第4章 气体动力循环

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①狄塞尔循环的工作过程 P 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
T 2 P s
3
3
s
4 v 1 v
P
2 s 1 v
s
4
s
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
k
④ ⑤
定义
定容升压比
P3 P2
由式②、③、⑤
P3 P4 T3 T4 P2 P1 T2 T1
⑧
P3 T3 ② P2 T2 P4 T4 ③ P T1 1
压缩比 和定容升压比 是奥托循环的两个特征参数
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③奥托循环的效率(efficiency of Otto cycle) 循环的吸热量 P q1 = q23 = u23
T 3' 3 2 1 4 4' s
t,O 1
1
k 1
k 1 Rg cv
但实际工质并非定比热容理想气体 T↑→k↓ 循环热效率t,12341<t,12341 高负荷下机器的热效率下降！
（注意：教材上p.276图10-8、9及相关论述有问题）
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§4.3 内燃机混合加热理想循环
compression-ignition
柴油机属于压燃式内燃机 工作中先吸入空气 压缩至3.5~5 Mpa，600～800℃ 高压油泵喷入雾化柴油 燃烧（柴油自燃温度约335℃） 四冲程柴油示功图 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
ρk 1 t,diesel 1 k 1 k ( ρ 1)
第4章 气体动力循环
§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
P3 T3 T2 T2 P2
由定压加热过程3-4 ①
T4 T3 ( v4 ) T3 v3
③
由定容加热过程2-3 ②
由绝热过程4-5
v 4 k 1 T5 T4 ( ) v5
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因为 v5 = v1
又因 v3 = v2
v4 ρ v3
v4 k 1 v4 v3 k 1 v v T5 T4 ( ) T4 ( ) T4 ( 3 4 ) k 1 v1 v1 v3 v1 v3
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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 定容燃烧汽油机示功图 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 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
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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
⑵对实际气体动力循环所作的理想化处理
① 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 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
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循环的热效率
t,sab.
q2 1 q1
T
cv (T5 T1 ) 1 cv (T3 T2 ) cp (T4 T3 ) (T5 T1 ) 1 (T3 T2 ) k (T4 T3 )
4 3P s v 2 5 s v 1 s 萨巴德循环
T 2 2 1
3
4
4 5
3
T1 ' T1
s
循环热效率t提高
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λρ k 1 ηt,sab. 1 k 1 ε ( λ 1) kλ( ρ 1) 1
保持进气状态和排气状态不变 放热平均温度将保持不变
② 压缩比不变，增大定压预胀比 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 循环123451 → 123451 吸热平均温度下降 循环热效率t降低
T 3 2 1 s
3
4 4 5
T1
' 1
T
预胀比 = 1时，即v3=v4 时 ——混合加热循环将成为定容加热循环
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§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， 1 1 k 1 ε ( λ 1) kλ( ρ 1) 1
ηt,sab.
v1 k 1 T2 T1 ( ) T1 k 1 ① v2 P3 T3 T2 T2 ② P2 v4 T4 T3 ( ) T3 ③ v3
ρ k 1 T5 T4 ( )
s 4
v s

奥托循环
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②奥托循环中各转折点的参数关系 由定容过程2-3和4-1，v1 v4；v2 v3
v1 v 4 v 2 v3
P 3 v s s 4 v 1
① ② ③
P3 T3 P2 T2 P4 T4 P1 T1
2

奥托循环的P-v图
定义
压缩比
v1 v2
1 ε
v4 k 1 T5 T4 ( ) v5
T5 T4 ( ) k 1
ρ

④
T 4 3P s v 2 5 s v 1 s 萨巴德循环
③萨巴德循环的热效率 循环的吸热量
q1 q23 q34 cv (T3 T2 ) cp (T4 T3 )
循环的放热量
q2 q51 cv (T5 T1 )
3
T1
3
2
1
T2
'
4 4
T2
s T3不变时压缩比 对定容加 热理想循环热效率的影响
循环热效率t,12341>t,12341 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
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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 负荷增加要求循环吸热量q1↑ 循环12341 → 12341 循环中工质温度水平总体上提高 理论上奥托循环的热效率不会变化
④ ⑤
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由绝热过程1-2和3-4，以及式①
v1 k v 4 k P2 P3 ( ) ( ) v2 v3 P1 P4 T2 T3 k 1 ε T1 T4
k
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④、⑤两式可改写为
v1 k v 4 k P2 P3 ( ) ( ) v2 v3 P1 P4 T2 T3 k 1 ε T1 T4 P2 P1 ⑥ P3 P4 T1 T2 ⑦ T4 T3
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⑵奥托循环
①奥托循环的工作过程 汽油机工作循环理想化为可逆定容加热循环 ——奥托 (Otto) 循环 P T
3
3 v 2 s 1
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
v 2 s
s 4 v 1
奥托循环

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!
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奥托循环热效率分析 k 1 ①压缩比的影响 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 定容加热理想循环的t-关系曲线 （↑，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 ↑）
3
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) 循环的热效率
t,O
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v 2 s
s 4 v 1

奥托循环
T4 1) cv (T4 T1 ) q2 (T4 T1 ) T1 1 1 1 1 T3 q1 cv (T3 T2 ) (T3 T2 ) T2 ( 1) T2 T1 (
9
由式⑧
t,O
T1 1 T2
T3 T4 T2 T1
⑧
t,O
T4 T1 ( 1) T1 1 T3 T2 ( 1) T2
P 3 v 2 s s 4 v 1
由式⑤
1 ε k 1
t,O
ε
T1 T2
k 1