第五章
气体动力循环
Gas Power Cycle
动力循环研究目的和分类
动力循环,工质连续不断地将从高温热源取
得的 热量 的一部分转换成对外的 净功
按工质
气体动力循环,内燃机
蒸汽动力循环,外燃机
空气为主的燃气
按 理想气体 处理
水蒸气等 实际气体
研究目的,合理安排循环，提高热效率 internal combustion engine
external combustion engine
气体动力循环分类
按结构
活塞式
叶轮式
汽车，摩托，小型轮船
航空，大型轮船，移动电站
piston engine
Gas turbine cycle
气体动力循环分类
小型汽车，摩托
中、大型汽车，火车，
轮船，移动电站
汽油机 petrol (gasoline) engine
按燃料 柴油机 diesel engine
煤油机 kerosene oil engine
航空
气体动力循环分类
点燃式 spark ignition按点燃方式：
按冲程数：
四冲程 four-stroke
压燃式 compression ignition
二冲程 two-stroke
动力循环研究方法
实际动力循环非常复杂
不可逆, 多变指数变化, 燃烧 等
工程热力学研究方法，先对实际动
力循环进行 抽象 和 理想化,形成各种理
想循环进行分析，最后进行 修正 。
§ 5-1 活塞式内燃机动力循环
一、四冲程高速柴油机 （混合加热循环）
high-speed diesel engin
四冲程柴油机工作原理
空气、油 废气
吸气 压缩 膨胀 排气
Intake Compression Expansion Exhaust
Exhaust gasAir,Fuel
Intake valve Exhaust valve
四冲程高速柴油机工作过程
1
2
30— 1 吸空气 p
V
一般 n=1.34~1.37
柴油自燃 t=335℃ p0
2’
0
1— 2’多变压缩
p2’=3~5MPa t2’=600~800℃
2’ 喷柴油
2 开始燃烧
2— 3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
Autoiginition
四冲程高速柴油机工作过程
1
2
3 4
5
3— 4 边喷油，边膨胀 p
V
p0 1’
2’
0
t4可达 1700~1800℃
4 停止喷柴油
4— 5 多变膨胀
V
近似 膨胀p
p5=0.3~0.5MPa
t5?500℃
5— 1’开阀排气,降压
1’— 0 活塞推排气,完成循环
四冲程高速柴油机的理想化
1
2
3 4
5
1,工质 p
V
p0 1’
2’
0
工质数量不变
定比热理想气体
P-V图 ?p-v图
2,0-1和 1’ -0抵消
开口 ?闭口循环
3,燃烧 ?外界加热
4,排气 ?向 外界放热
5,多变 ?绝 热
6,不可逆 ?可逆
理想混合加热循环（萨巴德循环）
1
2
3 4
5
1
2
3
4
5
p
v
T
s
分析循环 吸热量, 放热量, 热效率 和 功量
Dual cycle
理想混合加热循环的计算
1
2
3
4
5
T
s
吸热量
? ? ? ?1 v 3 2 p 4 3q c T T c T T? ? ? ?
放热量 (取绝对值）
? ?2 v 5 1q c T T??
热效率
12
t
11
w q q
qq
? ???
qw?????蜒
? ?
512
1 3 2 4 3
11 TTq
q T T k T T
?? ? ? ?
? ? ?
定义几个指标性参数
1
2
3 4
5
p
v
压缩比 1
2
v
v
? ?
定容增压比 3
2
p
p
? ?
预胀比 4
3
v
v
? ?
反映
气缸
容积
反映
供油
规律
Compression ratio
Cutoff ratio
理想混合加热循环的计算
1
2
3
4
5
T
s
热效率
? ?
51
t
3 2 4 3
1 TT
T T k T T
? ???
? ? ?
1
11
2 1 1
2
k
kvT T T
v
?
?
?????
??
??
1
2
v
v
? ?
13
3 2 1
2
kpT T T
p
?? ???
