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畢業(yè)設計譯文
2.4. 內燃機
我們已經看到恒定體積、恒定壓力、絕熱、多變和等溫膨脹和壓縮的非流動過程，與此同時在這些操作中我們也已經掌握如何計算工作量和熱能轉移。在這一章中，我們將把這些知識運用到理論和實際的發(fā)動機循環(huán)中，觀看整個過程的循環(huán)，計算制動力和功率，這意味著有效壓力，效率和燃料消耗，以及它們理論與實際之間的關系。此外，在實踐中我們發(fā)現如何研究功率等參數。
熱力學第二定律
一般而言在這個階段考慮熱機循環(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所供應熱能數量的增加而增大。由第一定律我們知道在一個封閉循環(huán)中，且內能變化為零，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
=
=
這個公式可以運用到我們在下面見到的所有理想情況。
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，構造一個在運行時沒有熱能消耗的熱機是不可能的。
熱力學第二定律為：
不可能從單一熱源吸取能量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a生其他影響。
換句話說，必須有一個冷儲層的熱能消耗。
熱力學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)生都可以產生動力。
如果一個系統(tǒng)周期性的生產工作，在不同的溫度下，它一定有兩個熱源交換熱量。
十九世紀，熱力學第二定律的發(fā)表主要歸功于薩迪.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.氣缸內氣體在狀態(tài)2和狀態(tài)3之間溫度降下來?；钊诟字羞\動以致使氣體在狀態(tài)3和狀態(tài)4間進行等溫壓縮，在狀態(tài)4與狀態(tài)1之間進行絕熱壓縮。
卡諾循環(huán)的整個過程是可逆的，在恒溫狀態(tài)下熱量提供和消耗是相等的。因此，在實踐中這個循環(huán)是不可能成立的。
圖2.4.1 卡諾循環(huán)
一個漫長的證明，使用不流動的能量方程和表達式來替代我們派生的效率的表達式，給我們一個循環(huán)效率的表達式，這就是卡諾效率。
卡諾效率：
在這個循環(huán)中，僅有兩個溫度，其中T2是最低溫度，T1是最高溫度
在實際中，這種循環(huán)是無法實現的，因為在恒溫狀態(tài)下，若要循環(huán)可逆就一定會提供熱量和消耗熱量。然而，他確實提供了一種測
量這個循環(huán)效率的方法，設備也允許我們在最大溫度和最小溫度之間計算出最大理論效率，即使該循環(huán)不是卡諾循環(huán)。
例 2.4.1
柴油機工作溫度是在600C和65C之間，這個系統(tǒng)的卡諾效率是多少？
=
===0.613=61.3%
標準氣體循環(huán)
我們所知道的標準氣體循環(huán)，或理想循環(huán)，是由恒定體積，恒定壓強和絕熱的條件下形成的發(fā)動機循理論環(huán)，我們能在p/v圖中說明。理論的P/V圖與實際是不一樣的，例如，因為我們設想整個循環(huán)中的氣體都是空氣，然而實際中可能是燃氣。我們也可以假定閥門是打開和關閉的，膨脹和壓縮是隔熱的。
標準氣體循環(huán)是一種近似內燃機性能的循環(huán)。
定容（奧托）循環(huán)
這是汽油發(fā)動機最基本的循環(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（熱氣驅動活塞沿氣瓶向下運動）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，由我們的知識我們可以獲知如下：
l 這個循環(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移
l 我們這一章利用我們早些導出的表達式關于理想的或標準的空氣的循環(huán)效率
要點
平均指示有效壓力可以被認為是對整個行程活塞的壓力，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)動機制動功率通常被引證和簡單的記錄，而不是簡單的平均有效壓力，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)現與制動力和制動值指示功率的表達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)的空氣標準效率是實際性能中有用的指示，但是卻被限制，因為在實際中不容易確定熱量轉移在哪里開始與結束。
理想的周期圖，以及我們后面看到的實際的指標圖，可以提供一種有價值指示的有效壓力，用表示，這是另一個很有用的對照。在同一地方區(qū)別圖標高度是依據組成矩形的長短。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 。圖形的長度，即使體積，就是m3
