工程熱力學

EngineeringThermodynamics

2023年3月22日第九章氣體動力循環2第九章氣體動力循環9-1

活塞式內燃機的理想循環9-2

燃氣輪機裝置循環9-3

增壓內燃機及其循環9-4

自由活塞燃氣輪機裝置及其循環9-5

噴氣式發動機及其循環9-6

活塞式熱氣發動機及其循環本章作業及小結2023年3月22日第九章氣體動力循環39-1

活塞式內燃機的理想循環實際循環：

0-1進氣過程

1-2壓縮過程

2-3-4燃燒過程

4-5膨脹(作功)過程

5-1自由排氣過程＋強制排氣過程一、混合加熱循環（薩巴特循環）柴油機的實際示功圖2023年3月22日第九章氣體動力循環4實際循環的理想化：

1.

把熱力過程理想化→理論示功圖①進氣過程→0-1定壓吸氣②壓縮過程→1-2定熵壓縮③燃燒過程→2-3定容加熱＋3-4定壓加熱④膨脹過程→4-5定熵膨脹⑤排氣過程→5-1定容排氣＋1-0定壓排氣2023年3月22日第九章氣體動力循環53.把開口系統簡化為閉口系統（進排氣功近似相等，相互抵消）

混合加熱循環的熱效率：2.

把工質看做理想氣體混合加熱循環（薩巴特循環）2023年3月22日第九章氣體動力循環6特性參數：壓縮比compressionratio升壓比pressurestep-upratio預脹比pre-expandratio2023年3月22日第九章氣體動力循環7參數分析：

能量分析：

吸熱量

放熱量

循環凈功

2023年3月22日第九章氣體動力循環8可見混合加熱循環熱效率thermalefficiency2023年3月22日第九章氣體動力循環9混合加熱循環熱效率thermalefficiency（1）壓縮比的影響如果λ與ρ不變，提高ε可提高混合加熱循環的熱效率，但隨著壓縮比的逐漸增大，熱效率增長的速率逐漸減緩。實際上，當壓縮比數值較高時，提高壓縮比不僅熱效率增長較少，而且由于壓縮終了壓力及燃燒終了壓力太高，發動機的機件摩擦消耗的功太多，以致發動機的實際效率無明顯增加，甚至反而減小。因此，一般壓燃式內燃機的壓縮比主要按燃料可靠地起燃和正常燃燒來確定。柴油機的壓縮比一般在14～20之間。Question：Howtoimprovethethermalefficiency

?2023年3月22日第九章氣體動力循環10混合加熱循環熱效率2023年3月22日第九章氣體動力循環11二、定容加熱循環（奧托循環,OttoCycle

）但ε=6.5～11.Why?隨著壓縮比的提高，點燃式內燃機的熱效率增大。實際上，當壓縮終了的溫度及壓力超過一定的限度時，點燃式內燃機如汽油機等會產生不正常的爆燃現象，因此壓縮比不能過高，一般汽油發動機的壓縮比在6.5～11之間。2023年3月22日第九章氣體動力循環12三、定壓加熱循環（笛塞爾循環，DieselCycle）可見：2023年3月22日第九章氣體動力循環13四、活塞式內燃機各種理想循環的比較

①壓縮比相同、放熱量相同②最高壓力相同、最高溫度相同2023年3月22日第九章氣體動力循環14例9-1(p160-162)本章作業9-1,9-2,9-52023年3月22日第九章氣體動力循環159-2

燃氣輪機裝置循環一、定壓加熱燃氣輪機循環

燃氣輪機裝置循環（勃雷登循環）的組成：①絕熱壓縮過程（壓氣機）②定壓加熱過程（燃燒室、加熱器）③絕熱膨脹過程（燃氣輪機、氣輪機）④定壓放熱過程（大氣、冷卻器）2023年3月22日第九章氣體動力循環16增壓比——π=p2/p1最高溫度——T3升溫比——τ=T3/T1參數關系：循環加熱量：循環放熱量：循環熱效率：循環特性：2023年3月22日第九章氣體動力循環17整理上式，有可見，↑π，熱效率↑。

