內(nèi)燃機熱力循環(huán)-打印版

-.z.內(nèi)燃機熱力循環(huán)一、燃氣輪機循環(huán)

燃氣輪機理想循環(huán)為布雷頓循環(huán)〔BraytonCycle)，它是工質(zhì)連續(xù)流動做功的一種輪機循環(huán)，如圖1所示。它既可作內(nèi)燃布雷頓循環(huán)，又可作外燃布雷頓循環(huán)。內(nèi)燃的布雷頓循環(huán)為開式循環(huán)，常用工質(zhì)為空氣或燃氣。外燃的布雷頓循環(huán)是閉式循環(huán)，通過熱交換器對工質(zhì)加熱，在另一熱交換器排出工質(zhì)余熱。

循環(huán)過程為：

工質(zhì)在壓氣機中等熵壓縮1－2，在燃燒室〔或熱交換器中〕等壓加熱2－3，在燃氣輪機中等熵膨脹3－4和等壓排氣4－1。圖1燃氣輪機循環(huán)燃氣輪機循環(huán)的指示熱效率為

式中，為壓氣機中氣體的壓比，為比熱比。

燃氣輪機開式循環(huán)常與內(nèi)燃機根本循環(huán)配合使用。二、渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)

將渦輪增壓技術(shù)〔或燃氣輪機技術(shù)〕應(yīng)用到內(nèi)燃機上是內(nèi)燃機循環(huán)的一項重大技術(shù)開展。一方面內(nèi)燃機希望獲得更多的進氣〔或可燃混合氣〕充量，以提高內(nèi)燃機的功率和熱效率；另一方面從內(nèi)燃機排出的高溫、高壓廢氣能導入燃氣渦輪中再作功，推動與燃氣渦輪相連〔同軸〕的壓氣機來提高進氣〔或可燃混合氣〕的壓力供應(yīng)內(nèi)燃機，這樣就成為渦輪增壓內(nèi)燃機。渦輪增壓內(nèi)燃機有等壓渦輪和變壓渦輪兩種系統(tǒng)，它們的熱力循環(huán)也有所不同。1．恒壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)

圖2是等壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)。它由內(nèi)燃機根本循環(huán)1→2→3’→3→4→1和燃氣輪機循環(huán)7→1→5→6→圖2等壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)壓氣機將氣體從狀態(tài)7〔大氣壓力p0〕等熵壓縮到狀態(tài)1〔壓力為ps〕之后進入內(nèi)燃機。按內(nèi)燃機熱力循環(huán)到達狀態(tài)4。氣體在排氣過程進入等壓渦輪時由于排氣門的節(jié)流損失和排氣動能在排氣總管內(nèi)的膨脹、摩擦、渦流等損失而變成熱能，氣體溫度升高，體積膨脹而到達狀態(tài)5。氣體從4→5這局部能量沒有利用，對內(nèi)燃機來說相當于從狀態(tài)4直接回到狀態(tài)1。氣體在等壓渦輪中從狀態(tài)5等熵膨脹到狀態(tài)6，然后排入大氣。

