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畢業(yè)設(shè)計(jì)譯文
2.4. 內(nèi)燃機(jī)
我們已經(jīng)看到恒定體積、恒定壓力、絕熱、多變和等溫膨脹和壓縮的非流動(dòng)過程，與此同時(shí)在這些操作中我們也已經(jīng)掌握如何計(jì)算工作量和熱能轉(zhuǎn)移。在這一章中，我們將把這些知識(shí)運(yùn)用到理論和實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，觀看整個(gè)過程的循環(huán)，計(jì)算制動(dòng)力和功率，這意味著有效壓力，效率和燃料消耗，以及它們理論與實(shí)際之間的關(guān)系。此外，在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)如何研究功率等參數(shù)。
熱力學(xué)第二定律
一般而言在這個(gè)階段考慮熱機(jī)循環(huán)是很有用的。
熱效率總是能夠隨著我們從工作中擺脫引擎時(shí)所供應(yīng)熱能數(shù)量的增加而增大。由第一定律我們知道在一個(gè)封閉循環(huán)中，且內(nèi)能變化為零，工作能量的傳遞等于熱能的傳遞。因此，所做的功在提供的熱能和消耗的熱能上是有區(qū)別的，因此
=
=
這個(gè)公式可以運(yùn)用到我們?cè)谙旅嬉姷降乃欣硐肭闆r。
顯然，如果沒有熱能被消耗，效率將是100%。我們知道并可以證明，構(gòu)造一個(gè)在運(yùn)行時(shí)沒有熱能消耗的熱機(jī)是不可能的。
熱力學(xué)第二定律為：
不可能從單一熱源吸取能量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。
換句話說，必須有一個(gè)冷儲(chǔ)層的熱能消耗。
熱力學(xué)第二定律還有其他說法，例如：
無論在什么地方，只要有溫差發(fā)生都可以產(chǎn)生動(dòng)力。
如果一個(gè)系統(tǒng)周期性的生產(chǎn)工作，在不同的溫度下，它一定有兩個(gè)熱源交換熱量。
十九世紀(jì)，熱力學(xué)第二定律的發(fā)表主要?dú)w功于薩迪.卡諾。
卡諾循環(huán)
卡諾提出了一種在溫度范圍之內(nèi)提供最大限度效率的循環(huán)。
圖2.4.1表明，該循環(huán)是氣缸內(nèi)氣體吸取熱量從狀態(tài)1等溫膨脹到狀態(tài)2，接著絕熱膨脹到狀態(tài)3.氣缸內(nèi)氣體在狀態(tài)2和狀態(tài)3之間溫度降下來?；钊诟字羞\(yùn)動(dòng)以致使氣體在狀態(tài)3和狀態(tài)4間進(jìn)行等溫壓縮，在狀態(tài)4與狀態(tài)1之間進(jìn)行絕熱壓縮。
卡諾循環(huán)的整個(gè)過程是可逆的，在恒溫狀態(tài)下熱量提供和消耗是相等的。因此，在實(shí)踐中這個(gè)循環(huán)是不可能成立的。
圖2.4.1 卡諾循環(huán)
一個(gè)漫長(zhǎng)的證明，使用不流動(dòng)的能量方程和表達(dá)式來替代我們派生的效率的表達(dá)式，給我們一個(gè)循環(huán)效率的表達(dá)式，這就是卡諾效率。
卡諾效率：
在這個(gè)循環(huán)中，僅有兩個(gè)溫度，其中T2是最低溫度，T1是最高溫度
在實(shí)際中，這種循環(huán)是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵诤銣貭顟B(tài)下，若要循環(huán)可逆就一定會(huì)提供熱量和消耗熱量。然而，他確實(shí)提供了一種測(cè)
量這個(gè)循環(huán)效率的方法，設(shè)備也允許我們?cè)谧畲鬁囟群妥钚囟戎g計(jì)算出最大理論效率，即使該循環(huán)不是卡諾循環(huán)。
例 2.4.1
柴油機(jī)工作溫度是在600C和65C之間，這個(gè)系統(tǒng)的卡諾效率是多少？
=
===0.613=61.3%
標(biāo)準(zhǔn)氣體循環(huán)
我們所知道的標(biāo)準(zhǔn)氣體循環(huán)，或理想循環(huán)，是由恒定體積，恒定壓強(qiáng)和絕熱的條件下形成的發(fā)動(dòng)機(jī)循理論環(huán)，我們能在p/v圖中說明。理論的P/V圖與實(shí)際是不一樣的，例如，因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)想整個(gè)循環(huán)中的氣體都是空氣，然而實(shí)際中可能是燃?xì)?。我們也可以假定閥門是打開和關(guān)閉的，膨脹和壓縮是隔熱的。
標(biāo)準(zhǔn)氣體循環(huán)是一種近似內(nèi)燃機(jī)性能的循環(huán)。
