什么是柴油循环-柴油发动机-定义

柴油循环是汽车发动机中最常见的热力学循环之一,描述了典型的柴油活塞式发动机的工作特性。优德app热能工程

柴油循环 - 柴油发动机

在1890年代,德国发明家,鲁道夫柴油他发明了一种高效,缓慢燃烧,压缩点火的内燃机,并获得了专利。鲁道夫·迪塞尔最初提出的循环是一个恒温循环。在后来的几年里,迪塞尔意识到他原来的循环不能工作,他采用了恒压循环,这被称为狄塞尔循环

狄塞尔循环其中最常见的是什么热力学循环可以在汽车发动机和介绍了一种典型的压缩点火活塞发动机的工作原理。柴油机在操作上与汽油机相似。最重要的区别是:

  • 压缩行程开始时气缸中没有燃料,因此在柴油发动机中不会发生自动。
  • 柴油发动机使用压缩点火而不是火花点火。
  • 由于在绝热压缩过程中产生的高温,燃料在喷射时自然着火。因此不需要火花塞。
  • 在动力冲程开始之前,喷油器开始直接向燃烧室喷射燃料,因此第一部分动力冲程大约在恒压状态下发生。
  • 可以获得更高的压缩比柴油发动机比奥托发动机更有竞争力
柴油机在操作上与汽油机相似。在这幅图中,有一个奥托引擎,这是由火花塞点燃,而不是压缩本身。
四冲程发动机-奥托发动机
四冲程发动机-奥托发动机
资料来源:wikipedia.org,zephyris的工作,cc by-sa 3.0
相比奥托循环, 这狄塞尔循环没有执行等因素搅拌。在理想的柴油循环中,执行循环的系统经历了一系列四种方法:两种等熵(可逆绝热)工艺交替,与一种等离子工艺和一种同级工艺交替。

卡诺原理指出任何发动机都不能比可逆发动机更有效(卡诺热机)在相同的高温和低温储罐之间运行时,柴油发动机的效率必须低于卡诺效率。典型的柴油汽车发动机在周围运营30%到35%热效率。约有65-70%的废热没有转化为有用的功,即传递到车轮上的功。一般来说,使用柴油循环的发动机通常比使用奥托循环的发动机效率更高。柴油发动机具有最高的热效率的任何实际内燃机。低速柴油机(在船舶上使用的)热效率可以超过50%。世界上最大的柴油发动机峰值达到51.7%。

柴油循环-过程

在理想的柴油循环中,执行循环的系统经历了一系列四种方法:两种等熵(可逆绝热)工艺交替,与一种等离子工艺和一种同级工艺交替。

  • 理想的柴油周期的PV图
    理想的柴油周期的PV图

    等熵压缩(压缩行程) - 空气从状态1到状态2被绝热压缩,因为活塞从底死中心移动到顶部死亡中心。周围的环境在气体上工作,增加其内部能量(温度)并压缩它。另一方面,熵保持不变。卷的变化及其比例(V.1/ V.2)被称为压缩比。

  • 等压扩张(点火阶段)-在这个阶段(状态2和状态3之间)有一个恒压(理想模型)热传递到空气从外部来源(燃烧的喷射燃料),而活塞是向Vw88优德备用网址 微博3.。在恒压过程中,能量以热量Q的形式进入系统添加,一部分功是通过移动活塞来完成的。
  • 等熵膨胀(动力冲程)-当活塞从V移动时,气体从状态3绝热膨胀到状态43.到下正中间。气体对周围环境(活塞)做功,损失的内能等于离开系统所做的功。熵仍然保持不变。体积比(V.4./ V.3.)被称为常规膨胀比。
  • 等因素减压(排气冲程)-在这个阶段,循环通过一个恒容过程完成,在此过程中,热量从空气中被拒绝,而活塞在底部死点。工作气体压力瞬间从点4下降到点1。排气阀在点4打开。排气冲程直接在此减压后。当活塞从下死点(点1)移动到上死点(点0)时,排气阀打开,气体混合物被排到大气中,重新开始这个过程。

在Diesel循环中,活塞在状态1和2之间对气体做功(一世sentropic压缩)。气体在第二和第三级之间对活塞做功(一世sobaric供热)及在第2至第3阶段(一世sentropic扩张)。气体的工作与气体上的工作之间的差异是循环产生的净工作,并且它对应于循环曲线包围的区域。通过循环时间产生的工作循环速率(每秒循环)等于柴油发动机产生的功率。

