内燃机三种理想循环比较及平均压力分析

下面，对内燃机三种理想循环的热效率进行比较。比较的目的在于找出在给定条件下，哪种循环的热效率最高。因此，首先要从实际需要出发，明确比较的前提条件。

在实际的内燃机工作中，每循环的开始总是从大气中吸入新鲜空气，因此循环初始状态点1相同是比较的前提条件之一；其次，为使喷入的燃油得到充分燃烧，对于吸入1kg的新鲜空气，喷油量是一定的，因而对每千克工质而言，加入的热量相同也是比较的前提条件之一。以这两个基本前提为基础，分别在压缩比ε相同或最高压力相同时，对三种理想循环进行比较。

一、平均温度的概念

如图10-7所示，有一任意可逆循环abcda，其加热过程为a—b—c，其放热过程为c—d—a，则

若以温度为的定温加热过程4—1来代替原加热过程a—b—c，这一假想的定温加热过程与原加热过程比熵的变化量相同，且加热量相同，即

图10-7 循环的平均进热温度和平均放热温度

则

即为循环中加热过程的平均进热温度。同理

即为循环中放热过程的平均放热温度。于是，原循环abcda的

热效率可表示为

可见，原循环的热效率等于由和组成的假想卡诺循环12341的热效率。因此，凡能提高循环的平均进热温度或降低平均放热温度的措施，均能提高循环的热效率。

二、压缩比ε相同的比较

如图10-8所示，123451为混合加热循环，124′5′1为定容加热循环，124″5″1为定压加热循环。在给定的条件下三种循环的绝热压缩线1—2重合，工质从高温热源接受的热量相同，即

图10-8在ε和q1一定时三种理想循环热效率的比较图

面积234ba2＝面积234′b′a2＝面积24b″a2

放热量q2各不相同，如图示可知：

面积5′1ab′5′＜面积51ab5＜面积5″1ab″5″

即

根据热效率公式ηt＝1－q2/q1，三种理想循环热效率之间有如下关系即

应用平均进热温度和平均放热温度的概念，由图10-8可以看出(www.xing528.com)

所以

上述比较结果，仅说明了从热力学分析来看，定容加热比定压加热循环更有利。事实上，由于三种循环的压缩比各不相同，所以上述结果并不符合内燃机循环的实际情况。

三、循环的最高压力相同时的比较

在某些情况下，内燃机的机械负荷和热负荷是主要限制条件。当循环最高压力pmax一定时，三种理想循环的T-s图如图10-9所示。图中123451为混合加热循环；12′4′5′1为定容加热循环；12″4″5″1为定压加热循环。三种理想循环的加热量q1相同，而压缩比ε与放热量q2不同。

由图可见，放热量面积5″1ab″5″＜面积51ab5＜面积5′1ab′5′，即

因此循环热效率为

可见，在pmax一定时，定压加热循环的压缩比ε和热效率最高，定容加热循环的压缩比ε和热效率最低。

这三种循环还可以在其他条件下进行比较，但可以得到这样的结论：在压缩比相等的情况下，定容加热循环具有较高的热效率；当定压加热循环的压缩比大于定容加热循环的压缩比时，则定压加热循环具有较高的热效率；而混合加热循环总介于两者之间。

图10-9 在pmax和qt一定时三种理想循环热效率的比较

四、内燃机循环平均压力pt

内燃机具有热效率高和单位功率重量轻等优点，因此在船舶上及其他方面得到广泛的应用。随着船舶吨位的增加和航速的提高，不断要求提高内燃机功率。但是气缸体积过分增加是有困难的，加之其他方面的限制，所以，提高单位气缸体积的作功能力是增加内燃机功率的重要方向。

设内燃机气缸中工质的质量为mkg，则每一循环工质对活塞作的总功为mw J，图10-10是内燃机理想循环示功图，所围面积数值即为循环总功mw。

如以Vs表示气缸工作体积，则单位气缸体积在每一循环中所作的功为

由上式可以看出，pt的单位与压力的单位相同，因此pt称为“内燃机理想循环的平均压力”。在图10-10中，以气缸工作体积Vs为底边作矩形，使之面积等于示功图面积，则该矩形的高度就是pt的数值。可见，循环的平均压力pt代表单位气缸体积的作功能力，是衡量各类内燃机作功能力的一个重要指标。pt的大小主要取决于工作循环进行的完善程度。

图10-10 内燃机循环的p- V图与平均压力

如吸入气缸中气体的比体积为υ1，则气缸工作体积Vs中的气体质量为

按理想气体状态方程p1υ1＝RT1，则

由热效率定义得w＝q1ηt一并代入式（10-8），可得

由式（10-9）可知，平均压力pt随p1，q1，ηt的提高和T1的降低而增加。对于吸入一定量的空气而言，为了使喷入的燃油得到完全燃烧，喷油量是一定的，因此循环加热量q1也是基本不变的；循环热效率ηt的提高值很小，对pt影响不大。因此，影响pt的主要因素是压缩始点的压力p1和T1温度。这是因为当p1越高、T1越低时，空气的密度越大，就能使更多的燃油喷入气缸得到完全燃烧，使pt增加。现代柴油机为了提高pt，利用专门的废气涡轮增压器先将空气由大气压力压缩到较高的压力p1，即增压，再经过空气冷却器降低空气的温度T1,然后送入柴油机。