,由绝热过程1-2和3-4，以及式①,,,④,⑤,2019/11/7,8,,④,⑤,④、⑤两式可改写为,,⑥,⑦,定义,定容升压比,由式②、③、⑤,②,③,,压缩比 和定容升压比 是奥托循环的两个特征参数,⑧,2019/11/7,9,循环的吸热量,③奥托循环的效率(efficiency of Otto cycle),q1 = q23 = u23,工质视为定比热容理想气体,q1 = cv(T3  T2),循环的放热量,q2 =q41  =  u41 ,= cv(T4  T1),,,,P,,4,,2,1,3,,,,,s,,v,,s,,v,循环的热效率,奥托循环,2019/11/7,10,由式⑤,⑤,,,,由式⑧,,,,,式中T1、T2分别为压缩过程的初、终态温度,——并非循环的吸、放热温度!,⑧,,,P,,4,,2,1,3,,,,,s,,v,,s,,v,奥托循环,2019/11/7,11,奥托循环热效率分析,对给定的工质热容比k已知，奥托循环的热效率仅与压缩过程的压缩比  有关,依变关系如图所示, 值较小时，循环热效率随压缩比增大会有显著增加,（↑，t,O↑↑）, 值较大时，循环热效率则随压缩比增大而增加较少,（↑，t,O ↑）,定容加热理想循环的t-关系曲线,①压缩比的影响,压缩比 影响奥托循环热效率的机理在于：,2019/11/7,12,s,,,T,,,,1,2,3,4,,,T3,,2,,,3,4,,,,,,,状态1不变,定容加热循环循环12341,吸热平均温度,↑→,循环 → 12341,,循环热效率t,12341t,12341,放热平均温度,↓→,,T3不变时压缩比 对定容加热理想循环热效率的影响,循环最高温度T3不变,压缩比↑,实际汽油机压缩的为汽油与空气混合成的可燃气体,为防止发生“爆燃”,一般取值, = 5～12,2019/11/7,13,负荷增加要求循环吸热量q1↑,但实际工质并非定比热容理想气体,,T↑→k↓,s,,,T,,,,1,3,4,,2,,,3',4',,,,循环中工质温度水平总体上提高,,循环热效率t,12341t,12341,②热容比k的影响,,负荷增加时,进气状态1不会改变,压缩比不会改变,循环12341 → 12341,理论上奥托循环的热效率不会变化,（注意：教材上p.276图10-8、9及相关论述有问题）,高负荷下机器的热效率下降！,2019/11/7,14,§4.3 内燃机混合加热理想循环,柴油机属于压燃式内燃机,compression-ignition,工作中先吸入空气,高压油泵喷入雾化柴油,燃烧（柴油自燃温度约335℃）,压缩至3.5~5 Mpa，600～800℃,柴油会有滞燃，一旦起燃却非常迅猛，但又需有燃尽期,燃烧表现为先是接近定容,,继而接近为定压过程,排气阀开启后废气迅速降压，近似为定容过程,四冲程柴油示功图,2019/11/7,15,⑴ 柴油机工作过程的示功图,四冲程柴油机工作过程的示功图,四冲程柴油示功图,0-1 —— 进气冲程,1-2-2-3 —— 压缩、燃烧冲程,3-4-5 —— 燃尽、膨胀作功冲程,5-1-0 —— 排气冲程,2喷入柴油； 2起燃,45膨胀作功，P5 =0.3~0.5MPa，t5≈500℃,23迅猛燃烧，5~9MPa,34活塞回行，继续燃尽，T4达1700~1800℃,5排气阀开启，压力迅速降至略高于大气压力,2019/11/7,16,⑵ 柴油机混合加热理想循环,——萨巴德循环（Sabathe cycle, dual cycle ),根据通常柴油机工作过程的示功图,大多数柴油机的工作循环可理想化为混合加热循环,萨巴德循环,——萨巴德循环,s,,,T,4,3,2,1,,,,,,s,,s,,P,,v,,v,,5,v,,,P,,,,1,2,3,4,P,,s,,s,,v,,v,,,5,,,,1——进气状态,12——绝热压缩过程,23——定容加热过程,34——定压加热过程,51——定容放热过程,①萨巴德循环的工作过程,45——绝热膨胀过程,2019/11/7,17,②萨巴德循环中各转折点的参数关系,循环的特征参数除,s,,,T,4,3,2,1,,,,,,s,,s,,P,,v,,v,,5,v,,,P,,,,1,2,3,4,P,,s,,s,,v,,v,,,5,,,,压缩比,定容升压比,尚有,定压预胀比,由绝热过程1-2,由定容加热过程2-3,,由定压加热过程3-4,由绝热过程4-5,①,②,③,2019/11/7,18,因为 