3
2
p
p
? ?
14
4 3 1
3
kvT T T
v
? ? ? ???
4
3
v
v
? ?
理想混合加热循环的计算
1
2
3
4
5
T
s
热效率
? ?
51
t
3 2 4 3
1 TT
T T k T T
? ???
? ? ?
1
54
5 4 1 1
51
k
kpvT T T T
vp
??
?
??
? ? ???
??
? ?t 1
11
11
k
k k
???
? ? ? ??
???
? ? ?????
各因素对混合加热循环的影响
?
t?
1.4k ?
1.3k ?
1.2k ?
1,当, 不变? ?
? t?
受气缸材料限制
一般柴油机 1 4 2 1? ??
k
? ?t 1
11
11
k
k k
???
? ? ? ??
???
? ? ?????
潜艇用氦气,k=1.66
各因素对混合加热循环的影响
?
?
2,当 不变?
t?
t?
?
t?
1? ?
1.5? ?
2? ?
3? ?
? ?t 1
11
11
k
k k
???
? ? ? ??
???
? ? ?????
注意：
图示的研究方法
不必记忆 的复杂式t?
1
2
3 4
5
p
v
柴油机与汽油 机动力循环图示
1
2
3 4
5
p
v
1
2
3
4
p
v
柴油机，压燃式 汽油机，点燃式
1? ?
定容加热 循环（奥图 OTTO循环 )
1
2
3
4
1
2
3
4
p
v
T
s
定容加热循环的计算
1
2
3
4
T
s
吸热量
? ?1 v 3 2q c T T??
放热量 (取绝对值）
? ?2 v 4 1q c T T??
热效率
1 2 2 4 1
t
1 1 1 3 2
11w q q q T T
q q q T T
? ??? ? ? ? ? ?
?
定容加热循环的计算
1
2
3
4
T
s
热效率
41
t
32
1 TT
TT
? ???
?
4
1
1
3
2
2
1
1
1
T
T
T
T
T
T
??
???
??
??
??
???
??
1
321
1 2 4
k
TTv
T v T
?
??
????
??
1
1
2
1
2
1
11
k
T
T v
v
?
? ? ? ?
??
??
??
1
11
k? ???
定容加热循环的计算
? ?t 1
11
11
k
k k
???
? ? ? ??
???
? ? ?????
1? ?
t 1
11
k? ? ???
? t?k
汽油易爆燃
一般汽油机 5 1 0? ??
一般柴油机效率高于汽油机的效率
但汽油机小巧
1 4 2 1? ?柴油机
柴油机与低速柴油 机循环图示
1
2
3 4
5
p
v
1
2 3
4
p
v
柴油机，压燃式 低速柴油机，压燃式
1??
定压加热循环（狄塞尔 Diesel循环 )
1
2 3
4
p
v
1
2
3
4
T
s
定压加热循环的计算
1
2
3
4
T
s
吸热量
? ?1 p 3 2q c T T??
放热量 (取绝对值）
? ?2 v 4 1q c T T??
热效率
1 2 2
t
1 1 1
1w q q q
q q q
? ?? ? ? ?
定压加热循环的计算
热效率
t 1
11
( 1 )
k
k k
??
???
???
?
t?
?
1.5? ?
2? ?
2.5? ?
当 不变? ? t?
?当 不变? t?
已被淘汰
§ 5-2 活塞式内燃机循环比较
比较的条件
压缩比 ?
吸热量 1q
反映气缸结构尺寸、工艺材料
反映作功量（马力）
最高压力 maxp 反映材料耐压、壁厚、成本
最高压力
maxT
反映材料耐温
比较的对象,混合加热，定容加热，定压加热
和 相同
T
s
2
t
1
1 q
q
? ??
tv tm tp? ? ???
2 v 2 m 2 pq q q??
平均温度法
? 1q
3m
4m
1
2
3v
4v
3p
4p