等熵过程

一个等熵过程是A.热力学过程,其中流体或气体的压强保持不变。这意味着等熵过程是an的特例吗绝热过程其中没有热量或物质的转移。它是一个可逆绝热过程。没有传热的假设是非常重要的,因为我们只能在w88优德备用网址 微博非常快速的过程

等熵过程和第一定律

对于一个封闭的系统,我们可以写下在焓的第一热力学定律w88优德app

dH = dQ + Vdp

dH = TdS + Vdp

等熵过程(dQ = 0):

dH = Vdp→W = H2- H1→H2- H1=CP.(T2- T1(理想的气体

理想气体的等熵过程

等熵过程(绝热过程的一种特殊情况)可以用理想气体定律为:

光伏κ=常数

P.1V.1κ= p2V.2κ

在这κ= C.P./ cV.是的比值特定的加热(或者热容)煤气。一个用于恒压(cP.,一个用于体积恒定(cV.。注意,这种比率κ= cP./ cV.是决定气体和其他绝热过程中声速的一个因素。

等体积的过程

一个等级过程是一种热力学过程,其中体积闭系统的保持不变(V =常量)。它描述了容器内气体不能变形的行为。由于体积保持不变,系统内外的热传递就不会产生w88优德备用网址 微博PΔV工作,但只会改变内能(温度)系统。

等容过程和第一定律

古典形式的热力学第一定律w88优德app为:

du = dq - dw

在这个方程中dW等于dw = pdv.被称为边界工作。然后:

dU = dQ - pdV

等级过程理想的气体,所有加给系统的热量都用来增加内能。

等容过程(pdV = 0):

dU = dQ(理想的气体)

du = 0 = q - w→w = q(理想的气体)

理想气体的等容过程

等级过程可以用这个来表示吗理想气体定律为:

等容过程-方程1

等容过程-方程2

在一个p-V图,该过程沿着具有等式V =常数的水平线发生。

参见:Guy-Lussac定律

等压过程

一个等压过程是A.热力学过程,其中压力系统的保持不变(p =常量)。系统内外w88优德备用网址 微博的热传递做功,但也改变了系统的热力学能。

因为有变化内能(dU)和系统容积变化(∆V),工程师经常使用系统的,定义为:

H = U + PV

等压过程和第一定律

古典形式的热力学第一定律w88优德app为:

du = dq - dw

在这个方程中dW等于dw = pdv.被称为边界工作。在一种不同胞过程和理想的气体中,添加的一部分加热到系统将被使用做的工作一部分的热量添加将增加内能(增加温度)。因此,使用它是方便的而不是内部能量。

异交过程(VDP = 0):

dh = dq→q = h2- H1

在恒定熵,即在等熵过程中焓的变化等于流程工作由系统完成。

理想气体的等压过程

等压过程可以用这个来表示吗理想气体定律为:

iSobaric过程 - 等式 -  2

iSobaric过程 - 方程 -  3

在一个p-V图,该过程沿着具有等式P =常数的水平线(称为ISOBAR)进行。

参见:查理定律

等熵过程特性
概要过程 - 主要特征
等容过程-主要特征
等容过程-主要特征
等压过程-主要特征
等压过程-主要特征

柴油循环 - PV,TS图

理想的柴油周期的PV图
理想的柴油周期的PV图

柴油周期通常绘制在压力-体积图(pV图)和温度-熵图(Ts图)上。

当绘制在压力容积图等压过程沿等压线(水平线),等容过程沿等压线(垂直线),绝热过程在这些线之间移动,由完整循环路径所包围的区域表示总工作这可以在一个周期内完成。

温熵图(Ts图),其热力学状态由图上某点表示,横轴为比熵(s),纵轴为绝对温度(T)。t图是一个有用和常见的工具,特别是因为它有助于形象化的热传递过程中。w88优德备用网址 微博对于可逆(理想)过程,过程T-s曲线下的面积为w88优德备用网址 微博热量转移在这个过程中给系统。

四冲程柴油机

柴油发动机可以设计为两个行程或四个行程循环。四冲程柴油发动机是内燃(IC)发动机,其中活塞在转动曲轴时完成四个单独的行程。行程是指在任一方面的圆柱体的完全行进。因此,每次中风都不对应于章节中给出的单一热力学过程柴油周期 - 过程。

四冲程引擎包括:

