工程熱力學(xué)結(jié)課課題報告-淺談發(fā)動機(jī)的熱效率問題

1、工程熱力學(xué)結(jié)課課題報告淺談發(fā)動機(jī)的熱效率問題、內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)1.四沖程發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu):1油底殼2機(jī)油3一曲軸4一曲軸同步帶輪5-同步帶6一曲軸箱7一連桿8活塞9水套10-汽缸11一汽缸蓋12一排氣管13凸輪軸同步帶輪14一搖臂15一排氣門16凸輪軸17高壓線18一分電器19空氣濾清器20一化油器21一進(jìn)氣管22一點(diǎn)火開關(guān)23一點(diǎn)火線圈24一火花塞25一進(jìn)氣門26畜電池27飛輪28啟動機(jī)2. 1四沖程發(fā)動機(jī)的基本工作原理1 .進(jìn)氣行程活塞在曲軸的帶動下由上止點(diǎn)移至下止點(diǎn)。此時進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動180。在活塞移動過程中，汽缸容積逐漸增大，汽缸內(nèi)氣體壓力從pr逐漸降低到pa,汽缸內(nèi)形成

2、一定的真空度，空氣和汽油的混合氣通過進(jìn)氣門被吸入汽缸，并在汽缸內(nèi)進(jìn)一步混合形成可燃混合氣。由于進(jìn)氣系統(tǒng)存在阻力，進(jìn)氣終點(diǎn)(圖中a點(diǎn))汽缸內(nèi)氣體壓力小于大氣壓力0p,即pa=(0.800.90)0p。進(jìn)入汽缸內(nèi)的可燃混合氣的溫度，由于進(jìn)氣管、汽缸壁、活塞頂、氣門和燃燒室壁等高溫零件的加熱以及與殘余廢氣的混合而升高到340400K。2 .壓縮行程壓縮行程時，進(jìn)、排氣門同時關(guān)閉?；钊麖南轮裹c(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動，曲軸轉(zhuǎn)動180°。活塞上移時，工作容積逐漸縮小，缸內(nèi)混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達(dá)壓縮終點(diǎn)時，其壓力pc可達(dá)8002000kPa,溫度達(dá)600750K。在示功圖上，壓縮行程為曲線a

3、c。3 .做功行程當(dāng)活塞接近上止點(diǎn)時，由火花塞點(diǎn)燃可燃混合氣，混合氣燃燒釋放出大量的熱能，使汽缸內(nèi)氣體的壓力和溫度迅速提高。燃燒最高壓力pZ達(dá)30006000kPa,溫度TZ達(dá)22002800K。高溫高壓的燃?xì)馔苿踊钊麖纳现裹c(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動，并通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)對外輸出機(jī)械能。隨著活塞下移，汽缸容積增加，氣體壓力和溫度逐漸下降，到達(dá)b點(diǎn)時，其壓力降至300500kPa,溫度降至12001500K。在做功行程，進(jìn)氣門、排氣門均關(guān)閉，曲軸轉(zhuǎn)動180。在示功圖上，做功行程為曲線c-Z-b。4 .排氣行程排氣行程時，排氣門開啟，進(jìn)氣門仍然關(guān)閉，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動，曲軸轉(zhuǎn)動180。排氣門開啟時，燃燒后

4、的廢氣一方面在汽缸內(nèi)外壓差作用下向缸外排出，另一方面通過活塞的排擠作用向缸外排氣。由于排氣系統(tǒng)的阻力作用，排氣終點(diǎn)r點(diǎn)的壓力稍高于大氣壓力，即pr=(1.051.20)p0。排氣終點(diǎn)溫度Tr=9001100K。活塞運(yùn)動到上止點(diǎn)時，燃燒室中仍留有一定容積的廢氣無法排出，這部分廢氣叫殘余廢氣。二、發(fā)動機(jī)工作過程中的奧托循環(huán)1、奧托循環(huán)簡介火花塞過程；壓縮2-3設(shè)程；加熱過程；排氣廣。過程打氣圈1汽油機(jī)工作過桎屎理圖內(nèi)燃機(jī)的四個沖程，其實(shí)是一種熱力循環(huán)，其理想狀態(tài)是定容加熱的熱力循環(huán)，又叫四沖程循環(huán)。四沖程循環(huán)原理1862年由法國的一位工程師首先提出，1876年德國工程師奧托利用這個原理發(fā)明了發(fā)動機(jī)

