吉大工程熱力學(xué)講義第8章 氣體的動力循環(huán)

在活塞式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置中，作為工質(zhì)的物質(zhì)都是燃燒后產(chǎn)生的燃?xì)?。由于燃?xì)獾男再|(zhì)可看作理想氣體，因此內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的實(shí)際工作循環(huán)可抽象為理想氣體的熱機(jī)循環(huán)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律及熱力學(xué)第二定律的基本表達(dá)式，通過熱力學(xué)分析，可以得到各種熱機(jī)循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。熱機(jī)循環(huán)熱力學(xué)分析的目的是按照循環(huán)的熱力過程性質(zhì)，確定參數(shù)間的關(guān)系，研究熱機(jī)利用熱能的經(jīng)濟(jì)性即循環(huán)熱效率，以及分析參數(shù)變化對循環(huán)熱效率的影響。本章除主要討論活塞式內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)裝置的理想循環(huán)外，也介紹其它一些燃?xì)鈩恿ρb置，如噴氣發(fā)動機(jī)、自由活塞發(fā)動機(jī)以及活塞式熱氣發(fā)動機(jī)活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)常用示功圖來說明，在圖中示出內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)氣缸中氣體壓力隨氣缸容積變化的關(guān)系。圖8-1所示是四行程壓燃式內(nèi)燃機(jī)即柴油機(jī)的實(shí)際示功圖。線段0-1為進(jìn)氣過程，由于進(jìn)氣管路的阻力，氣缸內(nèi)氣體的壓力稍低于環(huán)境壓力；線段1-2為壓縮過程，隨著活塞推進(jìn)，氣缸容積減小，氣體壓力提高；線段2-3-4為燃燒過程，其中線段2-3表示活塞處于上死點(diǎn)附近時(shí)，燃料在氣缸中的燃燒過程，此時(shí)由于氣缸容積無顯著變化，而燃料燃燒使得氣缸中氣體壓力急劇升高；線段3-4表示活塞開始向下死點(diǎn)移動，而燃料繼續(xù)在氣缸中燃燒的過程，此階段氣缸中氣體的壓力變化不大；線段4-5為膨脹過程，高溫高壓燃?xì)馔苿踊钊苿佣鞴Γ痪€段5-0為排氣過程，開始時(shí)活塞處于下死點(diǎn)附近，容積變化較慢，而廢氣壓力較高，故容積尚無顯著變化時(shí)，廢氣已大量排入大氣而氣缸內(nèi)壓力迅速下降至接近大氣壓力，然后隨著活塞移動容積減小，繼續(xù)把缸內(nèi)廢氣排至大氣中。如果忽略實(shí)際過程中的摩擦阻力、擾動等損失，燃燒所需時(shí)間以及散熱損失等因素的影響，則可由實(shí)際示功圖理想化為圖8-2所示的理論示功圖：線段0-1為在大氣壓力下的定壓進(jìn)氣過程；線段1-2為絕熱的壓縮過程；線段2-3為定容的燃燒過程；線段3-4為定壓燃燒過程；線段4-5為絕熱膨脹過程；線段5-1為定容下氣缸排氣而氣缸中壓力下降的過程；線段1-0為在大氣壓力下的根據(jù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的理論示功圖，就可確定相應(yīng)的理想熱力循環(huán)。這時(shí)可按各個(gè)過程的性質(zhì)分別取相應(yīng)的可逆過程。按第一章中關(guān)于熱力循環(huán)的敘述，可用可逆的絕熱膨脹過程及壓縮過程代替實(shí)際的膨脹及壓縮過程，用可逆的定容加熱過程及定壓加熱 程代替定容排氣過程。因?yàn)槎▔哼M(jìn)氣過程0-1與定壓排分析時(shí)可不考慮這兩個(gè)過程。