  • 四冲程发动机-奥托发动机
    柴油机在操作上与汽油机相似。在这幅图中,有一个奥托引擎,这是由火花塞点燃,而不是压缩本身。四冲程发动机-奥托发动机
    资料来源:wikipedia.org,zephyris的工作,cc by-sa 3.0

    进气冲程-活塞从上止点(上止点)移动到下止点(下止点),循环通过点0→1。在这个冲程中,当活塞通过气缸向下运动产生真空压力,将空气(没有燃料)吸入气缸时,进气阀打开。

  • 压缩行程-活塞从下止点(下止点)移动到上止点(上止点),循环通过点1→2。在该行程中,进气和排气阀都关闭,导致绝热空气压缩(即没有传热到环境或环境)。w88优德备用网址 微博在这种压缩过程中,体积减小,压力和温度均上升。在该中风燃料的末端注入并在压缩热空气中燃烧。在这个中风的尽头,曲轴已经完成了完整的360度革命。
  • 电力行程 -活塞从上止点(上止点)移动到下止点(下止点),循环通过点2→3→4。在这个冲程中,进气阀和排气阀都是关闭的。在动力冲程的开始,一个接近等压燃烧发生在2和3之间。在这段时间内,由于活塞下降,压力保持不变,体积增加。在3时,燃料喷射和燃烧完成,气缸中含有的气体温度高于2时。在3点到4点之间,高温气体再次近似绝热膨胀。在这个冲程中,活塞被推向曲轴,体积增大,气体对活塞做功。
  • 排气冲程。活塞从下止点(下止点)移动到上止点(上止点),循环通过点4→1→0。在这笔中,排气阀在活塞从腔室中拉出废气时打开。在这阵线结束时,曲轴已经完成了第二个完整的360度革命。

注意:在理想情况下,绝热膨胀应继续下去,直到压力降到周围空气的压力为止。这将提高发动机的热效率,但这也给发动机带来了实际困难。简单地说,引擎必须要大得多。

实际和理想柴油周期的比较

实际柴油循环-柴油发动机在本文中,它显示了一个理想的柴油机循环有很多不同的假设实际的柴油周期。实际和理想的柴油发动机之间的主要差异出现在图中。实际上,理想的循环不会发生,并且与每个过程有很多损失。对于实际循环,PV图的形状类似于理想,但PV图包围的区域(工作)总是小于理想值。理想的柴油循环基于以下假设:

  • 封闭的循环两幅图最大的区别是在理想循环中进气和排气冲程的简化。在排气冲程中,热量Q出去被喷射到环境(在真正的发动机中,气体离开发动机并被空气和燃料的新混合物所取代)。
  • 等离性体的加热。在实际的热机中,热量的增加决不是等压的。
  • 没有传w88优德备用网址 微博热
    • 压缩 - 气体从状态1到状态2.在真正的发动机中,总有一些低效率降低了热效率。
    • 扩张。气体从状态3绝热膨胀到状态4。
  • 完全燃烧的混合物。
  • 没有泵工作。泵送功是在排气冲程中所做的功和在进气冲程中所做的功之间的区别。在实际循环中,排气和进口压力之间存在压力差。
  • 没有排污损失。排污损失是由于排气阀过早开启造成的。这将导致膨胀冲程中输出功的损失。
  • 没有漏气损失。漏气损失是由压缩气体通过活塞环等缝隙泄漏造成的。
  • 没有摩擦损失

这些简化的假设和损失导致了一个事实,即实际发动机的pV图的封闭面积(功)明显小于理想循环的pV图的封闭面积(功)。换句话说,理想的发动机循环会高估净功,如果发动机以相同的速度运行,实际发动机产生的更大的功率约为20%(类似于奥托发动机的情况)。

压缩比 - 奥托发动机

压缩比CR.,定义为下死点体积与上死点体积之比。这是许多内燃机的关键特性。在下一节中,将显示压缩比确定热效率燃烧发动机的使用热力学循环。通常,希望具有高压缩比,因为它允许发动机达到更高的热效率。

例如,假设压缩比为CR = 10:1的奥托循环。箱体容积为500cm³= 500×106m3.(0.5L)在压缩冲程之前。对于这个引擎一种所需的卷是已知的:

  • V.1= V4.= V马克斯= 500×106m3.(0.5 l)
  • V.2= V3.= V最小值= V马克斯/ cr = 55.56 ×106m3.