==
例2.4.2
發(fā)動機在恒定循環(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)的空氣標準效率
（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用；
在恒定體積的過程中轉移的熱能是（）。
=，=
=305
=721.3K 壓縮最后溫度
= =
=1873*0.42
=792K 膨脹最后溫度
空氣標準效率：
=1-=1- m和消掉 ==1-=0.557=57.7% 空氣標準效率
例 2.4.3
在標準空氣（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
空氣標準效率==1-=1-=1-0.5647=0.435=43.5%
平均有效壓力，====599.7
恒壓（迪索）循環(huán)
這是柴油機循環(huán)中最基本的一種。
圖2.4.6顯示這個循環(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
在一個理想柴油機循環(huán)中，開始壓縮是1bar,27C，在恒壓過程中，最大壓力是45bar以及體積的二倍。計算空氣的標準效率：
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。注意圖標中對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)動機工作的壓縮比是16:1。壓縮開始時，壓力和溫度分別是98和30C。在完成此次熱量供應提供的壓力和溫度分別是60bar和1300C。計算這個循環(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=
標準效率=
問題2.4.1
（1） 在奧托循環(huán)情況下，汽油發(fā)動機工作的壓縮比是9:1，壓縮開始的溫度是32C，在恒定體積下提供熱能，溫度可達到1700℃，壓縮和膨脹指數是1.4，計算：
（a) 壓縮結束時的溫度
（b) 膨脹結束時的溫度
（c) 這個循環(huán)的空氣標準效率
（2） 在一個柴油機系統(tǒng)中，壓縮開始時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.計算：
（a) 理論循環(huán)效率
（b) 平均有效壓力
（3） 發(fā)動機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。開始壓縮時的壓力是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,計算空氣的標準效率循環(huán)：
（4） 壓燃式發(fā)動機循環(huán)依據公式被表達，在恒定壓力下吸收1160熱量，依據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循環(huán)。原始狀態(tài)是1bar，43℃，壓縮比是13:1。
設想整個過程空氣都是工作介質，確定在下列條件下每千克熱量的轉移。
（a） 壓縮過程
（b） 熱膨脹過程
（c） 恒定體積過程
(5) 一個理想雙重燃燒循環(huán)的引擎運行的壓縮比是13.5:1。最大循環(huán)壓力和溫度分別是44bar和1350℃。 如果這個系統(tǒng)的原始壓力和溫度分別是1bar和27℃，計算這個系統(tǒng)循環(huán)的熱效率和平均有效壓力。
指標圖
一個真實的叫做指標圖，它正確的展示了發(fā)動機氣缸內所發(fā)生的運動。
這些點是很有用的，因為它能幫助我們找到發(fā)動機做的功和功率，它還能讓我們看到定時入口、排氣和燃料燃燒的效果，根據這些我們做相應的調整來提高循環(huán)效率。
至于低速大型發(fā)動機，就像船用柴油機，他的典型旋轉速度在每分鐘100轉，一個指標圖能夠由螺紋設備組成，該設備被稱為一個發(fā)動機的特殊指示旋塞在發(fā)動機的汽缸頭上。指壓器記錄汽缸內的壓力變化和體積變化（體積變化是比例的轉角），在p/v坐標軸上的這些點按著對壓力敏感程度包裹在鼓上，用線連接起來，這就產生了眾所周知的“指標卡”。
圖2.4.10顯示此指示器。指示器中的彈簧可以改變去適應氣缸內的最大壓力，以至于找到最合適的工作點。
這樣的設備不滿足高速發(fā)動機，但是同樣的結果可以在電子系統(tǒng)中繪制。
在這兩種情況下，我們得到缸內的真實p/v圖，通過圖形面積我們能夠找到標準循環(huán)條件下所作的功，因此我們能找到實際做的功和發(fā)動機的動力，通過指標圖的面積計算。當然在這種情況下，曲線并不是理想的，理想方程式也不能被運用，但是圖形面積可以通過其他方式計算出來，例如：使用測面器。
圖2.4.10 發(fā)動機指示器
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