于是就得到如圖8成：絕熱壓縮過程1-2；定容加熱過程2-3；定壓加熱根據(jù)熱機(jī)循環(huán)熱效率的定義，可將混合加熱循環(huán)的熱效率表式中，q'1及q"1分別表示在定容加熱過程及定壓加熱過程中工質(zhì)T3)q2＝cV0將q、q′及q2代入式(a)，有熱機(jī)循環(huán)的熱效率常用熱機(jī)循環(huán)特性參數(shù)來說明。用來描述混合加熱循環(huán)的循環(huán)特性參數(shù)有壓縮比ε=v1/v2、壓力升高比λ=p3/p2及預(yù)脹比ρ=v4/v3等。設(shè)比熱容可取為定值，則按各過程變，則提高壓縮比ε可提高混8-4)，但隨著壓縮比ε的逐漸 (2)如果壓縮比ε不變，則提高壓力升高比λ和減低預(yù)脹比ρ,可提高混合加熱循環(huán)的熱效率。如圖8-5所示，當(dāng)λ及ρ不變而提高ε時(shí)，壓縮終了溫度由T2提高到T2'，而使加熱過程2'-3'-4'的平均加熱溫度T1高于加熱過程2-3-4的平均加熱溫度Tm1，因8-6所示，當(dāng)ε不變而提高λ及減低ρ時(shí)，由于加熱過程2-3'-4'的平均加熱溫度T1高于加熱過程2-3-4的平均加熱溫度Tm1，因式內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)基本相同。但點(diǎn)燃式內(nèi)預(yù)先混合好的燃料與空氣的混合氣，混合氣點(diǎn)燃，由于此時(shí)活塞處于上死點(diǎn)附近，移動為迅速，整個(gè)燃燒過程中氣缸容積基本不變下完成全部燃燒過程。因此，其工作循環(huán)所環(huán)為定容加熱循環(huán)，或稱為奧圖循環(huán)。如圖8-7循環(huán)可以看作是混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，其預(yù)脹比ρ=1，即無將ρ=1代入混合加熱循環(huán)的熱效率表示式(8-1)，即可得到上式說明：內(nèi)燃機(jī)定容加熱循環(huán)的熱效率主要和壓縮比有關(guān)，此外還和等熵指數(shù)有關(guān)。隨著壓縮比的提高，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的熱效 點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)如汽油機(jī)等會產(chǎn)生不正常的爆燃現(xiàn)象，因此壓縮比上式說明：隨著壓力升高比λ及壓縮比ε增加，定容加熱循環(huán)的近年來，有些增壓柴油機(jī)及汽車用高速柴油機(jī)的燃燒過程，主要在活塞離開上死點(diǎn)后的一段行程中進(jìn)行。這時(shí)，一面進(jìn)行燃燒一面進(jìn)行膨脹，在整個(gè)燃燒過程中氣缸內(nèi)的壓力基本上不變，循環(huán)為定壓加熱循環(huán)，或稱為笛塞爾循環(huán)。早期的低速柴油機(jī)也是按此循環(huán)工作。如圖8-8所示，定壓加熱循環(huán)也可以看作是混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，其壓力升高比λ=1，即無定容加熱過程。因而，根據(jù)式(8-1)便可得到定壓加熱循環(huán)的該式說明：提高壓縮比及降低預(yù)脹比，可以提高定壓加熱循環(huán)的提高壓縮比使定壓加熱循環(huán)的循環(huán)熱效率提高的關(guān)系，顯然和混合加熱循環(huán)相同，是由于加熱過程的平均加熱溫度得到提高的緣故，其分析過程仍可參閱圖8-5。至于預(yù)脹比對循環(huán)熱效率的影響，如圖8-9所示，當(dāng)預(yù)脹比提高時(shí)加熱過程2-3及放熱過程4-1都發(fā)生變化，而平均加熱溫度T1＞Tm1，平均放熱溫度T2＞Tm2。但定容放熱過程的曲線要比定壓加熱過程的曲線陡，相應(yīng)的平均放熱溫度的增加比平均加熱溫度的增加要迅速。因此，按等效卡諾循環(huán)熱效率公式(5-3')，定壓加熱循環(huán)的熱效率將隨預(yù)脹比根據(jù)式(8-2)，取λ=1，便可得到定壓加熱循環(huán)的循環(huán)凈功對于點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)所用燃料確定時(shí)，相應(yīng)允許的最高壓縮比就基本確定了。