注意(v马克斯- - - - - - V最小值) x汽缸数=发动机总排量。

压缩比的例子-汽油和柴油

  • 汽油动力发动机中的压缩比通常不会高于10:1因潜在的发动机爆震(自燃)而不低于6:1
  • 增压版斯巴鲁翼豹WRX的压缩比为8.0: 1。通常,在进气口中已经具有压缩空气的涡轮增压或增压发动机,因此它们通常以较低的压缩比构成。
  • 原装本田S2000发动机(F22C1)的压缩比为11.1:1
  • 一些大气运动跑车的发动机可以有压缩比高达12.5: 1(例如Ferrari 458 Italia)。
  • 2012年,马自达推出了新的汽油发动机品牌SkyActiv与一个14:1压缩比。为了减少发动机爆震的风险,通过使用减少了残余气体4-2-1引擎排气系统,实现了活塞腔,并优化燃油喷射。
  • 柴油发动机的压缩比通常超过14:1,比超过22:1也很常见。

柴油循环的热效率

总的来说,热效率η.的比值定义为工作是这样,W.,到了在高温下输入,qH

热效率公式 -  1

热效率η.,表示的分数问:H,转换为工作。根据能量保守热力学第一定律w88优德app能量不能完全转化为功,输入的热量QH等于对系统做的功W,加上系统散发的热量废热问C进入环境。因此,我们可以重写用于热效率的公式:

热效率公式 -  2

当火花发生在恒定体积时,在燃料 - 空气混合物的燃烧期间发生吸收的热量。从A.等级过程没有对系统做的功热力学第一定律w88优德app规定∆U =∆Q。因此,添加和被拒绝的热量由:

问:添加= MC.P.(T3.- T2

问:出去= MC.V.(T4.- T1

将这些表达式代入热效率产量表达式中添加的和拒绝的热量:

这个方程可以重新排列为压缩比和截止比的形式:

在哪里

  • η.柴油柴油机循环的最大热效率是多少
  • α是截止口粮V.3./ V2(即燃烧阶段结束时的量与燃烧阶段的比率)
  • CR.压缩比
  • κ= C.P./ cV.= 1.4

这是一个非常有用的结论,因为从给定质量的燃料中提取更多的机械能需要达到一个高的压缩比。正如我们在前一节中得出的结论,空气标准奥托循环热效率也是压缩比和κ的函数。

热效率-奥托循环-压缩比

当我们将这些与公式进行比较时,可以看出,对于给定的压缩比(CR),奥托循环将比柴油周期更有效。但柴油发动机通常更有效,因为它们能够以更高的压缩比操作。

在普通的奥托发动机压缩比有它的限制。汽油发动机的压缩比通常不会比10:1高很多。如果使用辛烷值较低的燃料,较高的压缩比会使汽油发动机发生发动机爆震,这是由未燃烧的混合燃料自燃引起的。在柴油发动机中,燃料自燃的风险很小,因为柴油发动机是压缩点火发动机,在压缩行程开始时,气缸中没有燃料。

交通发动机效率
  • 在二十世纪中叶,一个典型的蒸汽机车热效率是多少6%。这意味着每100 MJ燃烧的燃煤,生产了6 MJ的机械力。
  • 典型的汽油汽车发动机在周围运营25%到30%热效率。约有70-75%的废热没有转化为有用的功,即传递到车轮上的功。
  • 典型的柴油汽车发动机在周围运营30%到35%。一般来说,使用柴油循环的发动机通常效率更高。
  • 2014年,新规定出台f1赛车。这些Motorsport法规已推动团队开发高效的电力单元。根据梅赛德斯的说法,他们的电力系统正在实现超过45%接近50%的热效率,即45 - 50%的势能在燃料是交付给车轮。
  • 柴油发动机具有最高的热效率的任何实际内燃机。低速柴油机(在船舶上使用的)热效率可以超过50%。世界上最大的柴油发动机峰值达到51.7%。

平均有效压力 - MEP

MEP是一种非常有用的测量发动机做功能力的方法,它与发动机排量无关。
MEP是一种非常有用的发动机工作能力,这些工作能力独立于发动机位移。

工程师用于描述往复活塞发动机的性能的参数称为往复式活塞发动机的性能平均有效压力,或欧洲议会议员欧洲议会议员是发动机的工作能力的一种非常有用的措施,该工作能力独立于发动机位移。有几种类型的MEP。这些MEPS由位置测量和计算方法(例如BMEP或IMEP)定义。

一般来说,平均有效压力是理论恒压,如果它作用于活塞在动力冲程,将产生相同的净功,实际上在一个完整的循环。MEP可定义为:

