第九章 气体动力循环

热能动力装置： 能够将燃料燃烧释放出来的热 量的一部分，连续不断的转换成机械能的整套热工 设备，称为热能动力装置，简称热机。
热机的分类
•根据运动机构的运动形式分
压燃式:
点燃式 四冲程
往复式
二冲程 回转式 利用高速流动的工质在叶轮内膨胀，推动叶轮 转动而工作的。 是连续的，但由于受叶轮材 料热强度的影响，其工质的最高温度不能太高， 这就限制了其热效率的进一步提高。
o
s
该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为 “混合加热循环”，也称“萨巴特循环”。
2.内燃机的特性参数
压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比。它是
表征内燃机工作体积大小的结构参数。
v1 v2
定容升压比: 定容加热后的压力与加热前的压力之比。 它表示定容加热量的多少，与前期喷油量有关。前期喷
2
2 4
4
v4 v1
o
1
v
o
1
s
v3 k 1 v2 k 1 1 k 1 T4 ( ) ( ) ( ) T3 v4 v1
T4 T3 ( )
1
k 1

T1
v3 k p4 1 k ( ) ( ) p3 v4
p4 p3 ( ) p1
k
1

3、定容加热循环的能量分析和热效率
第九章
学习目标：
气体动力循环
•掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法， 并能分析各种循环的热力过程的组成； •掌握热机循环的分析方法，能够按照循环的热力过 程性质，确定参数间的关系，分析和计算各种循环 的吸热量、放热量、做功量及热效率； •会分析影响各种循环热效率的主要因素及提高各种 循环能量利用经济性的具体方法和途径。
k 1 k 1 k 1 k T5 T4 ( ) T1 ( ) T1 p5 v4 k k k k ( ) ( ) p5 p 4 ( ) p1 p4 v5
4、混合加热循环的能量分析和热效率
定容过程2-3工质吸入热量： 定压过程3-4工质吸入热量：
v3 k 1 v3 k 1 T4 k 1 ( ) ( ) ( ) T3 v4 v1
o
1
1
v
o
s
3、定压加热循环的能量分析和热效率
定压过程2-3工质吸入热量：
q1 cp (T4 T3 )
定容放热过程4-１工质放出的热量为:
q2 cv (T4 T1 )
定压加热循环的热效率为：
油量越多，定容升压比越大。
p3 p2
定压预胀比: 定压加热后的比体积与加热前的比体积之 比，它表示定压加热量的多少，与后期喷油量有关。后
期喷油量越多，定压预胀比越大。
v4 v3
3.各特征点的状态参数
p
3
4
T
3
4
v1 v2
p3 p2
s
2
2
5
5
1
o
1
v
o
v4 v3
（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的 热量交换,近似地认为是绝热过程。 （4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际 放热过程。
1.热力过程及在P-v图和T-s图上的表示
p
1-2 2-3 3-4 4-5 5-1
绝热压缩 定容加热 定压加热 绝热膨胀 定容放热
o
3
4
T
3
4
2
2
5
5
1
1
v
T4 v4 T3 v3
k
T4 T3 T1 k 1
v4 v3 v1
p
3
4
T
3
4
4-5绝热膨胀
2 2
5
5-1定容放热：
T5 v4 k 1 v4 k 1 k 1 ( ) ( ) ( ) T4 v5 v1
v5 v1
5
1
o
1
v
o
s
1
影响混合加热循环的热效率的因素：
(1) 在一定的 λ 、 ρ 条件下，压缩
比ε 愈大,热效率愈高。
（2）在一定的ε 值条件下,提高λ 和降 低ρ ,（即加大定容加热量、减少定压