因此，應(yīng)以一定的壓縮比為條件來比較三種 理想循環(huán)的熱效率。由于內(nèi)燃機(jī)都是由環(huán)境中吸取大氣為工質(zhì)，即各理想循環(huán)的初始狀態(tài)都相同，因而在壓縮比相同時(shí)三種理想循環(huán)的T-s圖如圖8-10所示，圖中三者的放熱過程相同而加熱過程不同。由圖可知：定容加熱過程2-3的平均加熱溫度Tm1,V最高，定壓加熱過程2-3"的平均加熱溫度Tm1,p最低；先定容加熱后定壓加熱的混合加熱過程2-2'-3'的平均加熱溫度Tm1,c則介于兩者對于一般壓燃式內(nèi)燃機(jī)，其壓縮比主要決定于保證燃料能可靠地點(diǎn)燃和正常燃燒的需要。當(dāng)工作條件一定時(shí)，其壓縮比基本上也是確定的。但其壓縮比一般比較高，而壓縮終了壓力也較高。為了避免燃燒終了壓力過高造成發(fā)動機(jī)工作粗暴、噪聲和振動太大，壓燃式內(nèi)燃機(jī)不宜按定容加熱循環(huán)工作，但仍應(yīng)按混合加熱循環(huán)工作，以得到較高的熱效率。為了得到更高的熱效率，對于高增壓柴油機(jī)，因受機(jī)件強(qiáng)度的限制，必須控制其最高壓力及最高溫度。又如有些汽車用高速柴油機(jī)，為了改善工作平順性，減少噪聲及振動，也必須控制其最高壓力。因此應(yīng)以一定的最高溫度及最高壓力為條件來比較三種理想循環(huán)的熱效率。如圖8-11所示，三種理想循環(huán)的放熱過程相同而加熱過程不同，其中定壓加熱過程2"-3的平均加熱溫度，Tm1,p最高，定容加熱過程2-3的平均加熱溫度Tm1,V最低；而混合加熱過程2'-3'-3的平均加熱溫度T即在最高溫度及最高壓力一定的條件下，定最高。因而，高增壓柴油機(jī)及需要良好平順性的汽車用高速柴油此外，根據(jù)上述結(jié)論，當(dāng)燃燒終了最高壓力及最高溫度相同時(shí)，按混合加熱循環(huán)工作的壓燃式內(nèi)燃機(jī)的熱效率，必然高于按定容加熱循環(huán)工作的點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)。實(shí)際上，壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒終了溫度及壓力要比點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的高，因此它的熱效率要顯和往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)相似，因此本節(jié)所述內(nèi)容原例8-1試計(jì)算一活塞式內(nèi)燃機(jī)混合加熱循環(huán)的各點(diǎn)狀態(tài)、加熱量、放熱量、循環(huán)凈功和熱效率。已知：t1=ε=17，λ=1.8，ρ=1.3，工質(zhì)p2＝p1εκ=9.81×104Pa×171.4＝5.18×106Pa＝5.18MPa p3＝p2λ=5.18MPa×1.8＝9.32MPaT3＝T2λ=910K×1.8＝1638Kp4＝p3＝9.32MPa=9.81×104Pa×1.8×1.31.4＝2.55×105T5＝T1λρκ=293K×1.8×1.31.4＝761.3K如圖8-15所示，W0＝W1-2＋W3-4＋W4-5。=-516JW2-3＝p3(V4－V3)=9.32×106Pa×(7.64×10-5－5.88×10-5)m3=164J=1143JW0＝W1-2＋W3-4＋W4-5516J＋164J＋1143J＝791J=1182J=391J8-2燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置的主要組成如圖8-13所示，它包括壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)三部分。工作時(shí)，壓氣機(jī)由大氣中吸入空氣并進(jìn)行絕熱壓縮。然后把空氣送入燃燒室，和燃料一起在定壓下燃燒而生成高溫燃?xì)?。在燃?xì)廨啓C(jī)中高溫燃?xì)膺M(jìn)行絕熱膨脹，推動葉輪輸出軸功后，在定壓下把廢氣排入大氣。