工程热力学课件第9-11章
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3. 活塞式内燃机循环 以汽油机为例
开式循环(open cycle)；
燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；
各环节中工质质量、成分稍有变化。
9
二、活塞式内燃机循环的简化
1. 空气标准假设 (the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体 理想气体 燃烧和排气过程 空气 定比热容
? ?
?
学习目标 （9-11章）
列举标准空气假设主要内容及活塞式内燃机简化过程中应用； 描述活塞式内燃机各种理想加热循环及各自特性参数，画出循环的 p-v 图 和 T-s 图，并进行循环及热效率计算； 分析、讨论、比较各种理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。 按水蒸气动力装置设备流程简图，画出水蒸气朗肯循环图，计算朗肯循环 （包括有摩阻朗肯循环）的热效率，并讨论影响热效率的因素； 按压缩蒸气制冷装置设备流程图简化画出压缩蒸气制冷基本循环图，利用 制冷剂物性表或和h-s图计算循环的制冷系数；分析、讨论提高压缩蒸气循 环制冷系数的热力学措施； 指出压缩蒸气制冷装置制冷剂应具备的性质和环境影响。 教学参考资料： 工程热力学第4版 pp.284~298，pp.316~325， p.348,pp.353~358。
wt' ,T T h3 h4 s
h4 a h3 T h3 h4 s
三. 燃气轮机装置的内部热效率
' wnet i ' q1
' 1
w
' net
w w T h3 h4 s
' t ,T ' c
1
Cs
h2 s h1
q h3 h2 h3 h1
二.压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率
CS
' C
wCS h2 s h1 ' wC h2 a h1
1 h2 a h1 h2 s h1 CS
1 w h2 s h1 CS
T
wt' ,T wt ,T h3 h4 a h3 h4 s
i oi h3 h4 s
h3 h1 1 1
1
Cs
h2 s h1
CS
h2 s h1
CS
h2 s h1
T
1
1
CS
1
1
1
1
CS
i
oi h3 h4 s
h3 h1 1
目的——在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化 的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 步骤： 1. 实际循环（复杂不可逆） 分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径 指导改善 实际循环 抽象、简化
可逆理论循环
2. 分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的 部位、大小、原因及改进办法
吸热和放热过程
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计 所有过程都假设为内部可逆
2. 冷空气标准假设— 比热假设为环境温度下的比热
3. 平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热内燃机（dual combustion cycle）
本章教学内容
9-1 分析热力循环的一般方法 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 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 9-5 燃气轮机装置循环 9-6 简单蒸汽动力装置循环—— 朗肯循环 9-7 压缩蒸气制冷循环
9–1 分析动力循环的一般方法
一、分析动力循环的目的和一般步骤
两式相除
p5 v5 p4 v4 p1v1 p2 v2
p3 v4 p5 p4 v4 p2 v3 p1 p2 v2
p4 p3 v2 v3
p5 T1 T5 T1 p1
T2、T3、T4和T5代入
power cycles
★ “既生瑜何生亮” ——汽油机、柴油机能共生、发展吗？
★ 水蒸汽动力装置，如国际先进的蒸汽电厂的热效率仅仅
40左右，燃料发热量中约50%在冷凝器中被冷却水带走， 所以解决能源危机的一个有效途径是革冷凝器的命——撤销 冷凝器，提高热效率！ ★ 家电说明书上指出，家用冰箱应放置在距墙壁15cm左右 的通风处，为什么会提出这样浪费宝贵室内面积的“昏招” ？
v1 v5
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
1 1 1 1 1
讨论：
2’ 2
4’ . .. . . .. . . . . 1.
3’ 3”
a) t
p
3 2 4
01 12
吸气 压缩
23
34
5 0 1
喷油、定容燃烧
定压燃烧 膨胀作功 排气
45 50
V
o
Vc
Vh
简化：引用空气标准假设
3
p
. 2. .
.4
压缩1-2等熵过程 燃烧2-3等容吸热 燃烧3-4定压吸热
膨胀4-5等熵过程
0
.5 .1
Vh
排气5-1等容放热 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略
讨论：
a ) t
t 1
1
1
b)
t 不变 wnet
c ) 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
T
q1’ - q1
2’ 2
. . .
. . . . .
3’
3”
3
4”
4
1 O
21
s
四、定压加热理想循环(Diesel cycle)
二、分析动力循环的方法
1. 第一定律分析法 以第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。 熵产 㶲损 作功能力损失
2. 第二定律分析法
熵分析法 㶲分析法
㶲效率
9–2 活塞式内燃机实际循环的简化
一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介
三、定容加热理想循环 (Otto cycle)
v1 v2
p3 p2
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
q2 cV T4 T1
1
1 1 t 1 1 1 1 1 1
p 2
.
.
3
特性参数：
T
.
2
3
. .
O
4
1
v
v1 v2 v3 v2
.
.
.
4
1
q2 cV T4 T1
q2 t 1 q1
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1
Tm1 Tm2不变
4” 4 5
3
b) t
Tm1 Tm2不变
c) t
Tm1 Tm2不变
归纳：
a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重 要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 b.利用T-s图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。 例A470299
. . . . .