定容（奧托）循環(huán)
這是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)最基本的循環(huán)
圖2.4.2顯示此循環(huán)由絕熱壓縮過程1-2（在氣缸中活塞提升壓縮空氣）、定容加熱過程2-3（燃料燃燒）、絕熱膨脹過程3-4（熱氣驅(qū)動(dòng)活塞沿氣瓶向下運(yùn)動(dòng)）和定容放熱過程4-1（排氣）所組成的可逆循環(huán)。
圖2.4.2 定容（奧托）循環(huán)
我們能做什么？目前，由我們的知識(shí)我們可以獲知如下：
l 這個(gè)循環(huán)中的壓力、體積和溫度
l 在每一過程中所做的功是凈功的
l 在每一過程中都有熱量轉(zhuǎn)移
l 我們這一章利用我們?cè)缧?dǎo)出的表達(dá)式關(guān)于理想的或標(biāo)準(zhǔn)的空氣的循環(huán)效率
要點(diǎn)
平均指示有效壓力可以被認(rèn)為是對(duì)整個(gè)行程活塞的壓力，這將給出同樣的工作輸出。一般而言，此值越高越好。
由于發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率通常被引證和簡(jiǎn)單的記錄，而不是簡(jiǎn)單的平均有效壓力，剎車值意味著有效壓力值，Pmb更多的是為比較而用。它是通過使用發(fā)現(xiàn)與制動(dòng)力和制動(dòng)值指示功率的表達(dá)平均有效壓力所取代。這些將在本章后面討論。
平均指示有效壓力，Pmi
該循環(huán)的空氣標(biāo)準(zhǔn)效率是實(shí)際性能中有用的指示，但是卻被限制，因?yàn)樵趯?shí)際中不容易確定熱量轉(zhuǎn)移在哪里開始與結(jié)束。
理想的周期圖，以及我們后面看到的實(shí)際的指標(biāo)圖，可以提供一種有價(jià)值指示的有效壓力，用表示，這是另一個(gè)很有用的對(duì)照。在同一地方區(qū)別圖標(biāo)高度是依據(jù)組成矩形的長(zhǎng)短。參見圖2.4.3，矩形由圖2.4.3的陰影顯示。
==
圖形的面積是功，焦耳=N.m 。圖形的長(zhǎng)度，即使體積，就是m3
==
例2.4.2
發(fā)動(dòng)機(jī)在恒定循環(huán)體積工作的有效壓縮比是8.6:1。開始的壓縮溫度是32C，供熱的最后溫度是1600C如果壓縮和膨脹的指標(biāo)是1.4，求：
（a) 壓縮的最后溫度
（b) 膨脹的最后溫度
（c) 該循環(huán)系統(tǒng)的空氣標(biāo)準(zhǔn)效率
（d) 圖2.4.4顯示次循環(huán)系統(tǒng)
圖2.4.3 有效壓力 圖2.4.4 例2.4.2
注：
有效壓縮比是體積比， ，而不是壓力比；
無量綱比中，8.6和1可以直接在公式中運(yùn)用；
在恒定體積的過程中轉(zhuǎn)移的熱能是（）。
=，=
=305
=721.3K 壓縮最后溫度
= =
=1873*0.42
=792K 膨脹最后溫度
空氣標(biāo)準(zhǔn)效率：
=1-=1- m和消掉 ==1-=0.557=57.7% 空氣標(biāo)準(zhǔn)效率
例 2.4.3
在標(biāo)準(zhǔn)空氣（奧托），恒定體積的循環(huán)下，壓縮比是8到1，壓縮開始在1bar，27C。在恒定體積下，每千克空氣吸收熱量800kj。計(jì)算：
（a) 熱效率；
（b) 指定的有效壓力、
=718
=1.4
圖2.4.5顯示次循環(huán)系統(tǒng)
=，==1.4*718
=1005(看第二十頁，絕熱壓縮和膨脹）
R=，R=1005-718=287
圖2.4.5 例2.4.3
=m.R. ,===0.861
=8 ,==0.1076
活塞排量=-=0.861-0.1076=0.7534
=，=,
=300*=689.2K
=
=689.2+=1803.4K(m=1kg)
= =1803.4=785K
熱消耗===718(785-300)=348.2kJ
功=提供熱能-消耗熱能=800-348.2=451.8kJ
空氣標(biāo)準(zhǔn)效率==1-=1-=1-0.5647=0.435=43.5%
平均有效壓力，====599.7
恒壓（迪索）循環(huán)
這是柴油機(jī)循環(huán)中最基本的一種。
圖2.4.6顯示這個(gè)循環(huán)由絕熱壓縮1-2，恒壓加熱2-3，隔熱膨脹3-4,和恒定體積排氣4-1組成。
圖2.4.6 恒壓（迪索）循環(huán)
例 2.4.4
在一個(gè)理想柴油機(jī)循環(huán)中，開始?jí)嚎s是1bar,27C，在恒壓過程中，最大壓力是45bar以及體積的二倍。計(jì)算空氣的標(biāo)準(zhǔn)效率：
空氣：
=1.4 ，=1005。=718
圖2.4.7顯示此循環(huán)：
R=-=1005-718-287
使用1kg的物體，
=m.R.