此外還有一種燃?xì)廨啓C(jī)裝置，如圖8-14所示，它以氦氣為工質(zhì)。工作時(shí)，氦氣在壓氣機(jī)中壓縮升壓后，送至加熱器在定壓條件下從外部進(jìn)行加熱，使氦氣的溫度達(dá)到所需高溫。接著，高溫氦氣在氣輪機(jī)中進(jìn)行絕熱膨脹，推動葉輪輸出軸功。最后把膨脹作功后的低壓氦氣送入冷 卻器定壓放熱而完成整個(gè)工作循環(huán)。這類裝置稱為閉式燃?xì)廨啓C(jī)裝置。由于它采用外部加熱，因此可燃用劣質(zhì)的固體燃料或應(yīng)用原子能反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量來加熱工質(zhì)。但其工質(zhì)的狀態(tài)變化過程根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)裝置工作循環(huán)中各過程的性質(zhì)，相應(yīng)的理想熱力循環(huán)由四個(gè)可逆過程組成，如圖8-15所示：絕熱壓縮過程1-2；定壓加熱過程2-3；絕熱膨脹過程3-4；定壓放熱過程4-1。這定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)特性常用增壓比π=p2/p1及最高溫度T3(或升溫比τ=T3/T1)表示。設(shè)比熱容取作定值，則由絕熱過程該式說明：定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的熱效率，主要隨增取燃?xì)廨啓C(jī)裝置中高溫燃?xì)獾臏囟葹橐欢ㄖ担瑒t當(dāng)絕熱壓縮過程的增壓比提高時(shí)，如圖8-16所示，定壓4'-1的平均放熱溫度Tm2低于T2。按照等效卡諾循環(huán)的熱效率公式可 燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的凈功，為燃?xì)廨啓C(jī)所作軸消耗軸功兩者之差。在燃?xì)廨啓C(jī)中，工質(zhì)在絕熱膨脹過程中對外此式說明，當(dāng)最高溫度T3一定時(shí)，循環(huán)凈功決定于增壓比。為找時(shí)循環(huán)凈功w0有極大值。也就是說，當(dāng)增壓比小于πmax,w0增壓比的增大，循環(huán)凈功不斷增大；而當(dāng)增壓比超過πmax,w0著增壓比的增大，循環(huán)凈功不斷減小。如圖8-17所示，在T-s圖上，而把其它過程仍看作可逆過程，則燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際所示。圖中：過程1-2'為不可逆絕熱壓縮過程的定壓吸熱過程；過程3-4'為不可逆絕熱膨脹 (ws)c,s＝h2－h(huán)1。于是，不可逆絕渦輪機(jī)效率的數(shù)值在0.88～0.92之間，而可逆絕功為(ws)3-4＝h3－h(huán)4，于是不可逆絕熱膨脹過程中燃?xì)廨啓C(jī)所作h4) 因?yàn)門1、T2、T3、T4均為理想定壓加熱循環(huán)各點(diǎn)的參數(shù)，并有T2/T1＝T3/T4=π(κ?1)/κ,(1)增大升溫比τ可以提高循環(huán)熱效率。因溫度T1決定于大氣環(huán)境，故主要是提高燃燒所得高溫燃?xì)獾臏囟萒3。目前，這是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的主要方向。限制燃?xì)鉁囟忍岣叩闹饕蛩厥禽啓C(jī)葉片的耐熱強(qiáng)度，一般允許的燃?xì)鉁囟仍?00℃~800℃之間，個(gè)別情況下采用特殊耐熱合金并采用完善的冷卻措施時(shí)，燃?xì)鉁匦视幸粋€(gè)極大值，如圖8-19所示。當(dāng)升溫比增大時(shí)，與熱效率(3)提高壓氣機(jī)絕熱效率及渦輪機(jī)效率時(shí)，循環(huán)熱效率也隨燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度往往高于進(jìn)入燃燒室的壓縮后空氣的溫度，因此可以利用廢氣的高溫余熱對燃燒前空氣進(jìn)行預(yù)熱，以減采用回?zé)岽胧┑娜細(xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖如圖8-20所示。