功量—燃氣輪機軸功：壓氣機耗功：循環凈功有極大值。當所以2023年3月22日第九章氣體動力循環18二、燃氣輪機的實際循環壓氣機耗功：燃氣輪機軸功：循環熱效率：因所以有2023年3月22日第九章氣體動力循環19

①②當、、一定時，隨著增壓比π的提高，循環熱效率有一個極大值③可見：熱效率影響因素分析

由。；；2023年3月22日第九章氣體動力循環20

(1)燃氣輪機裝置的回熱循環

循環的組成：1-2為壓氣機中絕熱壓縮；2-6為回熱器中定壓預熱；6-3為燃燒室中定壓加熱；3-4為燃氣輪機中絕熱膨脹；4-5為回熱器中定壓放熱；5-1為大氣中定壓放熱。理想回熱：空氣從T2

升溫至T4，實際只能到T6。三、提高熱效率的措施定義：回熱度2023年3月22日第九章氣體動力循環21燃氣輪機回熱循環熱效率可表示為

比熱容為定值時，有代入參數間的關系式，可得

2023年3月22日第九章氣體動力循環22可見:①增大升溫比，可提高燃氣輪機回熱循環的熱效率；②當升溫比及回熱度一定時，隨著增壓比的提高，回熱循環的熱效率有一個極大值。當回熱度增大時，與熱效率極大值相對應的增壓比的數值不斷降低。熱效率影響因素分析

由2023年3月22日第九章氣體動力循環23

采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回熱循環措施后，提高了平均加熱溫度及降低了平均放熱溫度，使得循環熱效率得到較大的提高。(2)采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回熱循環2023年3月22日第九章氣體動力循環249-3

增壓內燃機及其循環廢氣渦輪增壓內燃機的理想循環相當于由一個內燃機的混合加熱循環和一個燃氣輪機定壓加熱循環疊加而成。

增壓——將空氣的壓力及密度提高后，送入內燃機氣缸，使氣缸充入更多空氣。

目的——增加內燃機的功率(功率↑30％～100％，甚至更多)。

增壓器——用于增壓的壓氣機。

廢氣增壓可充分利用廢氣能量，提高經濟性，因此廣泛應用。2023年3月22日第九章氣體動力循環259-4

自由活塞燃氣輪機裝置及其循環自由活塞式發動機可以看做是一種特殊形式的增壓內燃機。它本身不直接輸出功率，而是與壓氣機相結合，把全部功率用于驅動壓氣機生產壓縮氣體。它也可作為燃氣發生器而與燃氣輪機組成聯合動力裝置，稱為自由活塞燃氣輪機裝置。2023年3月22日第九章氣體動力循環26自由活塞燃氣輪機裝置的工作過程

氣缸2中的兩個對置的自由活塞3的外端分別與壓氣機活塞相連。

缸內氣體燃燒膨脹→推動兩活塞外移，壓縮兩端氣墊氣缸7內的空氣，將發動機全部有效功儲存在空氣中。

活塞外移→壓氣機氣缸6容積↑→空氣經進氣閥5吸入。

活塞外移接近端部→右活塞先把氣缸排氣孔8打開→高溫燃氣→儲氣罐9；隨后，左活塞將掃氣口11打開→掃氣箱12內壓縮空氣→氣缸，將氣缸中殘余燃氣驅入燃氣儲氣罐，并使氣缸充滿新鮮壓縮空氣。

兩端氣墊氣缸內的高壓空氣推動自由活塞內移。當排氣孔及掃氣孔關閉后，氣缸內的空氣被絕熱壓縮。同時壓氣機氣缸內的空氣也被壓縮，壓力達到掃氣箱內壓力時，輸氣閥4打開，壓縮空氣在活塞推動下輸入掃氣箱12。兩活塞移至接近中間位置時，噴油器1將燃料噴入發動機氣缸中進行燃燒。隨后又開始膨脹過程，進行新的工作循環。