===0.861
圖2.4.7 例2.4.4
= =
==891K
=
===0.05868
混合壓力（雙燃燒）循環(huán)
這是柴油機(jī)最基本的循環(huán)。
圖2.4.8顯示此循環(huán)由在恒定體積和恒定壓力下的加熱，兩條絕熱曲線和恒定體積的熱消耗。注意圖標(biāo)中對(duì)熱消耗和熱提供的表述。
圖2.4.8 混合壓力（雙燃燒）循環(huán)
例2.4.5
在理想雙燃燒循環(huán)中，壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)工作的壓縮比是16:1。壓縮開始時(shí)，壓力和溫度分別是98和30C。在完成此次熱量供應(yīng)提供的壓力和溫度分別是60bar和1300C。計(jì)算這個(gè)循環(huán)的熱效率：
圖2.4.9顯示次循環(huán)：
圖2.4.9 例2.4.5
提供熱=
=173+416=589
用1kg的物體
消耗熱=
標(biāo)準(zhǔn)效率=
問題2.4.1
（1） 在奧托循環(huán)情況下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作的壓縮比是9:1，壓縮開始的溫度是32C，在恒定體積下提供熱能，溫度可達(dá)到1700℃，壓縮和膨脹指數(shù)是1.4，計(jì)算：
（a) 壓縮結(jié)束時(shí)的溫度
（b) 膨脹結(jié)束時(shí)的溫度
（c) 這個(gè)循環(huán)的空氣標(biāo)準(zhǔn)效率
（2） 在一個(gè)柴油機(jī)系統(tǒng)中，壓縮開始時(shí)氣體的壓力和溫度分別是1bar和57℃。體積壓縮比是16，在恒壓的情況下吸收的熱量是1250.計(jì)算：
（a) 理論循環(huán)效率
（b) 平均有效壓力
（3） 發(fā)動(dòng)機(jī)在理想的雙重燃燒循環(huán)下的活塞排量是0.1068，氣缸余隙容積是8900。開始?jí)嚎s時(shí)的壓力是1bar、溫度是42C。如果熱膨脹后的溫度是450C，其中最高溫度是1500C，最大壓力是45bar,計(jì)算空氣的標(biāo)準(zhǔn)效率循環(huán)：
（4） 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)依據(jù)公式被表達(dá)，在恒定壓力下吸收1160熱量，依據(jù)公式膨脹到原始體積在底部中心，在恒體積的情況下由熱消耗完成整個(gè)循環(huán)。原始狀態(tài)是1bar，43℃，壓縮比是13:1。
設(shè)想整個(gè)過程空氣都是工作介質(zhì)，確定在下列條件下每千克熱量的轉(zhuǎn)移。
（a） 壓縮過程
（b） 熱膨脹過程
（c） 恒定體積過程
(5) 一個(gè)理想雙重燃燒循環(huán)的引擎運(yùn)行的壓縮比是13.5:1。最大循環(huán)壓力和溫度分別是44bar和1350℃。 如果這個(gè)系統(tǒng)的原始?jí)毫蜏囟确謩e是1bar和27℃，計(jì)算這個(gè)系統(tǒng)循環(huán)的熱效率和平均有效壓力。
指標(biāo)圖
一個(gè)真實(shí)的叫做指標(biāo)圖，它正確的展示了發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。
這些點(diǎn)是很有用的，因?yàn)樗軒椭覀冋业桨l(fā)動(dòng)機(jī)做的功和功率，它還能讓我們看到定時(shí)入口、排氣和燃料燃燒的效果，根據(jù)這些我們做相應(yīng)的調(diào)整來提高循環(huán)效率。
至于低速大型發(fā)動(dòng)機(jī)，就像船用柴油機(jī)，他的典型旋轉(zhuǎn)速度在每分鐘100轉(zhuǎn)，一個(gè)指標(biāo)圖能夠由螺紋設(shè)備組成，該設(shè)備被稱為一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的特殊指示旋塞在發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸頭上。指壓器記錄汽缸內(nèi)的壓力變化和體積變化（體積變化是比例的轉(zhuǎn)角），在p/v坐標(biāo)軸上的這些點(diǎn)按著對(duì)壓力敏感程度包裹在鼓上，用線連接起來，這就產(chǎn)生了眾所周知的“指標(biāo)卡”。
圖2.4.10顯示此指示器。指示器中的彈簧可以改變?nèi)ミm應(yīng)氣缸內(nèi)的最大壓力，以至于找到最合適的工作點(diǎn)。
這樣的設(shè)備不滿足高速發(fā)動(dòng)機(jī)，但是同樣的結(jié)果可以在電子系統(tǒng)中繪制。
在這兩種情況下，我們得到缸內(nèi)的真實(shí)p/v圖，通過圖形面積我們能夠找到標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)條件下所作的功，因此我們能找到實(shí)際做的功和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，通過指標(biāo)圖的面積計(jì)算。當(dāng)然在這種情況下，曲線并不是理想的，理想方程式也不能被運(yùn)用，但是圖形面積可以通過其他方式計(jì)算出來，例如：使用測(cè)面器。
圖2.4.10 發(fā)動(dòng)機(jī)指示器
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