它與一般燃?xì)廨啓C(jī)裝置不同之處，是在壓氣機(jī)和燃燒室之間設(shè)置了一個(gè)回?zé)崞鳎糜谌細(xì)廨啓C(jī)排出的廢氣和壓氣機(jī)送出的高壓氣體之如圖8-20所示。圖中：1-2為壓氣機(jī)中的絕熱壓縮過程；2-6為回?zé)崞髦械亩▔侯A(yù)熱過程；6-3為燃燒室中的定壓加熱過程；3-4為燃?xì)廨啓C(jī)中的絕熱膨脹過程；4-5為回?zé)崞髦械亩▔悍艧徇^程；在理想情況下，空氣在回?zé)崞髦械玫匠浞诸A(yù)熱，其溫度可升 熱量q＝h4－h(huán)2。而在實(shí)際情況下，空氣在回?zé)崞髦兴_(dá)到的溫度總是低于排氣溫度，即T6＜T4，相應(yīng)地空氣在回?zé)崞髦袑?shí)際得到的熱量為q'＝h6－h(huán)2。通常把空氣在回?zé)崞髦袑?shí)際所得熱量與采用回?zé)岽胧r(shí)，如圖8-20所示，空氣進(jìn)入燃燒室時(shí)的溫度，由T2提高到了T6，從而大大提高了燃燒室中空氣定壓加熱過程的平均加熱溫度。同時(shí)，排入大氣的廢氣溫度也由T4降低到了此，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式可知，采用回?zé)岽胧┠芴岣呷饥僭龃笊郎乇圈?可提高燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)的熱效率；②當(dāng)升溫比τ及回?zé)岫圈桃欢〞r(shí)，隨著增壓比π的提高，回(2)采用多級壓縮中間冷卻以提高循環(huán)熱效率的主要途徑是提高平均加熱溫度及降低平均放熱溫度。如果在采用回?zé)岽胧┑幕A(chǔ)上，再采用多級壓縮中間冷卻措施，以及多級膨脹中間再熱措施，則可把回?zé)嵫h(huán)的平均加熱溫度進(jìn)一步提高，以及把平均放熱溫度進(jìn)一步降低，從而提高循環(huán)熱效率。圖8-22為這種燃?xì)廨啓C(jī)裝置的示意圖及其理s圖。這種裝置把壓氣機(jī)分成低壓氣缸及高壓氣缸兩部分，并在兩者之間設(shè)置中間冷卻器；燃?xì)廨啓C(jī)也分為高壓級及低壓級兩部 分，并在兩者之間加設(shè)中間燃燒室。根據(jù)這種s圖，可以看出，采用多級壓縮中間冷卻，可使壓縮終了溫度降低。而采用多級膨脹中間再熱，可使膨脹終了溫度提高。這兩方面都可使回?zé)岬臏囟确秶鬄閿U(kuò)展，從而提高平均吸熱溫度及降低平均放熱溫度，使循環(huán)熱效率得到較大的提高。但是這種裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，因而常單獨(dú)采用多級壓縮中間冷卻，或8-3增壓內(nèi)燃機(jī)及其循環(huán)為了增加內(nèi)燃機(jī)每循環(huán)所作的功，增加內(nèi)燃機(jī)利用專門的壓氣機(jī)提高空氣的壓力及密度，然后送入內(nèi)燃機(jī)氣缸，從而使相同的氣缸容積內(nèi)充入更多的空氣量。這種方法稱為增壓。柴油機(jī)采用增壓后，功率可增高30100甚至增加更多。由于汽油機(jī)采用增壓容易發(fā)生不正常的爆燃現(xiàn)象，因此除了用于空氣稀薄的處所如高空及高原地區(qū)外，汽油機(jī)都不采用增用于增壓的壓氣機(jī)，稱為增壓器。它可由內(nèi)燃機(jī)本身的主軸帶動，也可以由一種依靠內(nèi)燃機(jī)廢氣能量工作的小型燃?xì)廨啓C(jī)，即廢氣渦輪來驅(qū)動。當(dāng)采用廢氣渦輪來驅(qū)動增壓器時(shí)，可以充分利用廢氣能量，從而改善內(nèi)燃機(jī)對熱能的利用程度，提高經(jīng)濟(jì)性，因此廢圖8-23為廢氣渦輪增壓柴油機(jī)的示意圖，當(dāng)廢氣由氣缸流入排氣總管時(shí)，氣缸內(nèi)氣體減少的熱力學(xué)能將轉(zhuǎn)變?yōu)榱魅肱艢夤軞怏w的焓，然后氣體進(jìn)入廢氣渦輪，在其中絕熱膨脹到大氣壓力后排入大氣。在廢氣渦輪中，氣體焓的減小轉(zhuǎn)變?yōu)閺U氣渦輪的軸功輸用于驅(qū)動增壓器。