2．變壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)變壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)如圖3。與等壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)不同，變壓渦輪增壓內(nèi)燃機中氣體從狀態(tài)4進入變壓渦輪中排氣能量不會由于排氣管突然變粗而膨脹損失，進入變壓渦輪前的氣體壓力在p4與p1’之間變化。如不計氣體流動中的摩擦損失，氣體在渦輪中的膨脹從開場排氣時的p4→p5到最后的p1’→p5圖3變壓渦輪增壓內(nèi)燃機熱力循環(huán)內(nèi)燃機的等容放熱過程4→1可看成為渦輪的等容加熱過程1→4，然后為氣體在渦輪內(nèi)的等熵膨脹4→5。5→6為等壓放熱過程。6→1為氣體在壓氣機中的等熵壓縮過程。三、渦輪增壓中冷內(nèi)燃機熱力循環(huán)渦輪增壓中冷內(nèi)燃機循環(huán)是在渦輪增壓內(nèi)燃機循環(huán)的根底上將經(jīng)壓氣機出口進入內(nèi)燃機進氣管的空氣進展預(yù)先冷卻，即空氣從狀態(tài)1'→3變?yōu)?→2〔圖4)，冷卻帶走的熱量為Q6，以增加進入氣缸內(nèi)的空氣充量，降低循環(huán)溫度，特別是降低燃氣的最高溫度，有利于抑制、減少NO*的排放。圖4渦輪增壓中冷柴油機的熱力循環(huán)渦輪增壓中冷內(nèi)燃機循環(huán)指示熱效率為式中，ε1=V1/V2為壓氣機的壓縮比；，ρ=V6/V5為初膨脹比；W=V2/V3為中冷比；δ=V7/V6為后膨脹比；ε2=V3/V4為內(nèi)燃機壓縮比；λ=P5/P4為壓力升高比；ε0=ε1ε2為增壓內(nèi)燃機總壓比。圖中，Q1為內(nèi)燃機中氣體等容加熱量；Q2為內(nèi)燃機中氣體等壓加熱量；Q3為渦輪中氣體等壓加熱量；Q4為內(nèi)燃機中氣體等容放熱量；Q5為渦輪中氣體等壓放熱量；Q6為中冷器中氣體冷卻量。

如無中冷，W=1，則四、阿特金森熱力循環(huán)〔AtkinsonCycle)

阿特金森循環(huán)〔圖5〕是一種內(nèi)燃機循環(huán)。它與奧托循環(huán)的差異在于排氣過程是等壓而不是等容。如p－V圖，T－S圖所示。在一樣工質(zhì)數(shù)量和加熱量的條件下，它有較大的膨脹功，所以熱效率高。圖5阿特金森熱力循環(huán)阿特金森循環(huán)曾應(yīng)用于沙金(Sargent〕煤氣機上〔圖6〕。煤氣與空氣的混合氣以大氣壓力p0進入氣缸，當活塞向下死點運行至3S/4行程時，進氣門就關(guān)閉，在其余S/4行程內(nèi)混合氣體就在氣缸中沿。aa〞線膨脹至低于大氣壓的a〞點，當活塞從下止點向上止點運動時，缸內(nèi)混合氣仍沿a〞a線，并繼續(xù)絕熱壓縮到c點。其后，工質(zhì)繼續(xù)被絕熱壓縮至上死點c。在c點點火并按等容過程進展燃燒。由于膨脹行程比壓縮行程約大1/4，阿特金森循環(huán)功比奧托循環(huán)功增加相當于陰影面積。但實際上因膨脹后期膨脹壓力較低，膨脹功并不大。如果設(shè)計與制造水平不高，減去摩擦功及散熱量的增加最后所得無幾，反而使構(gòu)造復(fù)雜。自由活塞壓氣機和燃氣渦輪組成的內(nèi)燃機循環(huán)可近似看成這種循環(huán)。圖6沙金煤氣機熱力循環(huán)五、米勒熱力循環(huán)〔MillerCycle)米勒熱力循環(huán)是1951年由米勒提出。在汽油機或煤氣機局部負荷工作時通過調(diào)節(jié)配氣定時，可以減小泵氣損失，使氣缸內(nèi)工質(zhì)的膨脹比大于壓縮比，如圖7(a〕中的膨脹線3－4和壓縮線1－2，以改善汽油機或煤氣機在低負荷時的效率下降。在一樣的壓縮比下，米勒循環(huán)熱效率要比阿特金森循環(huán)熱效率高。在由于爆燃而限制汽油機壓縮比提高的情況下，增大膨脹比可改善循環(huán)的指示效率。在柴油機上米勒熱力循環(huán)是阿特金森熱力循環(huán)在高增壓內(nèi)燃機上的開展與應(yīng)用。其實質(zhì)是低溫高增壓，即利用提前關(guān)閉進氣門使進氣充量減小，并在進氣行程中在氣缸內(nèi)繼續(xù)膨脹、冷卻，實現(xiàn)可變壓縮比和不變的膨脹比。用于柴油機上的米勒熱力循環(huán)如圖7(b〕、〔c〕。圖7米勒熱力循環(huán)(a〕汽油機方式；(b〕、〔c〕柴油機方式在較高的進氣壓力ps與不變的壓縮比ε下，依靠不同程度提前關(guān)閉進氣門，以適應(yīng)不同的增壓壓力，從而自動調(diào)整實際壓縮比，維持壓縮終了壓力pc和最大爆發(fā)壓力pzma*不變，完成acz’zba’a熱力循環(huán)。其余的排氣能量bb'a〞則在廢氣渦輪中利用并推動壓氣機作功。壓氣機將空氣壓力從p0提高到ps〔在a〞b〞膨脹線上或在b〞a〞壓縮線上〕。

