第九章 气体动力循环

第九章气体动力循环第九章气体动力循环9-1分析动力循环的一般方法9-2活塞式内燃机实际循环的简化9-3活塞式内燃机的理想循环9-4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较9-5活塞式热气发动机及其循环（自学）9-6燃气轮机装置循环9-7燃气轮机装置循环热效率的措施9-8喷气式发动机简介（自学）9-1分析动力循环的一般方法

热力循环：工质从某一初态出发经历一系列热力状态变化后又回到原来初态的热力过程，即封闭的热力过程。

热力循环4热(动)力循环热力学分析的一般过程分析实际循环的物理过程物理模型——热力过程，循环（p-v图、T-s图）数学建模——定量分析(输出功、热效率)分析总结——提高热效率的措施或方法9-3活塞式内燃机的理想循环1、术语一、活塞式内燃机简介热动力装置中能量转化的两个阶段：化学能→热能；热能→机械能。上述两个阶段一起发生则为内燃机，不在一起发生则为外燃机（如蒸汽轮机动力装置）。（1）内燃机、外燃机9-2活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式内燃机简介（2）燃料内燃机中携带化学能的物质，如汽油（小型汽车、摩托车）、柴油（大中型汽车、火车、轮船）、煤油（航空）。9-2活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式内燃机简介（3）冲程（行程）活塞在气缸中从一个极端位置移动到另一个极端位置的距离。四冲程内燃机

进气、压缩、膨胀、排气二冲程内燃机进气和压缩、膨胀和排气9-2活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式内燃机简介点燃式：

吸入燃料和空气的混合物，经压缩后，由电火花点燃；

如：汽油机、煤油机压燃式：

仅吸入空气，经压缩后使空气的温度上升到燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧。

如：柴油机（4）点火方式9-2活塞式内燃机实际循环的简化四冲程汽油机9-2活塞式内燃机实际循环的简化四冲程柴油机9-2活塞式内燃机实际循环的简化活塞式内燃机循环特点（1）开式循环；（2）燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆过程；（3）各环节中工质质量、成分稍有变化。9-2活塞式内燃机实际循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化1、空气标准假设（1）气体动力循环中工作流体理想气体（2）燃烧和排气过程吸热和放热过程（3）燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计定比热容空气9-2活塞式内燃机实际循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化——四冲程柴油机四冲程柴油机进气冲程：活塞由上止点向下运动，这时进气阀门打开，排气阀门关闭，外界空气进入气缸。活塞运动到下止点，进气阀门关闭，进气过程完成。压缩冲程：活塞由下止点向上运动，这时进、排气阀门都处于关闭状态，缸体和活塞之间形成了一个封闭的腔体，气缸内的空气在活塞由下至上的运动过程中被压缩，压力和温度同时升高。四冲程柴油机示功图9-2活塞式内燃机实际循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化——四冲程柴油机四冲程柴油机膨胀冲程：当活塞到达接近上止点的某一个位置时，喷油嘴便开始喷入柴油，柴油遇到高温高压的空气，发生自燃，活塞由上止点向下运动，进入膨胀冲程。排气冲程：活塞运动到下止点，膨胀过程完成，之后，排气阀门打开，活塞由下止点向上运动，进入排气冲程。活塞运动到上止点，排气冲程完成。四冲程柴油机示功图9-2活塞式内燃机实际循环的简化0→1吸气1→2压缩2→3喷油、定容燃烧3→4定压燃烧4→5膨胀作功5→0排气12opVVhVc0345.....二、活塞式内燃机循环的简化——四冲程柴油机9-2活塞式内燃机实际循环的简化简化：引用空气标准假设二、活塞式内燃机循环的简化——四冲程柴油机12opVVhVc0..34.5.......燃烧2-3等容吸热排气5-1等容放热膨胀4-5等熵过程吸、排气线重合、忽略燃油质量忽略燃气成分改变忽略压缩1-2等熵过程燃烧3-4定压吸热以空气为工质的定比热容内可逆闭式循环9-2活塞式内燃机实际循环的简化简化：引用空气标准假设二、活塞式内燃机循环的简化燃烧2-3等容吸热排气5-1等容放热膨胀4-5等熵过程吸、排气线重合、忽略燃油质量忽略燃气成分改变忽略压缩1-2等熵过程燃烧3-4定压吸热以空气为工质的定比热容内可逆闭式循环.Opv..12345..9-2活塞式内燃机实际循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化——高速柴油机高速柴油机高速柴油机示功图..Opv..12(3)459-2活塞式内燃机实际循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化四冲程汽油机9-2活塞式内燃机实际循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化四冲程汽油机9-2活塞式内燃机实际循环的简化1、p-v图及T-s图一、混合加热理想循环-萨巴德循环-普通柴油机1→2等熵压缩；2→3等容吸热；3→4定压吸热；4→5等熵膨胀；5→1定容放热。特性参数：压缩比定容增压比定压预胀比

O.12345...Ts..Opv..12345..9-3活塞式内燃机的理想循环2、循环热效率一、混合加热理想循环

或

绝对值技术功还是容积功？9-3活塞式内燃机的理想循环

一、混合加热理想循环

9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环两式相除

T2、T3、T4和T5代入

9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环

..15234...

9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环

Tm1Tm2不变..15234.4’2’3’.....

9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环

..15234...

Tm1Tm2不变9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环

.152344”.

..3”

Tm1Tm2不变

Tm1Tm2不变

9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环

..15234...

Tm1Tm2不变

Tm1Tm2不变

9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环

.152342’..3”’4”’....