在增壓器中，從大氣吸入的空氣經(jīng)絕熱廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)如圖8-24所示。其中循環(huán)1-2-3-4-5-1為內(nèi)燃機(jī)的混合加熱循環(huán)，過程5-1即為內(nèi)燃機(jī)定容排氣而氣缸內(nèi)氣體熱力學(xué)能減少的過程。過程1-6為廢氣渦輪定壓進(jìn)氣而其中氣體的焓增加的過程，該過程中增加的焓的數(shù)值應(yīng)等于過程5-1中內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)氣體熱力學(xué)能減小的數(shù)值。過程6-7為廢氣渦輪中氣體的絕熱膨脹過程，過程7-8為廢氣在大氣中定壓放熱的過程，過程8-1為增壓器中氣體的絕熱壓縮過程。實(shí)際上，該理想循環(huán)就相當(dāng)于由一個(gè)內(nèi)燃機(jī)的混合加熱循環(huán)和一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)定壓加熱循環(huán)疊加而成，因此關(guān)于該理想循環(huán)的它本身不直接輸出功率，而是與壓氣機(jī)相結(jié)合，把全部功率用于驅(qū)動壓氣機(jī)生產(chǎn)壓縮氣體。它也可作為燃?xì)獍l(fā)生器而與燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合動力裝置，稱為自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置。這是一種重量 缸2中有兩個(gè)相對放置的自由活塞3，它們的外端分別與壓氣塞直接連成一體。當(dāng)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的氣體燃燒后進(jìn)行膨脹時(shí)，推動兩活塞分別向兩端外移，并壓縮兩端氣墊氣缸7內(nèi)的空氣，將發(fā)動機(jī)所發(fā)出的全部有效功儲存在空氣中。在活塞外移的過程中，隨著壓氣機(jī)氣缸6容積的增大，壓氣機(jī)通過進(jìn)氣閥5從大氣中吸進(jìn)空氣。當(dāng)活塞外移接近端部時(shí)，右邊的活塞首先把氣缸上的排氣孔8打開，氣缸中的高溫燃?xì)饬⒓唇?jīng)排氣口流入儲氣罐9，接著左邊的活塞又把氣缸上的掃氣口11打開，掃氣箱12內(nèi)壓縮空氣進(jìn)入氣缸，把殘留在氣缸中的燃?xì)怛?qū)入燃?xì)鈨夤蓿⑹箽飧變?nèi)充滿新鮮的壓縮空氣。由于這時(shí)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)壓力較低，因而在兩端氣墊氣缸內(nèi)高壓空氣的推動下，活塞由兩端向氣缸中間內(nèi)移。當(dāng)兩個(gè)活塞分別把排氣孔及掃氣孔關(guān)閉后，發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的空氣即在絕熱條件下進(jìn)行壓縮。同時(shí)壓氣機(jī)氣缸內(nèi)的空氣也縮而提高壓力，當(dāng)其壓力達(dá)到掃氣箱內(nèi)壓力時(shí)，輸氣閥4打開，位置時(shí)，由噴油器1把燃料噴入發(fā)動機(jī)氣缸中進(jìn)行燃燒。燃燒結(jié)束后就又開始膨脹過程，進(jìn)行新的工作循環(huán)。由發(fā)動機(jī)送入儲氣罐9中的高溫高壓的燃?xì)?，不斷地送入燃?xì)廨啓C(jī)10中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發(fā)動機(jī)中燃?xì)馀蛎浰鞯墓θ客ㄟ^活塞用于壓氣機(jī)的壓縮功，所以燃?xì)廨啓C(jī)所輸出的3-4-5-1為自由活塞發(fā)動機(jī)氣缸中工質(zhì)所完成的混合加熱循環(huán)。過程1-6為定壓下向儲氣罐充氣的過程，過程6-7為燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中的絕熱膨脹過程，過程7-8為廢氣在大氣中的定壓放熱過程，過程8-1則為空氣在壓氣機(jī)氣缸中的絕熱壓縮過程。