新型热力循环讲解

1、内燃机工质移缸和喷水做功内燃机工质移缸和喷水做功 热力学循环 热力学循环热力学循环 （ thermodynamica l cycle）是指 工作物质经过一 系列状态的变化 后回到它的初始 状态这种周而复 始的全过程，又 称循环过程，简 称循环。 热力学循环 例如热机工作时， 其中的工作物质（如 蒸汽机中的蒸汽）即 通过一系列的状态变 化，把从高温热源吸 取热量的一部分转变 为机械功，将一部分 废热排放到低温热源， 而工作物质本身又回 复到原来的状态。 热力学循环 由于热机要不断 地工作，其中的 工作物质就必须 周而复始地进行 这种循环过程， 以不断地从热源 吸取热量并对外 作功。 什么是内燃机

2、？ 内燃机是一 种将燃油的 能量通过燃 烧做功的方 式转化为动 能的机械装 置。 背景 车用内燃机是石油能源消耗的主要产品之一， 据统计，2010年我国车用内燃机消耗的石 油占石油总消耗量的比例已经达到60%， 已经超过全国进口石油的总量，因此，降 低车用能源消耗将是一种有效的缓解石油 能源短缺问题的手段。 背景 全球石油产量和消耗量 的总量都在逐年递增。 背景 我国石油年消耗量是紧随 GDP 增长而增加的。 背景 我国石油产量增长缓慢，而石油消耗量却在快速增长。 背景 从图中可以看 出，我国内燃 机在过去十年 中依旧在以平 均每年17.5% 的速度快速增 长。 发展内燃机高效节能技术依发展内

3、燃机高效节能技术依 然是解决石油能源危机的主然是解决石油能源危机的主 要手段之一。要手段之一。 内燃机燃油能量中只有35%左右是被汽车使用的，而真正用于 汽车驱动和加速的只有25%。但是，排气中却携带了2050% 燃油能量。对于一个典型的2.0L汽油机来说，在一般的负荷和 转速工况下，有21%的能量随排气被排放到大气中，在峰值功 率工况，排气带走的能量比例甚至可能高达44% 新型循环内燃机节能技术 工质移缸内燃机工质移缸内燃机 喷水做功内燃机喷水做功内燃机 工质移缸内燃机 工质移缸的意思是内燃机循环做功的工质 通过连接装置先后在多个气缸之间转移。 通过工质移缸可以将内燃机一个工作循环 分隔到多

4、个气缸中完成，因此又称为分缸 循环（splitcycle）。 根据内燃机原理，汽油机的理论循环为等 容加热循环（Otto循环），该循环的热效 率为： 柴油机的理论循环为等压加热循环（Diesel 循环），该循环热效率为： 式中为压缩比，为预膨胀比，k为比热容比。 工质移缸技术提高压缩比 工质移缸技术的内燃机可以将压缩与燃烧 分离在不同气缸内进行，缓解了压缩气缸 的热应力，因此可以突破传统内燃机工作 模式对压缩比的限制，实现更高的压缩比。 工质移缸技术提高压缩比 提高压缩比可以提升汽油机和柴油机的理 论热效率。提高压缩比的本质在于提高了 膨胀比，降低了排气门打开时的缸内温度， 增加了缸内最高燃烧

5、温度和排气温度的温 差，从而提升了内燃机的工作效率。 此外，提升压缩比还可以增加压缩终了时 缸内的温度和压强，提升火焰传播速度， 使燃烧更加稳定和充分。汽油机在部分负 荷工况下的进气节流导致进气量减少，因 此，提高压缩比对汽油机循环热效率的提 升将更加明显。 Scuderi内燃机是一种典型的工质移缸内燃 机，其工作原理如图 它通过连接管将 2个 气缸连通，联合完 成工作循环。一个 气缸负责“进气-压 缩”，另一个气缸 完成“燃烧-排气”， 前缸只进空气，燃 油在后缸中喷入。2 个气缸共用一根曲 轴，4 个冲程在 360曲轴转角之内 完成。 德国META公司的K内燃机也是一款工质 移缸类内燃机，