Tm1Tm2不变

Tm1Tm2不变Tm1Tm2不变

9-3活塞式内燃机的理想循环总结：（1）吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高效率的重要措施，是卡诺循环、热力学第二定律对实际循环的指导；（2）利用T-s图分析循环较方便；

一、混合加热理想循环

Tm1Tm2不变Tm1Tm2不变Tm1Tm2不变..15234.4’2’3’..4”..3”.....3”’4”’

9-3活塞式内燃机的理想循环二、定压加热理想循环-狄塞尔循环-高速柴油机特性参数：..Opv..1234O1234.Ts..

9-3活塞式内燃机的理想循环二、定压加热理想循环

讨论

q2不变，q1增大（3）重负荷（

，q1

）时内部热效率下降，除

外还有因温度上升而使

，造成热效率下降。O1234.Ts.......2’3’3”4”q1’-

q1定压和定容线斜率差异9-3活塞式内燃机的理想循环1→2

定熵压缩；2→3

定容加热；3→4

定熵膨胀；4→5

定容放热。三、定容加热理想循环-奥托循环-汽油机9-3活塞式内燃机的理想循环三、定容加热理想循环特性参数：

2-3和1-4斜率是否相同？9-3活塞式内燃机的理想循环三、定容加热理想循环讨论：

（3）重负荷（q1

）时内部热效率下降，因温度上升使

，造成热效率下降。

不变

O1234.Ts......2’3’3”4”q1’-q1.

9-3活塞式内燃机的理想循环对于混合加热内燃机理想循环，增加压缩比可以提高循环的热效率。对错AB提交单选题1分定压加热内燃机循环的热效率，随着循环压缩比的增大而（）升高降低不确定不变ABCD提交

单选题1分定压加热内燃机循环的热效率，随着循环预胀比的增大而（）降低不变不确定升高ABCD提交

单选题1分实际燃气动力装置，不仅要考虑提高热效率，还需要兼顾循环净功。错对AB提交单选题1分或.O12345...Ts.....3v4v4p3pq2mq2vq2p

柴油机压缩比一般较大，汽油机相对低一些，压缩比相同不太合理。是否意味着汽油机比柴油机要好？9-4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较二、循环最高压力pmax、最高温度Tmax

相同时的比较O1245..Ts....3.q22’2”Tmaxpmax

或采用定压加热循环可获得较高的热效率，符合实际情况，即柴油机的热效率通常高于汽油机的热效率。9-4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较若使活塞式内燃机按卡诺循环运行，并设其温度界限与下图所示混合循环相同，试从工程实践角度比较两个循环，已知：p1=0.17MPa，T1=333K，p4=10.3MPa，T4=1985K，v2=0.0387m3/kgO1245...Ts..3..ab解2）pb=0.0199MPa，压力太低，真空状态难以维持；3）循环气体体积比4）活塞从a

b移动距离太长，摩擦损耗太大，虽然每循环理论wnet增大，但实际收效甚少。从工程实用角度出发：1）pa=87.9MPa，压力太高；体积变化太大9-6燃气轮机装置循环一、燃气轮机装置简介主要应用场合：飞机、舰船的动力载荷机组、分布式发电机组等。一、燃气轮机装置简介主要构成压气机燃气轮机燃烧室9-6燃气轮机装置循环一、燃气轮机装置简介特点：1、开式循环，工质流动；2、运转平稳，连续输出功；3、启动快，达满负荷快；4、压气机消耗了燃气轮机产生功率的绝大部分，功率重量比仍较大。运用空气标准假设简化闭式定压加热循环3、燃烧可逆定压吸热；排气→可逆定压放热4、燃油质量

忽略5、燃气成分改变

忽略2、压缩、膨胀等熵过程1、工质→空气、理想气体状态、定比热容9-6燃气轮机装置循环1→2

等熵压缩（压气机内）循环增压比循环增温比3→4

等熵膨胀（燃气轮机内）2→3定压吸热（燃烧室内）4→1

定压放热（排气，假想换热器）49..234..1..1234..二、燃气轮机定压加热理想循环-布雷顿循环循环最高压力与最低压力之比循环最高温度与最低温度之比9-6燃气轮机装置循环

三、定压加热理想循环分析

循环增压比9-6燃气轮机装置循环三、定压加热理想循环分析2、分析

（2）π

一定

考察：循环123’4’1=循环12341循环433’4’4+布雷顿循环π=p2/p1布雷顿循环π=p2/p1

循环123’4’1热效率等于循环12341热效率

9-6燃气轮机装置循环三、定压加热理想循环分析（3）τ

一定，π

取不同值循环增温比9-6燃气轮机装置循环三、定压加热理想循环分析（a）对于每一τ，均有π，其w→wnet,max

；（b）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max

的π

上升，ηt

上升，所以提高T3

能带动wnet,max

及ηt

同时升高。

9-6燃气轮机装置循环1→2

不可逆绝热压缩；2→3

定压吸热（不可逆忽略）；3→4不可逆绝热膨胀；4→1

定压放热（不可逆忽略）。1234...4s2s...四、定压加热实际循环1、定压加热实际循环简化9-6燃气轮机装置循环（1）压气机绝热效率：压缩前气体状态相同、压缩后气体的压力相同情况下，可逆绝热压缩时压气机的功与不可逆绝热压缩时的功之比。（2）燃气轮机相对内效率：燃气轮机实际不可逆膨胀作出的功与理想情况可逆膨胀作出的功之比。四、定压加热实际循环2、压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率叶轮式压气机针对单个设备而言9-6