根據(jù)自由活塞發(fā)動機(jī)中的能量平衡，壓氣機(jī)消耗的軸功等于自由活塞發(fā)動機(jī)的循環(huán)凈功，所以p-v圖上循環(huán)1-2-3-4-5-1的面積應(yīng)和壓氣機(jī)壓氣過程8-1左側(cè)面積8-1-a-b-8相等。而整個(gè)裝置輸出的功，也就是燃?xì)廨啓C(jī)輸出的軸功，可用燃?xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹過程6-78-5噴氣式發(fā)動機(jī)及其循環(huán)在噴氣式發(fā)動機(jī)中，燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔ㄟ^噴管時(shí)，在其 中絕熱膨脹而獲得高速。當(dāng)高速氣流從噴氣式發(fā)動機(jī)尾部噴出時(shí)，它所產(chǎn)生的反作用力就推動發(fā)動機(jī)向著與氣流相反的方向前進(jìn)。由于噴氣式發(fā)動機(jī)的重量輕、體積小、功率大，特別是其功率隨著它本身運(yùn)動速度的提高而增大，因此用作航空發(fā)動機(jī)具有特別優(yōu)異的性能。幾十年來，噴氣式發(fā)動機(jī)已經(jīng)逐步取代了其它時(shí)，空氣就以相等的速度進(jìn)入噴氣發(fā)動機(jī)。這時(shí)，高速空氣流首先在發(fā)動機(jī)前端的擴(kuò)壓管1中降低流速提高壓力，然后進(jìn)入壓氣機(jī)2，在其中經(jīng)絕熱壓縮進(jìn)一步提高壓力。壓縮后的空氣在燃燒室3中和噴入的燃料一起進(jìn)行定壓燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)馐紫仍谌細(xì)廨啓C(jī)4中絕熱膨脹產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣機(jī)，然后進(jìn)入尾部噴管5中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大噴氣式發(fā)動機(jī)的理想循環(huán)如圖8-28所示。它由下述各可程所組成：過程1-a為擴(kuò)壓管中的絕熱壓縮過程；過程a-2為壓氣機(jī)中的絕熱壓縮過程；過程2-3為燃燒室中的定壓吸熱過程；過程3-b為燃?xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹過程；過程b-4為尾噴管中的絕熱膨脹過程；過程4-1為在大氣中放熱的定壓放熱過程。在p-v圖上，面積1-a-a'-1'-1代表壓氣機(jī)所消耗的軸功，面積3-b-b'-2'-2-3代表燃?xì)廨啓C(jī)所輸出的軸功，按噴氣發(fā)動機(jī)的工作原理，兩軸功的數(shù)值相等，故兩面積相等。顯然，該循環(huán)和定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)相同，故可引用前面有關(guān)的分析結(jié)論來說明噴氣式發(fā)動機(jī)循活塞式熱氣發(fā)動機(jī)又稱斯特林發(fā)動機(jī)。它是一種外部加閉式循環(huán)的發(fā)動機(jī)。雖然早在1816年就已經(jīng)出現(xiàn)，但是在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，由于各種困難的技術(shù)問題無法克服，因此只是在近幾十年來才取得較大的進(jìn)展。它的突出優(yōu)點(diǎn)在于采用外部加熱方式，因此廢氣的污染少，可以適用多種燃料特別是劣質(zhì)燃料，還活塞式熱氣發(fā)動機(jī)的工作循環(huán)可分為四個(gè)過程，其示意(1)定溫壓縮過程：如圖8-29a所示，配氣活塞2停留在氣缸中相應(yīng)于其上死點(diǎn)的位置不動，而動力活塞1從其下死點(diǎn)向上死點(diǎn)移動。這時(shí)，在兩個(gè)活塞之間氣缸的壓縮腔內(nèi)的工質(zhì)受到壓縮而壓力升高，同時(shí)工質(zhì)通過壓縮腔的氣缸壁向冷卻水放熱而實(shí)現(xiàn)定溫壓縮過程。