5、，因這種發(fā)動機(jī)具有轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)良性能，對工業(yè)影響很大，就把這種循環(huán)命名為奧托循環(huán)。2、奧托循環(huán)周期E2其托循環(huán)的力-尸圖吸氣（0壓縮（11)2)這是一個等壓膨脹的過程，空氣和汽油混合氣體進(jìn)入氣缸這是一個絕熱壓縮的過程，空氣和汽油的混合氣體從1（ThM）狀態(tài)變化到2（丁2、2）。爆炸（23）這是一個等體吸熱過程,壓縮到體積2時點(diǎn)火，混合氣體從狀態(tài)2（T2,V2）急劇升溫到（T3,V2）。做功（34）這是一個絕熱膨脹過程，氣體從3（T3,V2）變化到（T4,V1）。排氣（410）這是一個放熱過程，相當(dāng)于氣體從4（T4,V1）狀態(tài)回到1（工,5）。3、奧托循環(huán)的效率在23的等體積過程中，氣體

6、的吸熱量Q1CvQT2）在41的等體積過程中，氣體的放熱量Q2Cv,m（T4T1）其他兩個過程為絕熱過程，因此奧托循環(huán)的效率為Q211Q1T4工T3T21T1T4V2分別代入”T3V1,可得奧托循環(huán)的效率為11V1/V2其中，rV1/V2為氣體的壓縮比，為理想氣體的泊松比實(shí)際中，內(nèi)燃機(jī)的壓縮比r不超過7,去空氣的=1.4,根據(jù)上式可以得到，汽油機(jī)的理論工作效率為,1C，1FT55%I.但是由于各種不理想的狀況，實(shí)際工作中汽油機(jī)的功率比這要小得多。三、發(fā)動機(jī)工作中的卡諾循環(huán)1、背景：卡諾循環(huán)可以想象為是工作與兩個恒溫?zé)嵩粗g的準(zhǔn)靜態(tài)過程，其高溫?zé)嵩吹臏囟葹門1,低溫?zé)嵩吹臏囟葹門2。這一概念是1

7、824年N.L.S.卡諾在對熱機(jī)的最大可能效率問題作理論研究時提出的?？ㄖZ假設(shè)工作物質(zhì)只與兩個恒溫?zé)嵩唇粨Q熱量，沒有散熱、漏氣、摩擦等損耗。為使過程是準(zhǔn)靜態(tài)過程，工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰釕?yīng)是無溫度差的等溫膨脹過程，同樣，向低溫?zé)嵩捶艧釕?yīng)是等溫壓縮過程。因限制只與兩熱源交換熱量，脫離熱源后只能是絕熱過程。作卡諾循環(huán)的熱機(jī)叫做卡諾熱機(jī)。成為熱機(jī)研究的理論依據(jù)、熱機(jī)效率的限制?？ㄖZ定理闡明了熱機(jī)效率的限制，指出了提高熱機(jī)效率的方向（提高T1,降低T3,減少散熱、漏氣、摩擦等不可逆損耗，使循環(huán)盡量接近卡諾循環(huán)）2、條件：a.準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)，可以正逆循環(huán)。b.工質(zhì)為理想氣體。c.工質(zhì)只和兩個溫度不同的恒溫?zé)釒?/p>