v5 = v1,,又因 v3 = v2,,,,,④,③萨巴德循环的热效率,循环的吸热量,萨巴德循环,s,,,T,4,3,2,1,,,,,,s,,s,,P,,v,,v,,5,,循环的放热量,2019/11/7,19,萨巴德循环,s,,,T,4,3,2,1,,,,,,s,,s,,P,,v,,v,,5,,循环的热效率,,①,②,③,④,,整理,,2019/11/7,20,萨巴德循环的热效率分析,工质一定时，影响混合加热循环热效率的因素为、、,,s,,,T,3,2,1,,,,,,5,,,,,,4,3,2,,,,4,,保持进气状态和排气状态不变,放热平均温度将保持不变,,增大循环的压缩比 、定容升压比,,,,循环123451 → 123451,吸热平均温度提高,①,,循环热效率t提高,2019/11/7,21,,s,,,T,3,2,1,,,,,,5,,,,,4,保持进气状态和排气状态不变,放热平均温度将保持不变,,压缩比不变，增大定压预胀比,,,,循环123451 → 123451,吸热平均温度下降,②,,循环热效率t降低,,3,4,由于绝热膨胀作功份额减少,,,且定压加热过程的吸热份额增大,预胀比  = 1时，即v3=v4 时,——混合加热循环将成为定容加热循环,2019/11/7,22,§4.4 内燃机定压加热理想循环,——狄塞尔循环（Diesel cycle）,近代生产的一些高增压柴油机、汽车及船用高速柴油机采用接近为定压的燃烧过程,理想化为定压加热循环——狄塞尔循环,狄塞尔循环与萨巴德循环的不同仅在于,——加热过程完全定压，定容部分消失，,即 = 1,2019/11/7,23,①狄塞尔循环的工作过程,,,T,4,3,2,1,,,,,,s,,s,,P,,v,v,,,P,,,,1,2,3,4,P,,s,,s,,v,,,,,,,s,1为进气状态,12 —— 绝热压缩过程,23 —— 定压加热过程,3-4 —— 绝热膨胀过程,4-1 —— 定容放热过程,4——废气状态，排气阀开启,②狄塞尔循环的热效率,狄塞尔循环相当于定容升压比  = 1时的萨巴德循环,2019/11/7,24,狄塞尔循环的热效率分析,工质一定时,压缩比↑ → t↑,预胀比↑ → t↓,关系如图示,综合三种理论循环情况知，影响内燃机循环热效率的主要因素是压缩比,2019/11/7,25,§4.5 三种内燃机理想循环的比较,⑴初态 1、压缩比  及吸热量q1 相同时,s,,,T,,,1,3S,4O,,2,,,3O,4S,,,,,,3S,3D,4D,,s,,v,,三种循环进气状态1和压缩比相同时,,,压缩过程同为定熵过程12,放热过程在过点1的同一定容线上,由于T-s图上气体的定容线陡于定压线,循环吸热量q1相同时,,加热过程终态的熵s4Os4Ss4D,,图中另两种循环过程应为,若T-s图上奥托循环为123O4O1,萨巴德循环为123S3S4S1,狄塞尔循环为123D4D1,2019/11/7,26,s,,,T,,,1,3S,4O,,2,,,3O,4S,,,,,,3S,3D,4D,,s,,v,,显然三种循环的放热量各不相同,q2D q2S q2O,, 2O2S  2D,由,按另一种方法比较,图中明显看出,由,, 2O2S  2D,,2019/11/7,27,s,,,T,,,1,3S,4O,,2,,,3O,4S,,,,,,3S,3D,4D,,s,,v,,纯粹从热力学角度看来，定容加热内燃机循环比定压加热循环优越。

不过从图上可看出，这时定容加热循环所达到的循环最高温度、最高压力值都最大，就是说，相比之下定容加热循环机器的工作条件最为严酷,而且，实际上点燃式汽油机因存在爆燃问题不可能像压燃式柴油机那样采用较高的压缩比，因此按压缩比相同来比较三种机器的前提条件不尽合理,若按同样工作强度来比较三种机器，情况将发生变化,2019/11/7,28,3,,Pmax,Tmax,,,,,1,P,,,,2D,4,,2O,,2S,3S,,,,,s,,,T,,Tmax,,Pmax,,1,,2D,,,3,4,,2O,,2S,3S,,,,⑵ 初态1、最高温度Tmax、最大压力Pmax 相同,三种循环进气状态1相同时,,,压缩过程在过点1的同一定熵线上,放热过程在过点1的同一定容线上,,s,,s,最高温度相同,最大压力相同,,v,,v。