6、如图所示。K内燃机技术利 用工质移缸技术实现冷热缸的高温差，提 高压缩比的同时，实现均质压燃。 通过工质移缸实现充分膨胀 除了提升压缩比之外，通过工质移缸技术 还能实现充分膨胀循环，将燃烧做功后的 废气转移到另外一个膨胀气缸内继续膨胀 做功，从而达到回收内燃机燃烧废气能量 的目的。 Otto循环 与 Miller 循环的 p-V 图 根据阿特金森循环和米勒循环的原理，当 一个循环中膨胀比大于压缩比时，内燃机 热效率可以得到提升。 Miller循环每个循环相比奥托循环可以增加 “1-4-5-6”面积的有效功，这种膨胀比大于压 缩比的工作循环称为充分膨胀循环。 但是，Miller循环的进气“反流”

7、降低了 进气量，使内燃机低速转矩表现很差； Miller循环内燃机为了获得较大的膨胀比， 活塞行程较长，这一点不利于高转速运行。 工质移缸技术可以通过改变前后气缸容积工质移缸技术可以通过改变前后气缸容积 的方式来实现充分膨胀循环的方式来实现充分膨胀循环，可避免上述 Miller循环内燃机的缺点。 喷水做功内燃机节能技术 由于基于工质移缸技术的内燃机燃烧废气 能量回收技术不太适用于低速工况，为了 能够回收更多的余热能，很多研究人员提 出了基于喷水做功的内燃机燃烧废气能量 回收技术。这类技术大都是利用水吸收内 燃机高温排气热量，蒸发膨胀而再次做功。 根据技术特点，可以将喷水做功内燃机节 能技术分成

8、两种类型： （一）气体中直接喷水； （二）热交换器加热。 （一）气体中直接喷水 气体中直接喷水的意思是指通过喷水器将 液态水直接喷入气缸内的气体中，水滴在 气缸内部完成吸热过程。 为了提高传统四冲程内燃机热效率，有很 多专利提出在燃烧做功冲程中向气缸内喷 水，利用水蒸汽膨胀做功，在不增加油耗 的基础上向外输出更多功率。 美国工程师Crower发明了一种六冲程内燃机，其 工作原理如图所示。这种内燃机在普通四冲程内 燃机“进气-压缩-燃烧做功-排气”4个冲程的排 气冲程中保留部分高温废气在气缸内，并对其进 行压缩，在压缩上止点附近喷水，水蒸气在第5 个冲程吸热膨胀，推动活塞再次做功，内燃机总 共经

9、历“进气-压缩-燃烧做功-排燃气-喷水做功- 排水蒸汽”6个冲程。 通过热交换器加热水回收内燃机排气能量的技术 一般是基于朗肯（Rankine）循环实现的。 （二）热交换器加热（二）热交换器加热 朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，其工作原理 与温熵图如图所示。朗肯循环是最为常用且可 靠的将低品位能量转化为中品位能量的能量回收 系统，很多研究已经证明朗肯循环具有很高的排 气能量回收潜力 内燃机用的朗肯循环热交换器是循环用的液体工液体工 质与排气交换能量质与排气交换能量的装置的装置，它将决定工质能够从 排气中带走多少能量，因此，它是一个直接关系 到排气能量回收效率的关键技术。王天友等人在 研究中采用

10、了一种比较典型的热交换器，其结构 如图所示。它被安装在内燃机排气管上，工质 通过密集的细管与排气进行热交换增大了换热面 积，从而获得更高热交换效率。 宝马公司开发了一种叫做“TurboSteamer” 的基于朗肯循环的内燃机排气能量回收系 统。为了达到更高的能量回收效率，该系 统设计了低温和高温两个循环，高温循环 采用水作为工质，低温循环使用乙醇作为 工质。研究结果表明，安装该系统后的内 燃机有效热效率、输出功率和转矩分别提 升了15%、10kW和20Nm。康明斯公司 也开发了基于朗肯循环的柴油机排气能量 回收系统，据报道安装该系统的卡车可以 节油10%。 对两种新型热力学循环技术的展望 以上主要讲了汽油机，大家可以尝试在柴油机上进行 类似的实验，因为二者结构上