新型热力循环课件

新型热力循环——内燃机工质移缸和喷水做功热力学循环热力学循环（thermodynamicalcycle）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。什么是内燃机？

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。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20~50%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%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。德国META公司的K内燃机也是一款工质移缸类内燃机，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。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”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。（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）热交换器加热内燃机用的朗肯循环热交换器是循环用的液体工质与排气交换能量的装置，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20N·m。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，因为二者结构上有不同点。2022/12/3133汽油机与柴油机的大致区别对两种