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内燃机热力循环

一、燃气轮机循环

燃气轮机理想循环为布雷顿循环（BraytonCycle）,它是工质连续流动做功的一种轮机循环，如图1所示。它既可作内燃布雷顿循环，又可作外燃布雷顿循环。内燃的布雷顿循环为开式循环，常用工质为空气或燃气。外燃的布雷顿循环是闭式循环，通过热交换器对工质加热，在另一热交换器排出工质余热。

循环过程为：

工质在压气机中等熵压缩1-2,在燃烧室（或热交换器中）等压加热2-3，在燃气轮机中等熵膨胀3-4和等压排气4-1。

图1燃气轮机循环

燃气轮机循环的指示热效率为

k-1

n.=1-兀k

式中，兀c为压气机中气体的压比，k为比热比。

燃气轮机开式循环常与内燃机基本循环配合使用。

二、涡轮增压内燃机热力循环

将涡轮增压技术（或燃气轮机技术）应用到内燃机上是内燃机循环的一项重大技术发展。一方面内燃机希望获得更多的进气（或可燃混合气）充量，以提高内燃机的功率和热效率；另一方面从内燃机排出的高温、高压废气能导入燃气涡轮中再作功，推动与燃气涡轮相连（同轴）的压气机来提高进气（或可燃混合气）的压力供给内燃机，这样就成为涡轮增压内燃机。涡轮增压内燃机有等压涡轮和变压涡轮两种系统，它们的热力循环也有所不同。

1.恒压涡轮增压内燃机热力循环

图2是等压涡轮增压内燃机热力循环。它由内燃机基本循环1一2—3’一3—4一1和燃气轮机循环7—1一5—6—7组成。

图2等压涡轮增压内燃机热力循环

压气机将气体从状态7（大气压力p）等熵压缩到状态1（压力为p）之后进入内燃机。按内燃机热力循环到达状态4。气体在排气过程进入等压涡轮时由于排气门的节流损失和排气动能在排气总管内的膨胀、摩擦、涡流等损失而变成热能，气体温度升高，体积膨胀而到达状态5。气体从4一5这部分能量没有利用，对内燃机来说相当于从状态4直接回到状态1。气体在等压涡轮中从状态5等熵膨胀到状态6,然后排入大气。

2.变压涡轮增压内燃机热力循环变压涡轮增压内燃机热力循环如图3。与等压涡轮增压内燃机热力循环不同，变压涡轮增压内燃机中气体从状态4进入变压涡轮中排气能量不会由于排气管突然变粗而膨胀损失，进入变压涡轮前的气体压力在p与P之间变化。如不计气体流动中的摩擦损失，气体在涡轮中的膨胀从开始排气时的P-P到J最后的P一P（因为后面从气缸中排出的气体压力不断下降）。

图3变压涡轮增压内燃机热力循环内燃机的等容放热过程4一1可看成为涡轮的等容加热过程1一4，然后为气体在涡轮内的等熵膨胀4一5。5—6为等压放热过程。6—1为气体在压气机中的等熵压缩过程。

三、涡轮增压中冷内燃机热力循环

涡轮增压中冷内燃机循环是在涡轮增压内燃机循环的基础上将经压气机出口进入内燃机进气管的空气进行预先冷却，即空气从状态1一3变为1一2（图4）,冷却带走的热量为Q，以增加进入气缸内的空气充量，降低循环温度，特别是降低燃气的最高温度，有利于抑制、减少NOx的排放。

图4涡轮增压中冷柴油机的热力循环

图4涡轮增压中冷柴油机的热力循环

涡轮增压中冷内燃机循环指示热效率为

人pK-1+K(-1)W-1)￡k-1[(人一1)+k以p-1)]

0

式中，后膨胀比；E=V/V为内燃机压缩比；入=P比。E=V1/V2为压气机的压缩比；，p

式中，

后膨胀比；E=V/V为内燃机压缩比；入=P比。

1 ― 65...、 23... 76

234 .. . 5/P4为压力升高比；E0=E卢2为增压内燃机总压

图中，Q为内燃机中气体等容加热量；Q为内燃机中气体等压加热量；Q为涡轮中气体等压加热量；Q1为内燃机中气体等容放热量；Q2为涡轮中气体等压放热量；Q为中冷器中气体冷却量。如无中冷，W=1，贝U 5 6

XpK—1

￡k—1[(人—1)+KX(p—1)]0

四、阿特金森热力循环（AtkinsonCycle）

四、

阿特金森循环（图5）是一种内燃机循环。它与奥托循环的差别在于排气过程是等压而不是等容。如p—V图，T-S图所示。在相同工质数量和加热量的条件下，它有较大的膨胀功，所以热效率高。

图5阿特金森热力循环阿特金森循环曾应用于沙金(Sargent)煤气机上(图6)。煤气与空气的混合气以大气压力。0进入气缸，当活塞向下死点运行至3S/4行程时，进气门就关闭，在其余S/4行程内混合气体就在气缸中沿。aa”线膨胀至低于大气压的a”点，当活塞从下止点向上止点运动时，缸内混合气仍沿a”a线，并继续绝热压缩到c点。其后，工质继续被绝热压缩至上死点c。

在c点点火并按等容过程进行燃烧。由于膨胀行程比压缩行程约大1/4，阿特金森循环功比奥托循环功增加相当于阴影面积。但实际