當(dāng)動力活塞升高到其上死點(diǎn)位置時(shí)壓縮過程結(jié)(2)定容預(yù)熱過程：如圖8-29b所示，這時(shí)動力活塞1停留在氣缸中其上死點(diǎn)的位置不動，而配氣活塞2從其上死點(diǎn)向下移 動。迫使氣缸壓縮腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)氣缸外的連通管流入配氣活塞上方的氣缸膨脹腔。這時(shí)工質(zhì)的容積保持不變，并在流過回?zé)崞?時(shí)受到回?zé)崞鞯募訜岫鴾囟壬?。?dāng)配氣活塞通過氣缸頂部向膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)加熱，使工質(zhì)在定溫下容積膨(4)定容回?zé)徇^程：如圖8-29d所示，這時(shí)動力活塞1停留在氣缸中其下死點(diǎn)不動，而配氣活塞2從其下死點(diǎn)向上移動。迫使氣缸膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)氣缸外的連通管流入兩活塞間的氣缸壓縮腔。這時(shí)工質(zhì)的容積保持不變，并在流過回?zé)崞?時(shí)向回?zé)崞鞣艧幔档蜏囟龋褵崃績Υ嬗诨責(zé)崞鲀?nèi)儲熱物質(zhì)中。當(dāng)配氣活塞移動到其上死點(diǎn)時(shí)，工質(zhì)全部進(jìn)入了氣缸的壓縮腔，定容回?zé)徇^活塞式熱氣發(fā)動機(jī)的理想循環(huán)如圖8-30所示，該循環(huán)稱為斯特林循環(huán)。它包括下述四個(gè)可逆過程：定溫壓縮過程1-2；定容預(yù)熱過程2-3；定溫膨脹過程3-4；定容回?zé)徇^程4-在這個(gè)循環(huán)中，工質(zhì)在定容回?zé)徇^程4-1中向回?zé)崞鲀?nèi)物質(zhì)的面積該熱量儲存于回?zé)崞鞯膬嵛镔|(zhì)中。當(dāng)工質(zhì)在定容預(yù)熱過程2-3的面積循環(huán)中工質(zhì)和外界交換熱量的過程有兩個(gè)過程，一個(gè)是定溫另一個(gè)過程是定溫壓縮過程1-2，過程中工質(zhì)向冷卻介質(zhì)放出的于是，根據(jù)熱效率的定義，可以得到活塞式熱氣機(jī)理想循環(huán)的熱即在相同的溫度范圍內(nèi)，活塞式熱氣發(fā)動機(jī)環(huán)有相同的熱效率。因此，該循環(huán)以及類似的與卡諾循環(huán)有相同熱效率的一類理想循環(huán)常稱為概括性卡諾循環(huán)?，F(xiàn)代活塞式熱氣8-2提高熱機(jī)循環(huán)熱效率的基本途徑是什么？為此可采取什么基本措8-4回?zé)嵫h(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的τ及μ一定時(shí)，隨著增壓比的提高，8-5當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)采用多級壓縮中間冷卻及多級膨脹中間再熱8-6何謂概括性卡諾循環(huán)？它和等效卡諾循環(huán)有什么不同？試按斯特壓縮比ε=6.5，加熱量q1＝700kJ/kg。假設(shè)工質(zhì)為空氣及比熱容為定值，8-2若上題活塞式內(nèi)燃機(jī)定容加熱循環(huán)的壓縮比由6.5提高到8，試求8-3按習(xí)題8-1所述條件，若比熱容按變比熱容考慮，試?yán)脷怏w熱8-4在活塞式內(nèi)燃機(jī)中，為了保證氣缸的機(jī)械強(qiáng)度及潤滑，總是在氣缸壁外面加以冷卻。如果考慮壓縮過程和膨脹過程中工質(zhì)與氣缸壁間的熱過程可近似為n＝1.38的多變過程，試據(jù)此計(jì)算其狀態(tài)變化及過程的功。至于定容加熱過程及定容放熱過程，可考慮比熱容為變比熱容，而按空氣熱壓縮比ε=16，壓力升高比λ=1.4，預(yù)脹比ρ=1.7。假設(shè)工質(zhì)為空氣且比 最高溫度t3＝650℃,增壓比π=6。假設(shè)工質(zhì)為空氣且比熱容為定值，試8-8按習(xí)題8-