8、交換熱量。3、組成：有兩個等溫過程，有兩個絕熱過程組成。4、特點(diǎn)：a.卡諾循環(huán)熱機(jī)效率只與兩個恒溫?zé)釒鞙囟萒1和T2有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。b.它指明提高熱機(jī)效率的方向，即提高T1值或降低T2值。實(shí)際降低T2是困難的，熱電廠盡可能地提高T1溫度。c.卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，實(shí)際循環(huán)效率要小很多。5、卡諾循環(huán)的四個步驟：1 -2過程，等溫膨脹，在這個過程中系統(tǒng)從環(huán)境中吸收熱量；2 -3過程，絕熱膨脹，在這個過程中系統(tǒng)對環(huán)境作功；3 -4過程，等溫壓縮，在這個過程中系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量；4 -1過程，絕熱壓縮，系統(tǒng)恢復(fù)原來狀態(tài)，在這個過程中系統(tǒng)對環(huán)境作負(fù)功。四、熱機(jī)的效率為什么低眾所周知，熱機(jī)就是能夠利用燃

9、料燃燒時放出的能來做機(jī)械功的機(jī)器。熱機(jī)應(yīng)用很廣，但是它的效率低的問題一直在困擾著使用者。那為什么熱機(jī)的效率會這么低呢？首先，熱機(jī)的效率是指熱機(jī)工作部分中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量和工質(zhì)從發(fā)熱器得到的熱量的比。如果用刀表示，則有Q14=1-Q2從式中很明顯地看出Q1越大，Q2越小，熱效率越高，這是熱機(jī)效率中的主要部分，它表明了熱機(jī)中熱量的利用程度。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量是守恒的。而在熱機(jī)工作的過程中，會存在著各種形式的無用能量的散失，比如：由于機(jī)械傳動等克服摩擦說消耗的能量、廢棄帶走的能量等。故其效率會很低。而有些熱機(jī)是利用卡諾循環(huán)制成的，其工作過程如圖:卡諾循環(huán)在p-v圖上的過程曲線:故其效率還可寫

10、成:4=1_T2（這里的溫度指的是絕對溫度。）在目前普遍運(yùn)行的燃煤電廠利用的高溫蒸汽的溫度約為500C,蒸汽冷凝的溫度一般在環(huán)境溫度，約為30Co若按卡諾循環(huán)效率公式計算，其可能達(dá)到的理想效率為T14=1-3=62.7%而實(shí)際電廠的效率約為40%左右，比卡諾循環(huán)的效率低很多。這是因?yàn)閷?shí)際電廠在其工作過程中,使用的工質(zhì)是水和水蒸氣，而不是理想氣體，他們不可能工作在理想卡諾循環(huán)中的兩條等溫線之間（水吸收熱量升溫，蒸發(fā)及產(chǎn)生的水蒸汽的升溫過程中溫度在不斷變化）。而且循環(huán)過程不可能是準(zhǔn)靜態(tài)的，期間不可避免地存在能量損耗。同時，從公式中不難看出，提高效率的方式無非就是降低T2或升高T1,但實(shí)際中要將冷凝

11、溫度降低到環(huán)境溫度以下是很不經(jīng)濟(jì)的，而不斷提高工質(zhì)工作的最高溫度狀態(tài)會對容器、保溫、冷卻等方面都帶來挑戰(zhàn)，這些都是效率低下的原因。五、如何提高熱機(jī)的工作效率1、降低缸體溫度，使刀=1-T1/T2中T1盡量減小，提高效率發(fā)動機(jī)缸體的冷卻原理如下圖所示，發(fā)動機(jī)輸出軸帶動水泵工作，將低溫的冷卻水泵入發(fā)動機(jī)缸體的水套中，冷水和汽缸壁發(fā)生熱交換，將熱量帶到散熱器中排除車外。缸體內(nèi)水套的形狀有多種，如下圖所示睢道武一般式龍門式Atg霹將水套截面設(shè)計成曲面狀，能增加冷卻水和缸體的接觸面積，就能更好地吸收熱量，降低Ti,2、排出的廢氣回收利用，或使其循環(huán)對進(jìn)入熱機(jī)的空氣加溫加熱3、燃料霧化促進(jìn)充分燃燒改進(jìn)霧化器和噴油嘴，改進(jìn)油氣混合方式，使得燃料在氣缸內(nèi)燃燒更充分，較少損失，