一般增壓的內(nèi)燃機熱力循環(huán)與米勒熱力循環(huán)的比擬如圖8，其熱力參數(shù)如表1。米勒循環(huán)的優(yōu)點為：

①在一樣的壓縮終了壓力p2下允許到達較高的平均有效壓力pe；

②指示熱效率ηi高；

③在起動與低負荷時運轉(zhuǎn)性能良好；④可獲得較高的容積效率，特別是可改善內(nèi)燃機在低速運轉(zhuǎn)時空氣量的缺乏；⑤在膨脹終了溫度t5及燃燒最高溫度t4根本不變時可大幅度提高平均有效壓力pe，因而可保證高增壓內(nèi)燃機的機械負荷和熱負荷不變。

圖8一般增壓內(nèi)燃機與高增壓米勒熱力循環(huán)內(nèi)燃機比擬(a〕一般增壓循環(huán)；(b〕較高增壓米勒循環(huán)；〔c〕高增壓米勒循環(huán)表1不同循環(huán)方式的熱力參數(shù)比擬米勒循環(huán)適用于大缸徑的中、低速柴油機上，在長沖程發(fā)動機上能充分發(fā)揮優(yōu)勢。六、多缸內(nèi)燃機保持最正確熱效率的各種熱力循環(huán)

內(nèi)燃機特別是移動式〔車輛、船只〕內(nèi)燃機其工作負荷是變化的，因而其熱力循環(huán)參數(shù)是不同的。在局部負荷時循環(huán)熱效率大為降低。為了保持最正確熱效率，在多缸內(nèi)燃機上，特別是在高增壓的柴油機上采用停缸、充量轉(zhuǎn)換和順序增壓等熱力循環(huán)方式。

1．?！碴P(guān)〕缸

在多缸高增壓柴油機上，由于要限制柴油機內(nèi)燃氣的最大爆發(fā)壓力和最高溫度，都要適當降低壓縮比ε〔視增壓度上下ε=10～14〕。但在局部負荷或小負荷時會使起動困難，燃燒惡化，有害氣體排放增加。在此情況下與其各個氣缸的熱力循環(huán)都不好，不如關(guān)掉一些缸而讓另一些氣缸在最好的熱力循環(huán)下工作。

德國MTU公司396－03系列增壓柴油機采用的關(guān)缸技術(shù)是將柴油機的氣缸分為兩組。同軸的噴油泵齒桿分別控制供應(yīng)該兩組氣缸油量的噴油泵柱塞。在液壓油的作用下同軸的噴油泵齒桿可以相對移動，使一組氣缸供油，一組氣缸不供油。

2．停缸與充量轉(zhuǎn)換

高增壓柴油機當壓縮比ε=8.5～12時，壓縮終了氣體壓力和溫度都大幅度下降，起動時起動轉(zhuǎn)速低，在氣缸上也沒有形成有效的油膜，氣缸內(nèi)漏氣量也明顯增加〔約為壓縮開場時氣缸內(nèi)充氣量的80％～85％)，這些都使柴油機的起動十分困難，燃燒也不好。為此可采用氣缸充量轉(zhuǎn)換方式，將停缸〔也即供氣缸〕的壓縮空氣通入工作缸〔也即充氣缸〕內(nèi)。為了保證供氣壓力和正確的配氣相位，供氣缸必須比充氣缸提早50o～120o曲軸轉(zhuǎn)角，即充氣缸開