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沙巴特循环中的热效率提升机制

【摘要】:特别是在沙巴特循环中其倾向更加明显。这是因为在沙巴特循环中,如果λ增大,不但随质量热容的减小使热效率增加,还因燃料定压预胀比φ减小,即接近于1,进一步提高了热效率。

燃料-空气循环如下设定工质的结构和其物理性、化学性变化。

1.工质的结构

工质的结构随着空气过量系数λ的变化和燃烧过程中复杂的化学反应同时发生变化。工质的结构变化导致工质的质量热容(或质量热容比)发生变化,这影响到燃烧温度。

空气的质量热容小于燃烧废气的质量热容。因此,如果空气过量系数(或空气量)增加,工质的质量热容就减小。工质的质量热容减小,会使燃烧废气的温度升高,热效率随空气过量系数的增大而增加。特别是在沙巴特循环中其倾向更加明显。这是因为在沙巴特循环中,如果λ增大,不但随质量热容的减小使热效率增加,还因燃料定压预胀比φ减小,即接近于1,进一步提高了热效率。表2-8所示为做功的例子,显示了随分子式CnH2n型燃料-空气混合气空气过量系数λ的变化,质量定容热容和质量热容比值所发生的变化。

表2-8 随空气过量系数变化的质量定容热容和质量热容比

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压缩过程中工质,柴油机为空气和残留废气的混合气,奥托发动机还包含了燃料。虽然燃烧后均为废气,但其成分比例随空燃比(或空气过量系数)和燃烧温度的不同而有所变化。设定压缩过程和膨胀过程为多变指数分别为n=1.30~1.32和n=1.28~1.30的绝热过程

2.热分解

空气标准理想循环仅考虑了燃料中包含的碳(C)和氢气(H2)仅生成二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O)的完全燃烧,并且供给热量采用了燃料的低热值。但鉴于空气不足的状态和空气过剩的状态(因发生吸热反应而产生热分解)总是存在,这种理想循环在实际发动机中不会存在。因此,燃料-空气循环因热分解时的吸热作用使其供给热量减小,会导致燃烧温度降低。

热分解可以利用水性气体反应式等化学平衡公式进行计算,温度越高,H2O、CO2等分解率越高,需要考虑的分解反应如下:

2CO2↔2CO+O2

2H2O↔2H2+O2

2H2O+O2↔4OH

H2↔2H

O2↔2O

N2+O2↔2NO

3.质量热容的增加

废气的质量热容与温度成正比例增加,因此燃料-空气循环比空气标准理想循环温度上升相对减少。在压缩过程中因温度低故影响小,但在燃烧过程中温度高,进而发生热分解,受其影响温度上升明显减少,从而使其压力上升减少,输出功率和效率降低。

质量热容c为温度的函数,计算式为

c=A+BT+CT2+DT-1

式中,ABCD等系数为各气体固有的气体常数。燃料-空气混合气或燃烧废气的质量热容为各成分气体的质量热容与质量比率(或摩尔比率)乘积的总和。

4.分子数的变化

在燃烧过程中,分子数(或摩尔数)发生变化,燃料-空气循环的计算要考虑气缸内废气总量的变化。

假设燃烧后的分子数变化δ倍,则理想气体状态方程为:

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式中,n为燃烧前的分子总摩尔数。根据上述公式,如果δ>1,且温度T和容积V相同,则得出的压力p就高,进而效率会增加。液体燃料的δ>1,气体燃料的δ<1。碳氢化合物燃料的分子量越大,空气过量系数越小,其δ会增加。图2-22所示为燃烧时分子数增加率δ的变化曲线。

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图2-22 燃烧时分子数增加率

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图2-23 燃料-空气循环p-V线图