加热量）混合加热循环的热效率增高。
因此，在燃烧时，应尽可能增加定容燃 烧部分的比例，减少定压部分的比例。
ε
λ
ρ
t
5、有效热效率：热能转变为机器输出有用功 的热效率。
1
k
热效率随着压缩比ε 的增大,预胀比ρ 的减小而增大。 定压加热循环压缩比的提高受机械效率减小的限制， 另外，定压预胀比也不能过小，否则因循环净功减少 而不经济。所以，重负荷高增压柴油机的预胀比均保 持一定数值。
循环的净功为:
w q1 q2
p1v1 k 1 { [( 1) k ( 1)] (1 k )} k 1
p
2-3定容加热：
p3 p2
3
4
T
3
4
2
2
5
5
1
o
1
v
o
s
v3 v2 v1
T3 p3 T2 p2
T3 T2 T1 k 1
p3 p2 p1 k
p
v4 v3
3
4 2
T
3
2 4
3-4定压加热：
5
1
5
o
1
v
o
s
p4 p3 p1
工质的膨胀做功是通过是通过 活塞的往复运动实现的；做功 是间歇的，工质的最高温度较 高
•根据工质的来源分 直接将燃料的燃烧产物作为工质 内燃机： 如汽油机、柴油机、燃气轮机、 火箭发动机 外燃机： 利用燃烧产物来加热循环的工质 如蒸汽轮机 •根据工质的类型分
理想气体为工质 气体动力循环：
实际气体为工质 蒸汽动力循环：
e t· m
在柴油机的使用、维护中，只有在保证最高 燃烧压力和燃烧初期的压力增长率不超过许 用值的前提下，尽量增加定容加热量。
循环的净功为:
w q1 q2
p1v1 k 1 k { [( 1) k ( 1)] (1 )} k 1
在循环特性参数（ε 、λ 及ρ ）一定的条件下， 提高初态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高 净功。因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的 净功。
T3 v3 T2 v2
T3 T2 T1 k 1
v3 v2 v1
p
2
3
T
3
2
3-4绝热膨胀 4-1定容放热：
4 4
v4 v1
k 1 k 1 k 1 k T4 T3 ( ) T1 ( ) T1 v3 k p4 k k k ( ) ( ) p4 p3 ( ) p1 p3 v4
v2 v1
T2 k 1T1 p2 k p1
1-2绝热压缩：
v1 v2
T2 v1 k 1 ( ) k 1 T1 v2 p2 v1 k ( ) k p1 v2
p
v3 v2
2
3
T
3
2
2-3定压加热：
4 4
o
1
1
v
k
o
s
p3 p2 p1
二、定压加热理想循环（狄赛尔循环）
————早期柴油机的理想循环 1.热力过程及在P-v图和T-s图上的表示
p
1-2 2-3 3-4 4-1
绝热压缩 定压加热 绝热膨胀 定容放热
o
2
3
T
3
2
4
4
1
1
v
o
s
2.各特征点的状态参数
各特征点上的状态参数，可以表示为初态参数及
循环特性参数
v1 v2 v3 v2 的函数：
实际工作过程
0-1：吸气过程。由于阀门的
阻力，吸入气缸内空气的压力 略低于大气压力。
1-2：压缩过程 2-3-4-5：燃烧和膨胀过程 燃烧可分为定容过程和定压过程 5-6-0：排气过程
6 1 V
理想循环
简化原则为:
（1）不计吸气和排气过程，将内燃机的工作过程看作
是气缸内工质进行状态变化的封闭循环。 （2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，并 认为2－3是定容加热过程，3－4是定压加热过程。
k 1
T4 T1
t 1
1

k 1
定容加热理想循环是混合加热循环的特例： ρ =1
1 t 1 k 1 ( 1) k ( 1) 1 ρ =1 t 1 k 1
1
k

压缩比ε增加定容加热循环的热效率ηt提高。 考虑到爆燃影响，用提高增压比的方法来提高内燃 机的经济性受到很大限制。目前，内燃机的压缩比 一般为6~10。
λ =1
p1v1 w0 [k k 1 ( 1)] ( k 1)] k 1
在循环特性参数（ε 及ρ ）一定的条件下，提高初 态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。 因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的净功。
三、定容加热理想循环（奥托循环） ——汽油机、煤气机的理想循环 1.热力过程及在P-v图和T-s图上的表示
cv (T5 T1 ) q2 t 1 1 q1 cv (T3 T2 ) c p (T4 T3 )
T2 T1
k 1
T3 T1
k 1
T4 T1
k
k 1
T5 T1
k
1 t 1 k 1 ( 1) k ( 1)