平均有效压力-定义

例如,网络表示平均有效压力,被称为IMEPN.等于在整个发动机循环中,由缸内压力(必须有这个测量)计算出的平均有效压力。注意,四冲程发动机为720°,二冲程发动机为360°。

一些例子:

  • 在最大扭矩范围内,大气汽油发动机的MEP可以在8到11 bar之间。
  • 涡轮增压汽油发动机的MEP可以从12到17巴的范围内。
  • 常压柴油机的MEP范围为7 ~ 9 bar。
  • 涡轮增压柴油发动机的MEP可以在14到18 bar之间

例如,从2升移位产生200n·m的四冲程汽油发动机的MEP(4π)(200n·m)/(0.002m³)= 1256000Pa = 12巴。可以看出,MEP很有用发动机特性。对于两个等排量的发动机,一个带a更高的议员将会产生更大的净功如果引擎以同样的速度运行,更大的权力

柴油循环-问题与解决方案

理想的柴油周期的PV图
理想的柴油周期的PV图

让我们假设柴油循环,这是最常见的一个热力学循环可以在汽车发动机。这类发动机的关键参数之一是上死点到下死点的体积变化。这些体积的比例(V.1/ V.2)被称为压缩比。还截止比率v3./ V2,即燃烧阶段结束和开始时的体积比。

在本例中,假定Diesel循环的压缩比为CR = 20:1,截止比为α = 2。空气在100kpa = 1bar, 20°C (293 K),压缩行程前腔体的体积为500cm³。

  • 常压和室温下空气恒压比热容:CP.= 1.01 kj / kgk。
  • 在大气压和室温下恒定空气量的比热容量:CV.= 0.718 kJ / kgK。
  • κ= C.P./ cV.= 1.4

计算:

  1. 进气的质量
  2. 温度T2
  3. 压力P.2
  4. 温度T3.
  5. 燃料-空气混合物燃烧所增加的热量
  6. 这个循环的热效率
  7. MEP.

解决方案:

1)

在计算的开始,我们必须在压缩行程之前确定气缸中的气体量。利用理想气体定律,我们可以求出质量:

PV =先生具体的T.

地点:

  • P.气体的绝对压强是多少
  • m是物质的质量吗
  • T.是绝对温度
  • V.是卷
  • R.具体的是比气体常数,等于通用气体常数除以气体或混合物的摩尔质量(M)。干燥空气R具体的= 287.1 J.KG.1。K1

所以

m= p1V.1/ R具体的T.1= (100000 × 500×10 .6)/(287.1 × 293) =5.95×104公斤

2)

在此问题中,所有卷都是已知的:

  • V.1= V4.= V马克斯= 500×106m3.(0.5 l)
  • V.2= V最小值= V马克斯/ cr = 25 ×106m3.

注意(v马克斯- - - - - - V最小值) x汽缸数=发动机总排量

由于过程是绝热的,对于绝热过程我们可以使用下面的p, V, T关系:

因此

T.2= T1。CR.κ- 1= 293。20.0.4= 971 K

3)

同样,我们可以用理想气体定律来求压缩行程结束时的压力:

P.2=先生具体的T.2/ V.2= 5.95×104X 287.1 X 971 / 25 ×106= 6635000 Pa =66.35酒吧

4)

由于过程2→3发生在恒定压力下,所以状态的理想气体方程给出

T.3.= (V3./ V2)X T.2= 1942 K.

为了计算燃油-空气混合气燃烧所增加的热量,Q添加,我们必须使用等压过程的热力学第一定律,即:w88优德app

问:添加= MC.P.(T3.- T2) = 5.95×104X 1010 X 971 =583.5 J.

5)

这种柴油周期的热效率:

如前所述,Diesel循环的热效率是压缩比、截止比和κ的函数:

在哪里

  • η.柴油柴油机循环的最大热效率是多少
  • α是截止比V3./ V2(即燃烧阶段结束时的量与燃烧阶段的比率)
  • CR为压缩比
  • κ= C.P./ cV.= 1.4

对于这个示例:

η.柴油= 0.6467 = 64.7%

6)

MEP被定义为:

该方程式位移量等于V.马克斯- - - - - - V最小值。可以使用加热和热效率来计算一个循环的网络工作:

W.=问:添加。η.奥托=583.5 x 0.6467 =377.3 J.

欧洲议会议员= 377.3 / (500×106- 25×106)= 794.3 KPA =7.943条

引用:
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其他参考资料:

柴油发动机-汽车回收

参见:

热力学循环

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