Video 5-1（2）活塞式内燃机的理想循环在线视频

这就是高速柴油机的理想循环

这个循环叫做理想混合加热循环

所谓的混合加热是有两部分

一个是2~3的等容加热

还有一个 3~4的等压加热

所以这叫做混合加热循环

我们对它进行分析 分析什么

分析这个循环的吸热量 放热量

热效率 还有对外做的净功

要做分析之前

要把p-v图转换成T-s图

我们来进行转换

首先1~2是一个等熵的压缩过程

然后2~3是一个等容的吸热过程

我们前面讲的

第三章理想气体的过程在这就用上了

然后3~4是一个等压的吸热过程

T-s图上等压线比等容线要缓一些

斜率要小一些

一定要体现出这样一个特点

这是3~4的过程

4~5是一个等熵的膨胀过程

5~1是一个定容的放热过程

这就是理想混合加热循环

在T-s图上的表示 我们把这图画完

然后我们对它进行循环的计算

计算什么

吸热量 放热量 热效率和功

吸热量 两部分

等容加热 等压加热 理想气体

等容加热 吸热量=定容比热容×温差

等压加热 吸热量=定压比热容×温差

然后放热量 放热量是哪块

是5~1的等容放热

放热量的大小等于定容比热容×温差

当然我们这用绝对值来表示了

就是T5-T1

热效率

循环的热效率等于什么

等于净功比上吸热量

净功等于什么

等于q1减去q2

前面q1 q2都推出来了

那我们就代到表达式里面进行整理

我们发现热效率

跟这五个点的温度相关

还有工质的性质

绝热指数 或者是比热比k

我们在推导热效率

跟哪些参数有关之前

我们先来定义几个指标性的参数

这几个指标性参数是什么

首先是压缩比

从1压到2 比容的比值

就是v1比上v2 这叫做压缩比

它可以反映气缸的容积

第二个指标性参数

叫做定容增压比

它是p3比上p2

最后一个 预胀比

是4点跟3点的比容的比值

后面这两个指标性参数

一般它反映柴油机的供油规律

然后我们再来看一下我们的热效率

跟刚才那几个指标性参数的关系

首先1~2是一个等熵过程

利用等熵过程 温度与比容之间的关系

以及压缩比的定义式

我们就可以推出来

T2与T1以及压缩比之间的关系

中间的表达式是这个

等熵过程的过程方程

温度与比容之间的关系

这是T2与T1以及指标性参数的关系

从2~3是一个等容过程

利用等容过程 温度与压力之间的关系

也就是过程方程

我们可以推出来T3与压缩比

定容增压比以及T1之间的关系

其它的 4点

4与3之间是一个等压过程

对于等压过程

温度与比容之间的关系

或者说过程方程我们来利用

就可以推导出来

4点的温度与1点的温度

以及指标性参数之间的关系

5点

4~5是一个等熵过程

利用等熵过程的过程方程

我们可以推出来

5点的温度与T1的温度

以及指标性参数之间的函数关系

我们把刚才的T2 T3 T4 T5

与T1以及指标性参数之间的函数关系

都代到那个热效率的表达式之中

进行整理 是屏幕下面这个公式

这就是各个指标性参数

对热效率的函数关系

然后我们来分析

这里面有三个指标性参数

如果同时变化的话

就不知道它是怎么变的

我们先把定容增压比

还有预胀比 让它不变

然后来看压缩比

以及这个绝热指数

绝热指数k是工质本身的特性

我们来看 压缩比增加

或者说绝热指数增加的话

热效率是怎么变的

为了更直观地表示

屏幕的右下角 我们表示出来了

各个绝热指数条件下

它的热效率随压缩比的变化规律

从这个图上可以很直观地看出来

压缩比增加

或者是工质的绝热指数增加的话

热效率是增加的

这可以很直观地看出来

这是从变化曲线上看出来的

从循环的角度来看

压缩比增加 在右上角这图上来看

如果说压缩比增加的话

实际上 2点要往高抬的

2点要升高的

2点如果升高的话 那就相当于

整个的平均吸热温度要升高的

而平均吸热温度升高的话

它的热效率是增加的

但是在这里我们想提醒大家

增加压缩比

要考虑气缸的耐压程度

压缩比增加的话

气缸的耐压程度就要提升

对于一般柴油机

它的压缩比是有一个范围的

大概是14~21之间

然后最下面显示

我们的潜艇 我们用氦气

因为它的热效率高

它的比热比比空气的要大

空气是1.4 氦气是1.67

当然氦气比空气从价格上来说要贵的

但是潜艇是我们军用的

所以价格是次要的

主要的我们更考虑它的热效率

所以在潜艇上用氦气

而一般的工业和民用是很少用的

主要还是用空气的

我们再来看一下

当压缩比不变的情况下

然后增加定容增压比

或者是减少预胀比 它的热效率怎么变

我们右上角是

在不同的预胀比条件下

它的热效率随定容增压比的变化曲线

从这个图可以看出来

当定容增压比增加

或者是预胀比减小的时候

它的热效率是增加的

这是从变化曲线上

我们可以很直观地看出来

如果说从循环这个图的角度来看

增加定容增压比的话

实际上就是3点要提升的 要抬高的

最终也是使得平均吸热温度升高的

当然热效率就提高了

在这提醒大家注意一下