3’ 3 4
3”
4”
1 O
.
s
c) 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。
9–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
一、压缩比相同，吸热量相同时的比较
T
.
3v
3 2
1
. .
.
4v
..
4 5
2p
3p
. . .q
或
4p
q2v
1．一般结构：
An automotive engine with the combustion chamber exposed
2．分类： 按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine)-汽车 压燃式(compression ignition engine)— 重型卡车、轮船、火车机车等 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
利用 、、 表示
1 2 v1 T2 T1 v2
t
1
T1 1
23
p3 T1 1 T3 T2 p2
p3 p2
34
5 1
v4 T1 1 T4 T3 v3
p5 T5 T1 p1
p5 p1
?
p1v1 p2 v2 ； p5 v5 p4 v4
q2m
O
q1v q1m q1 p
q2 v q2m q2 p
s
tv tm tp
T 2 p T 2m T 2 v
T 1 p T 1m T 1v
二、循环 pmax、Tmax 相同时的比较
T
Tmax
2’ 2
2” 1
. . . . . q
3
. .
2
4
pmax
3. 活塞式内燃机循环 以汽油机为例
开式循环(open cycle)；
燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；
各环节中工质质量、成分稍有变化。
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二、活塞式内燃机循环的简化
1. 空气标准假设 (the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体 理想气体 燃烧和排气过程 空气 定比热容
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学习目标 （9-11章）
列举标准空气假设主要内容及活塞式内燃机简化过程中应用； 描述活塞式内燃机各种理想加热循环及各自特性参数，画出循环的 p-v 图 和 T-s 图，并进行循环及热效率计算； 分析、讨论、比较各种理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。 按水蒸气动力装置设备流程简图，画出水蒸气朗肯循环图，计算朗肯循环 （包括有摩阻朗肯循环）的热效率，并讨论影响热效率的因素； 按压缩蒸气制冷装置设备流程图简化画出压缩蒸气制冷基本循环图，利用 制冷剂物性表或和h-s图计算循环的制冷系数；分析、讨论提高压缩蒸气循 环制冷系数的热力学措施； 指出压缩蒸气制冷装置制冷剂应具备的性质和环境影响。 教学参考资料： 工程热力学第4版 pp.284~298，pp.316~325， p.348,pp.353~358。
wt' ,T T h3 h4 s
h4 a h3 T h3 h4 s
三. 燃气轮机装置的内部热效率
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' t ,T ' c
1
Cs
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二.压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率
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目的——在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化 的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 步骤： 1. 实际循环（复杂不可逆） 分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径 指导改善 实际循环 抽象、简化
可逆理论循环
2. 分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的 部位、大小、原因及改进办法
吸热和放热过程
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计 所有过程都假设为内部可逆
2. 冷空气标准假设— 比热假设为环境温度下的比热
3. 平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热内燃机（dual combustion cycle）
本章教学内容
9-1 分析热力循环的一般方法 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 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 9-5 燃气轮机装置循环 9-6 简单蒸汽动力装置循环—— 朗肯循环 9-7 压缩蒸气制冷循环
9–1 分析动力循环的一般方法
一、分析动力循环的目的和一般步骤
两式相除
p5 v5 p4 v4 p1v1 p2 v2
p3 v4 p5 p4 v4 p2 v3 p1 p2 v2
p4 p3 v2 v3
p5 T1 T5 T1 p1
T2、T3、T4和T5代入
power cycles
★ “既生瑜何生亮” ——汽油机、柴油机能共生、发展吗？
★ 水蒸汽动力装置，如国际先进的蒸汽电厂的热效率仅仅
40左右，燃料发热量中约50%在冷凝器中被冷却水带走， 所以解决能源危机的一个有效途径是革冷凝器的命——撤销 冷凝器，提高热效率！ ★ 家电说明书上指出，家用冰箱应放置在距墙壁15cm左右 的通风处，为什么会提出这样浪费宝贵室内面积的“昏招” ？
v1 v5
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
1 1 1 1 1
讨论：
2’ 2
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01 12
吸气 压缩
23
34
5 0 1
喷油、定容燃烧
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45 50
V
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Vh
简化：引用空气标准假设
3
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压缩1-2等熵过程 燃烧2-3等容吸热 燃烧3-4定压吸热
膨胀4-5等熵过程
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排气5-1等容放热 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略
讨论：
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c ) 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
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四、定压加热理想循环(Diesel cycle)
二、分析动力循环的方法
1. 第一定律分析法 以第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。 熵产 㶲损 作功能力损失
2. 第二定律分析法
熵分析法 㶲分析法
㶲效率
9–2 活塞式内燃机实际循环的简化
一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介
三、定容加热理想循环 (Otto cycle)
v1 v2
p3 p2
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
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归纳：
a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重 要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 b.利用T-s图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。 例A470299
. . . . .
3’ 3 4
3”
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1 O
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s
c) 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。
9–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
一、压缩比相同，吸热量相同时的比较
T
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3v
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1
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或
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1．一般结构：
An automotive engine with the combustion chamber exposed
2．分类： 按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine)-汽车 压燃式(compression ignition engine)— 重型卡车、轮船、火车机车等 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
利用 、、 表示
1 2 v1 T2 T1 v2
t
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p3 T1 1 T3 T2 p2
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