由發動機送入儲氣罐9中的高溫高壓燃氣不斷地送入燃氣輪機10中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發動機中燃氣膨脹所作的功全部通過活塞用于壓氣機的壓縮功，所以燃氣輪機所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。2023年3月22日第九章氣體動力循環27自由活塞燃氣輪機裝置的熱力循環

根據自由活塞發動機中的能量平衡，壓氣機消耗的軸功等于自由活塞發動機的循環凈功，即p-v圖上循環1-2-3-4-5-1的面積應和壓氣機壓氣過程8-1左側面積8-1-a-b-8相等。整個裝置輸出的功，也就是燃氣輪機輸出的軸功，可用燃氣輪機中絕熱膨脹過程6-7左側的面積6-7-b-a-6表示。循環1-2-3-4-5-1為自由活塞發動機氣缸中工質所完成的混合加熱循環。1-6為儲氣罐定壓充氣，6-7為燃氣在燃氣輪機中絕熱膨脹，7-8為廢氣在大氣中定壓放熱，8-1為空氣在壓氣機氣缸中的絕熱壓縮。2023年3月22日第九章氣體動力循環289-5

噴氣式發動機及其循環噴氣式發動機以一定飛行速度前進時，空氣以相同速度進入。高速氣流在前端擴壓管1中降速升壓后進入壓氣機2，經絕熱壓縮進一步升壓。壓縮空氣在燃燒室3中和噴入的燃料一起進行定壓燃燒。產生的高溫燃氣先在燃氣輪機4中絕熱膨脹產生軸功用于帶動壓氣機，然后進入尾部噴管5中，在其中繼續膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。

噴氣式發動機重量輕、體積小、功率大，其功率隨本身運動速度提高而增大，特別適合用做航空發動機。

工作過程：2023年3月22日第九章氣體動力循環29噴氣式發動機的熱力循環分析

1-a—擴壓管中的絕熱壓縮；a-2—壓氣機中的絕熱壓縮；2-3—燃燒室中的定壓吸熱；3-b—燃氣輪機中的絕熱膨脹；b-4—尾噴管中的絕熱膨脹；4-1—大氣中定壓放熱。

p-v圖上，面積代表壓氣機所消耗的軸功，面積代表燃氣輪機所輸出的軸功，根據噴氣發動機的工作原理，兩軸功的數值相等，故兩面積相等。

顯然，噴氣式發動機的熱力循環和定壓加熱燃氣輪機循環相同，故可引用有關的結論來對其進行分析。2023年3月22日第九章氣體動力循環309-6

活塞式熱氣發動機及其循環

(4)定容回熱過程：動力活塞1位于其下死點，配氣活塞2從其下死點上移。使膨脹腔內工質經連通管流入壓縮腔。此時工質容積不變，并在流過回熱器3時向回熱器放熱，降低溫度。當配氣活塞2移至其上死點時，工質全部進入壓縮腔，定容回熱過程結束。

工作過程：

(1)定溫壓縮過程：配氣活塞2位于上死點，動力活塞1由其下死點向上移動。兩活塞間壓縮腔內的工質受壓，同時通過缸壁向冷卻水放熱。

(2)定容預熱過程：動力活塞1位于其上死點位置，配氣活塞2從其上死點下移。迫使氣缸壓縮腔內工質流入配氣活塞上方的氣缸膨脹腔。此時工質容積不變，在流過回熱器3時被加熱。配氣活塞與和動力活塞相靠時，工質全部進入氣缸的膨脹腔，定容預熱過程結束。

(3)定溫膨脹過程：外部燃燒系統通過氣缸頂部向膨脹腔內的工質加熱，工質定溫膨脹，推動配氣活塞和動力活塞一起下移，輸出容積變化功。

2023年3月22日第九章氣體動力循環31活塞式熱氣發動