最后分析的公式

热效率的计算公式很复杂

它整理成最后这个形式

是为了分析各个指标性参数

对热效率的影响

真正让你计算的时候

直接去算它的吸热量 放热量

然后算热效率就可以了

不一定用这样一个复杂的公式

所以这个复杂的公式

也不要求大家去记忆

刚才我们讲的是四冲程高速柴油机

它是理想混合加热循环

是屏幕上左侧的这个图

然后我们再来看一下 汽油机

汽油机的动力循环

它的理想循环 我们直接画出来了

是屏幕上右侧的这个图

这个图 它跟混合加热循环相比

少了一部分 它是什么

是定容加热

它是用在汽油机上

对于汽油机大家知道 是点燃式的

也就是说 空气和油一起喷进去

然后火花塞点火

然后就开始燃烧 膨胀做功

它实际上是特殊的混合加热循环

也就是说它的预胀比是等于1的

我们对它也进行分析

定容加热循环也叫奥图循环

左侧是定容加热循环的p-v图

我们要对它进行 吸热量 放热量

热效率的分析

用T-s图更直观

所以我们先把p-v图上定容加热循环

转化成T-s图上的循环

这几个过程

首先 1~2是等熵压缩过程

压力升高 温度升高

接下来 2~3是等容的吸热过程

3~4是等熵的膨胀过程

4~1是等容的放热过程

然后对它进行计算

跟刚才那个混合加热循环是类似的

首先是吸热量

这时候吸热量是哪块

2~3的等容过程的吸热

这个吸热量对于理想气体是等于

定容比热容乘以温差

然后放热量 放热是哪一段

是4-1的定容放热

它就是定容比热容乘以温差

热效率 净功比上吸热量

净功等于q1减去q2

这样一来 热效率就等于

q1减去q2除以q1

而q1和q2上面我们有推导

直接代进去 然后进行整理

最后表示成

热效率与四个点的温度相关

是我们的热效率的表达式

然后跟刚才完全类似

利用过程特点

我们来推导一下它的最终表达式

现在我们把T1和T2提出来

分子和分母

各有两个温度比减去1

然后我们再来看这两个温度比

利用循环的四个过程

两个等熵 两个等容

我们就可以推出来

这两个温度比恰好是相等的

这样一来 热效率 最终的结果

就跟压缩比和绝热指数相关

这就是定容加热循环

热效率最终的表达式

刚才是我们从q1 q2

这样一步步推下来的

实际上它也可以用

前面的那个混合加热循环

预胀比等于1的情况下

由那个热效率公式直接推下来

也是可以的 它俩是完全等价的

我们再来看一下

增加压缩比或者是利用

绝热指数比较大的工质的情况下

定容加热循环的热效率怎样变化

从表达式我们可以很直观地看出来

它应该是增加的

我们说了 定容加热循环

是汽油机的理想循环

对于汽油本身而言 它是易燃的

所以对于汽油本身而言

它是容易爆燃的

所以一般来说 它的压缩比

比柴油机要小 一般是5-10

而我们的柴油机是多少

刚才讲了 14-21

也就是说汽油机的压缩比

比柴油机的压缩比要小

所以一般汽油机的热效率

比柴油机的热效率要低一点

但是汽油机可以做得小巧

因为它的压缩比小

所以气缸壁厚可以做得

相对于柴油机来说要薄一些

所以它可以做得小巧

我们再来看一下

内燃机循环的第三个循环

早期低速柴油机的理想循环

那么屏幕上我们看左侧的

还是柴油机的混合加热循环

而右侧的

就是早期低速柴油机的定压加热循环

它也是特殊的混合加热循环

它的定容增压比是等于1的

那么这种早期低速柴油机

在我们实际的工业民用中已经不存在了

在我们国家解放初的时候还用它

如果你看解放初的

一些公交车的照片会发现

公交车的上面有一个很大的油包

它就是用来雾化油的压气机

但是现在已经不用了

但是我们为了热力学对比分析

我们来介绍它

但实际这个设备已经不存在了

这个定压加热循环也叫做狄塞尔循环

屏幕的左侧是

定压加热循环的p-v图

我们也把它表示在T-s图上

这几个过程

1~2是等熵的压缩过程

2~3是等压吸热

3~4是等熵膨胀

4~1是等容的放热过程

然后对它进行分析计算

跟刚才类似 吸热量 放热量 热效率

跟刚才那两个循环是完全类似的

最后我们可以推出来

它的热效率的表达式

然后我们再来看一下

指标性参数对它的影响

我们可以看出来随着压缩比的增加

或者预胀比的降低

它的热效率是增加的

但是我们还是如刚开始说的

这种定压加热循环的早期低速柴油机

在我们实际的民用

和工业中已经消失了

它已经被淘汰了

我们把这一小节的主要内容

一起来总结一下

我们这一小节讲了

内燃机的三个理想循环

一个是混合加热循环

它对应的是柴油机的循环

还有一个是等容加热循环

对应的是汽油机的循环

而定压加热循环

它对应的是低速柴油机

但是这种设备已经淘汰了

对于这三种循环的计算

我们要求大家要熟悉

对于内燃机循环

影响它热效率的主要因素是什么

是压缩比

压缩比增加的话 它的热效率是提高的

另外还有一点

柴油机的压缩比

比汽油机的压缩比要大一些

所以它的热效率比汽油机要高一些

但是汽油机可以做得小巧